养护车无线控制系统的设计与研究

温从字

摘要：为了解决传统沥青道路养护车控制系统中多种操作系统、故障率高、操作不便等问题，文中通过对沥青道路养护车的无线控制需求研究，结合当前沥青道路养护车的功能需求，设计了以PLC控制器为核心，通过无线控制器的触摸屏和按钮、操作杆就可以对沥青道路养护车进行控制，该系统控制简单，操作方便，稳定性好，大大的改善了操作人员在恶劣环境下对设备操作的视角观察角度，同时改善了其现场工作环境，有效的避免了视觉误差造成指挥不挡的安全隐患，保证了作业的高效率和安全性，为沥青道路养护车无线控制系统的设计与实现提供了良好的参考与借鉴。

Abstract： In order to solve the problems of various operating systems， high failure rate and inconvenient operation in the control system of the traditional asphalt road maintenance vehicle， this paper studies the wireless control requirements of the asphalt road maintenance vehicle， combined with the functional requirements of the current asphalt road maintenance vehicle， and designs a PLC controller as the core， which can maintain the asphalt road through the touch screen， button and operating lever of the wireless controller. The system is easy to control， easy to operate and stable. It greatly improves the operator's viewing angle of the equipment operation in the harsh environment， improves the site working environment， and effectively avoids the hidden danger of unstoppable command caused by visual error. It ensures the high efficiency and safety of operation， and provides a good reference for the design and implementation of wireless control system of asphalt road maintenance vehicle.

關键词：沥青道路养护车;PLC控制器;无线控制;人机交互

Key words： asphalt road maintenance vehicle;PLC controller;wireless control;human computer interaction

0  引言

随我国经济的发展，道路建设也不断的发展，2018年，全国沥青道路总里程达到477.35万公里，高速沥青道路达到13.65万公里，里程规模居世界第一，随着沥青道路的不断修建，对已修建沥青道路的养护任务越发重要[1]。

道路养护车可以快速的修复沥青道路上出现的裂缝、坑槽、啃边、脱皮等各种沥青道路问题。随着机电液智能化集成技术的发展，机械化、集成化、智能化方向发展是养护车的控制系统必然趋势。

目前行业内的养护车控制系统存在多种操作系统、操作按钮繁多、操作界面复杂、同时其控制线路复杂多样、故障因素众多，使得作业人员在使用过程中操作不便[2]，为此本文采用PLC控制器及人机交互界面将现有的多种操作控制系统集成控制并采用无线操作系统，大大的改善了操作人员在恶劣环境下对设备操作的视角观察角度，同时改善了其现场工作环境，有效的避免了视觉误差造成指挥不挡的安全隐患，保证了作业的高效率和安全性，实现道路养护车的智能简便操作，为道路养护车的控制系统自动化设计与实现提供良好的参考与借鉴。

1  沥青道路养护车控制功能需求分析

目前养护车根据工作模式可以分为以下两种：

第一种模式，热补法，只采用加热模式对沥青路面进行加热后，耙松加入热沥青，再压实夯平实现修复。

第二种模式，冷补法，对沥青路面进行切割、破碎、清理、除尘、喷洒底油、加入热沥青填槽封边修复。

如图1所示两种模式工作过程进行分析：

第一种模式，热补法：采用对路面加热养护时，道路养护车停在修复路面处，交通箭头灯开启，打开动力系统中的液压泵及发电组按钮，通过液压控制系统控制液压油缸将加热墙放置修复路面，根据修复路面的面积大小选择加热墙的对应的加热面积、温度、时间，发电机组将电能转化成微波加热能，除烟装置的启动，加热完毕后加热墙复位，采用辅助工具中的耙松压实小车将修复路面耙松，喷洒装置喷洒适量的新料再压实，实现修复[3]。

第二种模式，冷补法：采用挖补修复时，道路养护车停在修复路面处，交通箭头灯开启，先采用辅助工具仓中的切割刨铣移动小车将修复路面处进行切割，再采用吹飞机将路面的粉尘清除干净后，废料上料装置将切割的废料移到旋转料仓中，采用热风炉对旋转料仓中的沥青加热，旋转料仓的拌和转动对废料回收重新加热，加热完毕后旋转料仓反转出料，喷洒装置将加热好的沥青喷洒上在切割出来的坑槽中，采用辅助工具中的耙松压实小车将路面压实找平即可实现修复[3]。

有上述工作模式分析可知，道路养护车控制系统需要控制的功能主要包括：

直接由开关控制的动作：加热墙的上下翻动、上下移动、左右移动;废料上料装置的提升、下降;沥青喷洒装置启动、关闭;除烟装置的启动、关闭;发电机组的启闭、液压泵的启闭;提醒：交通箭头灯的启闭;警示灯的启闭;工作灯的启闭;紧急停止加热。

