一种三臂三篮钢拱架安装机电控系统的设计

王骞 韩朋 冯彦坤 李冰 巨学飞 赵行

摘  要：该文介绍了一种三臂三篮钢拱架安装机电控系统，3个臂可单独作业也可交互作业。电控系统采用车载控制器作为控制核心，解决了单臂单篮和两臂两篮钢拱架安装机在施工中局限性大、对工作面适应性不足的缺陷，提高工作效率的同时降低了劳动强度，实现快速高效的拱架拼装施工。

关键词：三臂三篮钢拱架安装机  电控系统  控制器  CAN总线

Abstract： This article introduces a kind of three-arm-three-basket steel arching installing machine which is a new-type tunnel construction equipment. These three arms can work individually and also can do interactive jobs. Vehicle controllers are used as the core in the electronic control system， and this fixes the limitations during construction and defect of work surface adaptation. By using this new-type machine， labor intensity is lowered and work efficiency is increased. Therefore， quick and efficient construction is realized.

在隧道工程中，软岩和土质隧道存在围岩扰动大、安全风险高、支护困难、进度缓慢的缺点，施工支护十分重要。传统单臂单篮钢拱架安装机存在动作简单，无法适应较大工作面，效率低、劳动强度高等缺点。两臂两篮钢拱架安装机在提高效率和降低劳动强度上有所改善，但对工作面的适应性仍然不足。三臂三篮钢拱架安装机优化了以上不足，在控制上更加完善，使操作更加高效便捷。

目前，国内对钢拱架安装机的设计研究逐步加深，许多专家针对其施工中出现的问题进行相关分析。文献[1-2]分别分析了两臂一篮、单臂等拱架安装机的总体设计、后配套作业等，但对拱架安装机核心的控制系统并未阐述。三臂三篮钢拱架安装机机构繁琐、功能多样，对电控系统设计要求很高。该文对研制的三臂三篮钢拱架安装机的电控系统设计进行阐述。

1  三臂三篮钢拱架安装机电控系统

1.1 控制系統设计

该文所设计的拱架安装机电气系统分为控制器、输入和输出3个部分（见图1）。

系统配置一个主控制器EPEC3724作为集中处理单元和4个从控制器HE203A分别控制各子系统。各控制器既独立运行，又交互数据，包括逻辑信息和模拟数值等。模块化控制，有利于调试和问题处理。将集中控制和分散控制相结合，整体动作的数据和逻辑控制由主控制器进行输出，独立动作则由从控制器处理。既保证了逻辑完整，实现设备联动，又避免单个控制中心引发逻辑混乱问题，增强系统的可靠性，提高调试效率。

1.2 硬件设计

隧道内工作环境恶劣，对设备硬件要求高，如防水、防尘、防干扰及抗震动等。为保证系统安全稳定，该设计采用EPEC3724和派芬HE203A车载控制器。

EPEC3724是一款紧凑且坚固耐用的控制单元，具有16/32位处理器，计算能力强。针脚共52个，具有短路保护且多数针脚多类型设置。HE203A也具有类似特性。两者都可适应高震动、大温度变化的恶劣环境，性能稳定高效。

根据三臂三篮钢拱架安装机的工艺流程，在保留余量和扩展功能的前提下，分配电控系统I/O，如表1所示。

1.3 通信网络设计

控制器采用CAN总线实现相互通信、数据交换、程序上传下载等功能。采用串联总线方式，双通道CAN，通信稳定高效，如图2所示。

1.4 软件设计

EPEC及HE203A控制器接收各自控制盒指令及传感器信号，通过CAN总线实现信号及数据交互。按照功能特性，将其分成主控柜EPEC3724、主控柜HE203A、主臂HE203A、左臂HE203A、右臂HE203A这5个程序，每个控制器程序具有相似的模块，功能清晰，便于调试，且操作简单、动作精确。

1.4.1 Heart_Beat心跳测试模块

该模块实现通信在线监测功能。各控制器通过指令块形成0/1变化的数据串，即“心跳包”，并发送到总线上，同时接收总线上的心跳包判断状态。若为变化的0/1值，则通信正常，反之则通信故障并报警。

1.4.2 Analog模拟量模块与Analog_Output模拟量输出模块

前者对模拟量电压进行双向标定，将模拟量转化为数字量;后者对前者输出值处理，结合闭环反馈，实现比例阀的闭环控制。

1.4.3 IO_Set数字量处理模块与IO_Logic逻辑控制模块

前者实现输入输出信号的格式转化及输出，后者实现各数字量信号的逻辑判断。

1.4.4 Par_Save寄存器保持模块

该模块实现相关寄存器信号的掉电保持功能，避免数据丢失。

1.5 底盘控制系统设计

三臂三篮钢拱架安装机底盘控制采用双向驾驶，转场便捷。底盘电控通过集成方向机实现对发动机启停、行走、车灯等控制。同时采用CAN总线实现仪表与发动机ECU通信，监控发动机运行状态。

2  结语

设计中克服了诸如讯诊断、寄存器保持、模拟量转换及数据交互等技术难题，设计了逻辑互锁、数据监控及故障诊断报警等，增强了系统的稳定性和可靠性。该系统应用于三臂三篮钢拱架安装机上，稳定、安全、高效，提高了产品的竞争力。

该文设计的电控系统还存在一定缺陷，比如未采用HMI，人机交互不够友好，后续将进行优化。

参考文献

[1] 李艳.钢拱架安装台车的设计与研究[D].河南科技大学，2011.

[2] 赖涤泉，汪西应，王金祥.隧道安全快速施工机械化关键技术与装备研究[J].建设机械技术与管理，2009（11）：107-113.

[3] 康宝生.一种新型隧道施工用拱架安装机[J].隧道建设，2011（5）：624-628.