佘江雪,赵立宏,王湘江,邓搴
(南华大学 a. 电气工程学院; b. 机械工程学院 ,湖南 衡阳 421001)
挖掘机作业范围广泛,是一种重要的工程机械设备,但是在一些复杂危险场合中,如核辐射环境中,工作人员的安全无法得到保障,因此对挖掘机实现无线遥控是最佳选项之一。国外对挖掘机的遥控研究较早,并取得了大量成果,目前国外一些研究所把重点放在基于穿戴式设备的挖掘机器人上[1]。我国对机器人技术在工程机械性能和质量提升的重要性认识较晚,受此影响国内对工程机械无线遥控研究与应用较国外落后。例如,浙江大学研制的遥控采掘机,可实现远程遥控、智能操作、节能控制、工况监测和故障诊断等多种功能。但是受限于成本,并未推广[2]。中南大学和山河智能联合研制的电控挖掘机可实现100 m的良好控制效果[3]。吉林大学机械学院以WY1.5挖掘机为基础,研制了具有近距离有线遥控和自动控制功能的挖掘机[4]。山河智能研发了具有遥控、在线学习、自动挖掘等功能的挖掘机样机[5]。
根据现有的无线遥控技术,本文提出了基于EPEC2024控制器的无线遥控挖掘机电气系统设计方案,为挖掘机遥控功能的实用化提供了一种思路,在应急抢险等装备研发方面具有研究价值。
以某微型挖掘机为例,该挖掘机是机械液压先导控制系统,将其改造成电液比例控制系统,实现手动和遥控且手动优先控制。改造后挖掘机电气原理图如图1所示,即在已有电气系统的基础上增加2台EPEC2024控制器、遥控装置接收端、若干继电器、手动/自动切换开关、电液比例阀组、油门电机等电气元件实现。EPEC2024控制器和遥控器接收端采用CAN总线协议进行通讯。
当进行手动控制时,驾驶室操作起作用,遥控操作无效;当进行遥控操作时,需要工作人员按下安装在驾驶室内的手动/自动切换开关并拉起先导拉杆。这时,遥控有效,手动操作无效。在遥控状态时,EPEC2024控制器接收来自遥控器的指令信号,对柴油发动机而言,通过对启动、熄火继电器通电断电,对油门电机伸缩实现发动机的启停、转速调节;对工作和行走装置而言,通过输出PWM电流信号,控制电液比例阀组动作,实现操作手柄的运动控制要求。与此同时,控制器实时采集水温、转速、燃油液位量、变量泵压力值等传感器数据,并传输至遥控器显示屏供操作人员及时了解挖掘机工作状态信息。
图1 挖掘机电气原理图
EPEC2024控制器是车载PLC设备,主要用于工程机械领域。该控制器具有52路I/O引脚,且为一针多用,用户可根据需求对针脚功能进行配置,其中PWM输出为24路,电流反馈接口为4路[6]。
EPEC2024控制器支持CANopen协议和CAN2.0B协议。文中选用CAN2.0B通讯方式。
需要注意的是挖掘机的电瓶电压是12 V,而EPEC2024的推荐电压是24 V,为保证系统正常工作,通过升压模块为EPEC2024提供工作电压。
挖掘机的电液比例阀组采用HCEV31系列电液比例减压阀。EPEC2024控制器通过改变PWM信号的占空比改变比例阀驱动电流的大小,比例减压阀的输出压力也随之改变,从而改变先导油压,由先导油液控制换向阀,最后实现工作装置的控制。为不改变原液压先导系统,以动臂控制油路为例如图2所示,通过接入三通梭阀,实现电液先导控制系统和机械先导系统的并存。
挖掘机的液压缸或液压马达的动作实现,如对斗杆控制,需要2个比例阀分别实现斗杆的内收和外摆。整个系统的控制对象分别为:动臂、斗杆、铲斗、回转平台、左右履带和推土铲,所以共需要增加14路电液比例减压阀。
1—电液比例减压阀;2—三通梭阀;3—动臂液压缸;4—主阀;5—手柄先导阀;6—液压泵图2 动臂控制油路简图
