石曉妹，丁 平

（1.徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221000；2.無錫德林防務(wù)裝備股份有限公司，江蘇 無錫 214191）

履帶式起重機(jī)是一種履帶式底盤，桁架臂結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于各種作業(yè)場(chǎng)合的中大噸位起重機(jī)，具有起重量大、可帶載行走、接地比壓小、作業(yè)靈活等優(yōu)勢(shì)。履帶式起重機(jī)作為電液控制的大型起重類工程機(jī)械，控制邏輯復(fù)雜，零部件參數(shù)匹配困難，安全保護(hù)措施繁多，動(dòng)作輸出控制要求平穩(wěn)精準(zhǔn)，對(duì)整機(jī)廠家的硬件設(shè)計(jì)、綜合控制、軟件開發(fā)等技術(shù)水平都要求很高。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文以260t履帶式起重機(jī)為例，介紹控制系統(tǒng)的組成以及程序結(jié)構(gòu)。260t履帶式起重機(jī)為全新開發(fā)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，規(guī)劃的使用工況較多，使用康明斯QSL9-C325發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。電控箱安裝在駕駛室背后位置，多了一道駕駛室后門保護(hù)，可有效防止雨水的侵蝕，控制箱內(nèi)主要包含一塊IFLEX5擴(kuò)展型主機(jī)、一塊IFLEXC3基本型控制器，一塊U/I轉(zhuǎn)換盒、一個(gè)防雷模塊以及若干繼電器和保險(xiǎn)等。駕駛室內(nèi)控制面板信號(hào)、轉(zhuǎn)臺(tái)電氣各信號(hào)以及臂架電氣各信號(hào)通過物理線束連接到控制箱內(nèi)的PLC控制器。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

IFLEX5擴(kuò)展型主機(jī)作為控制節(jié)點(diǎn)Node1，也作為力矩限制使用，主要采集各動(dòng)作手柄的信號(hào)、各工況拉力傳感器信號(hào)、主臂和塔臂角度傳感器、主副卷揚(yáng)壓力信號(hào)以及桅桿油缸壓力信號(hào)。IFLEXC3基本型控制器作為控制節(jié)點(diǎn)Node2，主要負(fù)責(zé)和發(fā)動(dòng)機(jī)通訊，控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及讀取發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，還有負(fù)責(zé)油箱溫度傳感器、油箱液位傳感器，水平儀、風(fēng)速儀、手油門和腳油門等信號(hào)采集。駕駛室內(nèi)10英寸觸摸屏作為控制節(jié)點(diǎn)Node3，主要顯示系統(tǒng)參數(shù)，包括力限器數(shù)據(jù)、故障報(bào)警信息以及工況設(shè)置參數(shù)等。當(dāng)然各控制器也采集控制輸入輸出開關(guān)量信號(hào)，在此就不一一列舉。各控制節(jié)點(diǎn)之間通過CAN總線通訊，IFLEXC3基本型控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)ECU之間通過J1939通訊。控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)組成框圖

1.2 軟件設(shè)計(jì)

260t履帶式起重機(jī)控制程序采用結(jié)構(gòu)化編程，把控制系統(tǒng)分成單個(gè)的控制子程序，再在主程序Main中調(diào)用各個(gè)子程序，把一些相同的控制功能開發(fā)成功能塊FB，再在子程序中調(diào)用FB，只是對(duì)應(yīng)的程序輸入接口和輸出接口不同，提高了程序的標(biāo)準(zhǔn)化，比如主卷控制和副卷控制以及變幅、回轉(zhuǎn)等控制都需要使用手柄控制函數(shù)，只是對(duì)應(yīng)的輸入和輸出變量不同。主程序Main包含的子程序較多，主要包括輸入輸出程序、動(dòng)作允許控制程序、GPS控制程序、主卷控制程序、主變幅控制程序、桅桿控制程序、副卷控制程序、塔臂變幅控制程序、回轉(zhuǎn)控制程序、行走控制程序、吊鉤高度計(jì)算程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、CAN通訊程序、故障報(bào)警控制程序等。系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

履帶式起重機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵就是如何平穩(wěn)地控制好各卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，比如二次提升控制，還有手柄的斜坡控制，使操作動(dòng)作即平穩(wěn)，又響應(yīng)及時(shí)。對(duì)于200t以上移動(dòng)式起重機(jī)，還需要吊鉤離地高度顯示，精確的吊鉤離地高度計(jì)算也是十分重要。

2.1 二次提升控制

二次提升重物下滑現(xiàn)象不僅存在于開式液壓系統(tǒng)中，同樣也存在于閉式液壓系統(tǒng)中，而且在閉式系統(tǒng)中會(huì)更加嚴(yán)重。閉式系統(tǒng)中，泵的出油口與馬達(dá)進(jìn)油口之間的管路越長(zhǎng)，壓力建立的容性特性就越明顯，二次提升下滑現(xiàn)象就越嚴(yán)重，260t履帶式起重機(jī)起升液壓系統(tǒng)為開式系統(tǒng)。

