何 彬， 管會(huì)生

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

隨著控制技術(shù)的進(jìn)步，工程機(jī)械控制系統(tǒng)近年來發(fā)生了巨大變化，出現(xiàn)了基于現(xiàn)場總線技術(shù)的先進(jìn)控制系統(tǒng)[1]。根據(jù)人才培養(yǎng)和教學(xué)科研的需要，為了使本科工程機(jī)械專業(yè)學(xué)生能更好地學(xué)習(xí)和了解先進(jìn)的控制技術(shù)，為此設(shè)計(jì)了挖掘機(jī)數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)由基于CAN總線的人機(jī)交互界面自動(dòng)化控制系統(tǒng)和基于ZigBee技術(shù)的自組網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)字化控制系統(tǒng)組成。該挖掘機(jī)的液壓控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)切換，便于實(shí)驗(yàn)安全進(jìn)行。通過實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作方便，能快速準(zhǔn)確地完成遙控控制和自動(dòng)化控制。在此平臺(tái)基礎(chǔ)上開設(shè)實(shí)驗(yàn)，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生分析和解決工程技術(shù)問題的能力，提升學(xué)生綜合應(yīng)用能力和實(shí)際動(dòng)手能力[2-5]。

1 挖掘機(jī)控制系統(tǒng)

挖掘機(jī)的控制系統(tǒng)主要由無線開發(fā)系統(tǒng)、人機(jī)界面交互系統(tǒng)、嵌入式控制系統(tǒng)、CAN總線通信系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、挖掘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等子系統(tǒng)組成[6-8]，如圖1 所示。

圖1 挖掘機(jī)控制系統(tǒng)框圖

挖掘機(jī)各個(gè)子系統(tǒng)間相互協(xié)調(diào)，相互補(bǔ)充，構(gòu)成一個(gè)不可分割的統(tǒng)一體。同時(shí)各個(gè)子系統(tǒng)間又可以相對(duì)獨(dú)立地控制挖掘機(jī)，實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)要求的控制。

1.1 挖掘機(jī)電液控制系統(tǒng)

數(shù)字化挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)是手動(dòng)、電控共存油路系統(tǒng)，其電液系統(tǒng)如圖2所示。挖掘機(jī)的工作油缸包括動(dòng)臂油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸，行走馬達(dá)包括左行走馬達(dá)、右行走馬達(dá)和回轉(zhuǎn)馬達(dá)。液壓泵為挖掘機(jī)工作裝置提供工作油，電控閥是按照指令對(duì)油缸或馬達(dá)等液壓驅(qū)動(dòng)裝置分配工作油實(shí)現(xiàn)具體動(dòng)作[9-10]。

圖2 挖掘機(jī)手動(dòng)與自動(dòng)切換液壓系統(tǒng)原理圖

1.2 嵌入式人機(jī)界面控制系統(tǒng)

嵌入式主控系統(tǒng)負(fù)責(zé)挖掘機(jī)數(shù)字化控制平臺(tái)的本地控制，包括外部信息采集處理、輸出控制、簡單動(dòng)作、復(fù)合動(dòng)作、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等;同時(shí)還負(fù)責(zé)挖掘機(jī)電控系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)軟件的數(shù)據(jù)信息處理與交換，以及計(jì)算機(jī)軟件控制的執(zhí)行。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

人機(jī)界面采用某公司生產(chǎn)的MiniHMI-1000先進(jìn)組態(tài)式人機(jī)界面系統(tǒng)。該人機(jī)界面通過組態(tài)軟件HDS(HMI Developer Suite)進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)，功能齊全、穩(wěn)定可靠。同時(shí)此款人機(jī)界面允許運(yùn)行用戶輸入的腳本程序，使人機(jī)界面工程設(shè)計(jì)更加靈活。人機(jī)界面內(nèi)置的CAN總線接口，符合CAN 2.0B標(biāo)準(zhǔn)。CAN收發(fā)器符合ISO11898-2標(biāo)準(zhǔn)，通信速率最高可達(dá)1Mb/s，可支持iCAN、CANopen、DeviceNet等通信協(xié)議。

1.3 CAN 總線

CAN總線模塊負(fù)責(zé)挖掘機(jī)數(shù)字化控制平臺(tái)嵌入式主控系統(tǒng)對(duì)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制輸出，以及將各種外部信息收集并傳輸?shù)角度胧街骺叵到y(tǒng)。由于CAN總線底層協(xié)議沒有規(guī)定應(yīng)用層，有必要建立基于CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議。iCAN協(xié)議(Industrial CAN protocol)為基于現(xiàn)場總線CAN-bus的應(yīng)用層協(xié)議。iCAN協(xié)議為工業(yè)控制應(yīng)用領(lǐng)域提供了一種簡單可靠，易于開發(fā)的總線系統(tǒng)[11-13]。

iCAN系統(tǒng)的目標(biāo)就是解決用戶在CAN-bus應(yīng)用領(lǐng)域中的通訊控制或者數(shù)據(jù)采集問題。本挖掘機(jī)總線使用的是iCAN模塊，包括iCAN-4050數(shù)字量輸入輸出模塊，iCAN-4017模擬量輸入模塊，iCAN-4400模擬量輸出模塊，iCAN-7202計(jì)數(shù)/測頻模塊。挖掘機(jī)iCAN協(xié)議總線模塊組成如圖3所示。