为提高控制精度,将驱动比例阀的电流反馈回EPEC2024控制器。由前面的分析可知挖掘机共有14路比例阀,而每台EPEC2024只有4路反馈电流端口。由于换向阀每次只能实现一个动作,所以每次只有一个线圈得电,即2个比例阀可以共用一个反馈电流端口。为防止线圈断电后产生感应电动势对控制器EPEC2024的PWM输出端口产生影响,在每个比例阀的线圈上并联续流二级管。控制电路图如图3所示。
图3 电液比例减压阀控制电路图
在原挖掘机中,柴油发动机的启动功能是通过钥匙开关实现。钥匙开关顺时针第一档是上电挡,即ACC和Br端从电瓶处得电;顺时针转动第二档是启动档,即ACC、C和Br端得电。
需要注意的是,在实现对挖掘机遥控启动前,需要手动对挖掘机上电,所以只需要在C端增加一个24 V的继电器即可完成上述功能。如图4所示,当DO端有效时,控制器输出24 V高电平,继电器得电,直接通过EPEC2024给启动线路提供12 V电压。需要注意的是,原挖掘机有防重启保护功能,即发动机启动后,DO可以一直有效,不会危害挖掘机电路。
图4 挖掘机启动控制电路
在原挖掘机中,熄火功能是通过熄火电磁阀实现。挖掘机上电的瞬间,熄火电磁阀得电将燃油油路打开,为发动机启动作准备;当需要熄火时,将熄火电磁阀断电,燃油油路断开,停止为发动机供油,挖掘机熄火。
基于上述分析,改造后的熄火控制电路如图5所示。将熄火继电器的搭铁端接EPEC2024控制器的DO端,当DO端有效时,端口接地,二级管导通,熄火继电器动作,熄火电磁阀上电;当DO端无效时,输出24 V,二级管截止,熄火继电器断电,发动机熄火。
图5 熄火控制电路
在原挖掘机中,操作手通过先导拉杆的提降实现对先导油路的通断控制。当提起先导拉杆时,先导开关断开,先导继电器断电不动作;当放下先导拉杆时,先导开关闭合,先导继电器得电动作,先导阀导通,定量泵实现先导油路供油。
根据上述分析,将先导控制电路改造如图6所示。当操作手需要遥控操作时,需先将先导开关断开后按下切换开关,EPEC2024控制器检测到高电平后,遥控模式有效。在遥控端按下先导开关,DO端接地,先导继电器得电动作打开先导油路。
需要注意的是,在电气设计中为实现发动机不熄火,将急停开关安装在先导控制电路处。
图6 先导控制电路
对于燃油位置传感器、水温传感器而言,工作原理是将物理量转化为电阻变化值进行测量。在原挖掘机中安装有燃油位置传感器和水温传感器,所以在遥控状态下,通过继电器将传感器线路接入控制器中。因为EPEC2024控制器只能测量电压值和电流值,不能测量电阻值,所以采用电阻分压方式将电阻值转化为电压值进行测量,电路图如图7所示。
对于发动机转速而言,因为EPEC2024只能识别脉冲信号的上升沿,所以采用霍尔式转速传感器直接测量柴油发动机飞轮转速;对于变量泵的压力值,直接采用压力传感器进行测量。
图7 传感器控制电路
将原挖掘机的手动拉线式油门控制改为油门旋钮控制,即控制器接收油门旋钮挡位信号后,控制油门电机伸缩拉动油门拉杆实现柴油发动机的全程调速。
直线电机选用KECM-1524油门马达。其控制电路如图8所示。当DO端无效时,即DO接地,KM1和KM2不动作,油门电机RED端接控制信号(PWM),BLUE端接地(GND),电机收缩拉动油门拉杆向发动机转速增加的方向移动;当DO端有效时,输出24 V高电平,油门电机BLUE端接控制信号(PWM),RED端接地(GND),电机延伸拉动油门拉杆向发动机转速降低的方向移动。
图8 油门电机控制电路
为实现挖掘机行走快慢、喇叭的无线远程控制,在行走控制电路和喇叭控制电路处,增加相应的继电器。在遥控模式下EPEC2024控制器接收控制指令后,对相应端口输出高电平有效,实现对行走快慢和喇叭功能的控制。