目前常用的解決二次提升下滑的方法為壓力記憶控制，即在起重機(jī)起吊重物的過程中，控制器需要記錄馬達(dá)處的壓力數(shù)值，等待載荷的再次起升。一旦控制器接收到需要在空中再次起升載荷時(shí)，控制系統(tǒng)先監(jiān)測(cè)起升回路是否已經(jīng)達(dá)到足夠支撐載荷的壓力，然后制動(dòng)器才能打開。若是壓力沒有建立起來制動(dòng)器就打開，負(fù)載就可能下滑；若是延遲時(shí)間太久，系統(tǒng)壓力就可能過高，制動(dòng)器突然打開，卷揚(yáng)會(huì)出現(xiàn)沖擊。因此，如何記憶正確的壓力值、確定最佳的制動(dòng)器開啟時(shí)間，就成為壓力記憶控制技術(shù)的核心。

本文專門針對(duì)二次提升控制設(shè)計(jì)開發(fā)了功能塊Hoist_secondly_up_load。其中輸入變量為：press為壓力傳感器的采樣值，n為壓力采樣數(shù)目，TP為起始?jí)毫Σ蓸悠帘螘r(shí)間，joystick_maxdead為手柄死區(qū)上限值，joystick_mindead為手柄死區(qū)下限值，hoist_joystick為手柄實(shí)際值，limit_press和largest_press分別為二次提升作用的最小壓力和最大壓力，zero_switch為清零開關(guān)，reset為系統(tǒng)復(fù)位標(biāo)志，act_load為實(shí)際吊鐘量，reev為倍率，Engine_speed為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，k_remain為起升過程中壓力高于最大壓力的百分比。輸出變量為：hoistup_ok為二次提升允許標(biāo)志，Target_press為目標(biāo)壓力值，Act_press為實(shí)際壓力值，diff為目標(biāo)壓力值和實(shí)際壓力值之間的差值。輸入輸出變量為：up_largest_press為上升過程中最大壓力值記錄值，hoist_status為吊鉤狀態(tài)（1為空鉤，2為重物離地，3為重物部分離地），largest_load為最大負(fù)載記錄值。二次提升控制模塊如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖

圖3 二次提升控制模塊

2.2 吊鉤高度計(jì)算程序

260t履帶式起重機(jī)通過在主臂和副臂上安裝角度傳感器以及在主副卷揚(yáng)上安裝編碼器，再通過控制器實(shí)時(shí)計(jì)算主鉤和副鉤的離地高度。以主鉤為例介紹吊鉤高度計(jì)算的原理，圖4為卷揚(yáng)纏繞鋼絲繩剖面簡(jiǎn)易示意圖，圖5為主鉤工況簡(jiǎn)易模型圖[4]。

圖4 卷揚(yáng)纏繞鋼絲繩剖面示意圖

設(shè)轉(zhuǎn)臺(tái)和主臂連接鉸點(diǎn)為o，主卷揚(yáng)半徑為R，主卷揚(yáng)鋼絲繩半徑為r，主卷揚(yáng)每層纏滿鋼絲繩圈數(shù)為m，主卷編碼器當(dāng)前記錄的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為N,主鉤倍率為Reev，主卷鋼絲繩總長(zhǎng)為L(zhǎng)T，主卷揚(yáng)中心到滑輪1中心的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1,滑輪1中心到滑輪2中心的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，主臂長(zhǎng)度為L(zhǎng)m，轉(zhuǎn)臺(tái)和主臂連接鉸點(diǎn)離地面高度為Ho，滑輪3到吊鉤底部的高度為H2。

圖5 主鉤工況簡(jiǎn)易模型圖

則主卷第1層鋼絲繩長(zhǎng)度為

其中R1=R+r

第2層鋼絲繩長(zhǎng)度為

其中R2=R1+1.732r

第n層鋼絲繩長(zhǎng)度為

其中Rn=R1+1.732(n-1)r

則滑輪2到滑輪3的高度為

則主鉤離地高度為

對(duì)應(yīng)的控制程序模塊Hook_high_calculate如圖6所示，其中Coder為編碼器計(jì)數(shù)值，需要在程序塊中轉(zhuǎn)換為圈數(shù)，Angle_M為主臂角度傳感器值，Reset為編碼器標(biāo)定按鈕，k為修正系數(shù)，Value為修正值，功能塊除了能夠輸出吊鉤實(shí)時(shí)高度還能鉤顯示吊鉤運(yùn)動(dòng)速度。

圖6 吊鉤高度計(jì)算模塊

3 結(jié) 語

260t履帶式起重機(jī)控制系統(tǒng)能很好地滿足設(shè)備的動(dòng)作要求，同時(shí)觸摸屏上顯示界面生動(dòng)、顯示數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。特別對(duì)于控制程序，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，提高了程序的可讀性和可維護(hù)性。通過通用功能塊的開發(fā)，減少了很多重復(fù)編程，而且也可以推廣到其他噸位的產(chǎn)品上，大大地提高了編程效率。該產(chǎn)品目前已經(jīng)交付客戶使用了很長(zhǎng)時(shí)間，效果良好。