1.4 傳感器系統(tǒng)

傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。挖掘機(jī)數(shù)字化控制平臺(tái)使用的傳感器主要有壓力傳感器、角度傳感器、溫度傳感器、拉線傳感器。壓力傳感器分別測量前泵液壓油壓力、中泵液壓油壓力和機(jī)油壓力，角度傳感器測量底座回轉(zhuǎn)角度，溫度傳感器測量水溫和油溫，拉線傳感器測量鏟斗、斗桿、大臂和偏轉(zhuǎn)液壓缸伸縮位移值。

拉線傳感器輸出信號(hào)為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號(hào)，對(duì)應(yīng)于測量范圍0～800 mm;回路串接100 Ω(1‰精度)電阻。接入iCAN-4017 ID3模塊，iCAN-4017模塊已經(jīng)被設(shè)置每一路測量范圍為±2.5 V;由于是16 bit精度，最高位為符號(hào)位，所以測量范圍對(duì)應(yīng)為－32768～32768。以此得出傳感器輸出范圍為0.4～2 V;對(duì)應(yīng)十進(jìn)制值為5243～26214之間，最小值對(duì)應(yīng)于0 mm距離，最大值對(duì)應(yīng)于800 mm距離。電路圖如圖4所示。

圖3 挖掘機(jī)iCAN協(xié)議總線模塊組成圖

圖4 拉線傳感器等效電路圖

1.5 遙控?zé)o線系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程軟件負(fù)責(zé)挖掘機(jī)遠(yuǎn)程無線遙控。包括挖掘機(jī)外部信息處理顯示，簡單動(dòng)作控制、復(fù)合動(dòng)作控制、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等[14-15]。

挖掘機(jī)數(shù)字化控制平臺(tái)無線網(wǎng)絡(luò)是基于ZigBee的遠(yuǎn)程監(jiān)控。Zigbee技術(shù)是一種在 900 MHz及2.4 GHz頻段的無線通訊協(xié)議，底層基于 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。它的特點(diǎn)是低成本、低功耗(五號(hào)電池半年到1年)、低數(shù)據(jù)率(250 kb/s)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)良。

自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一款遵循無線Mesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的高層協(xié)議，自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為復(fù)雜的ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)簡單、可靠、智能的完整組網(wǎng)方案，同時(shí)，因?yàn)槭褂谩皩?duì)等網(wǎng)絡(luò)”概念，功耗優(yōu)化明顯，冗余性能優(yōu)異。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 人機(jī)界面自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)

通過在嵌入式人機(jī)界面上編程實(shí)現(xiàn)對(duì)鏟斗和斗桿電磁閥的控制，利用HDS編輯挖掘機(jī)人機(jī)控制界面，然后再編譯程序，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的自動(dòng)化、數(shù)字化控制。圖5是編輯好的人機(jī)界面的一部分。

圖5 人機(jī)界面視圖

2.2 無線遙控實(shí)驗(yàn)

上位機(jī)用戶軟件通過MODBUS RTU協(xié)議與嵌入式人機(jī)界面進(jìn)行通信，人機(jī)界面作為MODBUS從站，上位機(jī)模擬MODBUS主站，用戶操作信息在軟件內(nèi)部按照既定的通信協(xié)議打包，再經(jīng)過串口發(fā)送到無線傳輸設(shè)備PFWSN2410-I中，數(shù)據(jù)經(jīng)過無線的方式被傳送到另一個(gè)通過串口與人機(jī)界面相連的PFWSN2410-I，再經(jīng)串口發(fā)送到人機(jī)界面的內(nèi)存單元。人機(jī)界面程序讀取內(nèi)存單元中的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過人機(jī)界面程序解析后，通過CAN總線發(fā)送到iCAN4050模塊中進(jìn)行解析輸出相應(yīng)的電平信號(hào)，電平信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)大電流繼電器工作，開啟或關(guān)閉繼電器將使控制相應(yīng)的電磁閥處于開啟或關(guān)閉的狀態(tài)。當(dāng)某個(gè)電磁閥處于開啟狀態(tài)時(shí)，所屬油泵油路經(jīng)換向閥，然后通過開啟的電磁閥，最后到達(dá)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過液壓作用原理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的相應(yīng)動(dòng)作。

實(shí)驗(yàn)證明，挖掘機(jī)控制系統(tǒng)能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的自動(dòng)化、數(shù)字化控制，通過遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)能完成遙控，顯示了該控制方法的優(yōu)越性。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅能夠通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，而且能夠通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)完成無線遙控。實(shí)驗(yàn)證明此系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、速率高、功耗低、應(yīng)用可靠等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，這為挖掘機(jī)的自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。構(gòu)建挖掘機(jī)數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能推進(jìn)學(xué)校教學(xué)、科研，提高人才質(zhì)量。

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