遥控装置系统可以实现1 000 m以内的视距遥控。在遥控端,在发送控制指令的同时操作手可通过显示屏查看挖掘机状态信息;在接收端通过CAN总线与EPEC2024控制器实现数据交换。
在工程机械中使用CAN总线技术,可实现数据集中化处理,从而减少线束数量,缩小了布线空间,大大提高了系统的可靠性和可扩展性[7]。在遥控挖掘机电气控制系统中采用CAN2.0B总线协议进行通信,CAN报文形式为标准格式。其通讯网络基本结构如图9所示。
图9 遥控挖掘机通讯网络
当挖掘机进入遥控模式后,启动CAN总线,系统自动将遥控器的控制指令以CAN标准报文形式发送给EPEC2024控制器。与此同时,控制器循环读取各个传感器的信号值,经过相应计算后以CAN标准报文形式发送给遥控器接收端。各报文都有唯一ID地址,当多个节点同时向总线发送数据时,CAN总线控制器根据ID地址进行总线仲裁,ID最小的CAN报文获得总线使用权[8]。遥控挖掘机通讯网络的具体通讯协议如表1、表2所示。
表1 遥控器发送CAN总线报文格式
表2 遥控器接收CAN总线报文格式
EPEC2024支持在Codesys2.1软件上进行程序开发。控制程序采用功能块方式进行编程,系统软件结构如图10所示。
具体包括以下几个部分:
1) 初始化模块:主要实现EPEC2024端口针脚和CAN模块初始化处理。
2) 手动/遥控模式判断程序:控制器在初始化完成后自动进入手动模式;当手动/遥控切换开关按下后,系统进入遥控模式。
3) 总线通讯模块:实现CAN总线数据的接收和发送。
图10 遥控挖掘机主程序流程图
4) 工作模块:包括两部分:手动程序段和遥控程序段。在手动控制模式下,除控制器对发动机挡位控制外,其他的操作由挖掘机的原电气系统完成;在遥控模式下,控制器根据遥控指令完成发动机控制、传感器信号采集、工作装置(动臂、斗杆、铲斗、回转和推土铲)控制和行走装置(左右履带)控制。
对遥控挖掘机系统进行实地测试,在200 m范围内可以实现柴油发动机启停及转速切换、工作装置、行走装置的遥控功能,并实现挖掘机状态信息的回传。
1) 根据遥控挖掘机的功能需求,确定了2台EPEC2024控制器作为电气系统的核心,并采用CAN2.0B协议作为控制器和遥控装置的通讯方式。
2) 根据挖掘机的工作和行走装置的遥控要求,设计电液比例减压阀组的控制电路,为防止感应电动势对控制器的危害,在PWM输出口增加续流二级管。
3) 根据原挖掘机电气系统特点,设计了发动机启动熄火电路、先导控制电路、传感器电路及油门控制电路。
4) 整个控制程序在CodeSys2.1平台上编写,各功能块如发动机控制程序、工作行走装置控制程序、传感器控制程序采用模块化编程,提高编程效率。
[1] 项日文,陈宁. 挖掘机器人遥操作的实现[J]. 机械科学与技术,2016(3):396-400.
[2]徐杨. 遥控挖掘机的控制系统设计[D]. 泉州:华侨大学,2014.
[3]梅勇兵,朱建新,杨翔. 无线遥控系统在液压挖掘机上的应用[J]. 建筑机械,2007,11:92-94.
[4]崔国华,韩云武,常绿. 智能挖掘机电控液压系统的设计[J]. 筑路机械与施工机械化,2007(2):50-51,54.
[5]刘心昊,张大庆,赵喻明,等. 一种新型智能挖掘机的设计与实现[J]. 建筑机械,2010(9):100-102.
[6]杨哲,徐田凡. 渣罐运输车遥控控制系统的研究[J]. 工业控制计算机,2016(5):86-87.
[7]郭光辉,郝国标,徐桂军,等. 基于CAN总线的ML360连采机电控系统的设计[J]. 煤矿机械,2016(10):114-119.
[8]冯家波,张伟军. 基于CAN总线的机器人运动控制系统研究[J]. 机电一体化,2014(4):12-15,48.