由PLC控制的动作有：旋转料仓的拌和转动;旋转料仓的出料转动;加热墙四个分区的加热启停。

系统中需要由PLC控制的温度：加热墙四个分区的温度、旋转料仓内再生料的温度。

系统中需要报警的故障：温度超过上限或低于下限时报警;加热启动失败报警。（图2）

2  无线控制系统原理

在分析养护车的工作原理和控制需求的基础上，控制系统主要由无线控制器、PLC控制器、电源转换模块、液晶控制面板、输入及输出模块、执行部件、驱动和保护电路等组成。

无线控制器将按钮、操作杆等操作指令由CPU将其编码并通过串口传送给无线发送模块，无线发送模块将操作指令转化成无线电波信号发送出去，控制系统中的无线信号接收模块将接收到的无线电波信号转化成编码传递给PLC控制器，PLC控制器按照逻辑约定协议对接受到编码进行核对，执行对应的操作指令，相关的执行部件可以实现在远程操控。

PLC控制器负责养护车控制系统的逻辑分析，根据逻辑协议将执行部件开启或关闭。液晶控制面板主要负责各个执行部件的参数及相关传感器的监控。

无线控制器主要负责无线遥控操作、监控数据，其原理如图3所示。

2.1 无线控制设计及实现

无线控制器主要信号接收转换系统、万向遥杆、信号发射系统、人机操纵界面板组成，信号接收转换系统、万向遥控信号发射系统均可实现无线和有线切换。无线控制器通过绑带可固定在操作人员的身上便携式控制作业，也可以放置在养护车的操作台。无线控制器控制面板如图4所示。

2.2 无线控制器控制传输硬件设计

如图5所示，无线控制器工作原理如下：用户输入（开关量或模拟量输入）信号时，单片机通过RS232端口将信号传递给无线发射模块，无线发射模块将信号编码加密后再以高频信号的形式发送出去。无线控制器信号传输器主要有按键输入模块、信号处理模块、信号传输模块等组成。

2.2.1 按键输入模块

为了满足无线控制器的灵活性，方便操作，为缩小线控制器的体积同时又可以满足遥控器控制面板的基础功能，进而提高无线控制器的便携性能，本设计通过译码器和锁存器，对无线控制器的按键输入模块进行扩展按键系统。如图6所示，为节约单机的端口资源，单片机的八个端口控制一个74HC138译码器，一个74HC138译码器控制控制八个74HC541锁存器，从而使得原本单片机的11个引脚就能够扩充检测控制64个用户输入控制点。为缩小无线控制器的体积，方便携带，本设计采用3挡2状态的双位开关作为按键控制开关。

2.2.2 信号处理模块

信号处理模块主要任务是将开关量输入和模拟量输入进行扫描并编码后传递给无线发射模块[4]。本设计采用8位AT89LV51单片机作为信号处理模块CPU，该单片机低功耗、高性能、电压稳定，其工作电压为2.7-6V，从而满足无线控制系统对低成本、低功耗、系统稳定的要求，同时适用于便携式、无交流电源环境，特别适用于仪器仪表及各种小型设备。

本设计信号处理模块还增加了LED指示灯及蜂鸣器，使用时能够清楚的获知无线控制器和养护车无线信号接收端的无线信道畅通。

如果电磁环境恶劣影响无线通信，可以将无线控制器的备用有线接口（RS485接口）和有线电缆连接，即可实现无线控制器通信的连续性和顺畅性。

2.2.3 信号传输模块

信号传输模块用于无线控制器信号发射端和养护车信号接收端之间进行无线通信，本设计采用STR-31无线收发模块，可以进行多信道之间切换，性能成熟满足系统要求[5]。

2.3 养护车无线信号接收端硬件设计

如图7所示，养护车无线信号接收端硬件包括PLC、RS485/RS232接口电路、51单片机、无线接收模块、复位电路、稳压电路等，用于接收和执行无线控制器发出的控制指令。

养护车无线信号接收端的单片机用于系统动态反馈程序设置并且可以扩展接口。

现有大部分无线遥控单片机的I/O通过驱动模块和继电器连接，由继电器的闭合控制被控制设备的电路接通或断开。但是由于道路养护车使用的工作环境恶劣，上述控制方式由于使用继电器非常占用控制点数的数量导致接线复杂，占用本来有限的单片机I/O端口资源，而且由于这种控制方式的输出端口输出状态不稳定，有可能导致继电器意外的开启，进而导致设备动作紊乱。为实现养护车动作精确执行，本设计将继电器并联在养护车设备的控制电路上，改由PLC输出模块控制继电器闭合，进而判断各控制线路是否各自执行。考虑到兼容性，养护车无线信号接收端还设置了RS232/RS485接口，根据需求可以采用单个或多个PLC对接。

如图8所示，养护车无线信号接收端设置有可以直接与PLC连接的RS232/RS485接口。无线遥控发射端安装在无线控制器的机架中，无线信号接收端传输天线通过磁性底座放置在养护车机体外部。

2.4 人机界面设计

人机交互界面将所有的控制功能用图标的形式呈现，界面简洁友好，一目了然，无需翻译。

人机交互界面采用带CAN总线接口的彩色液晶触摸屏，可通过CAN总线与显示器、发动机、无线遥控器进行电子控制单元通讯，同时无线控制器的PWM控制端口可以控制加热墙的液压比例阀的开度，进而达到控制加热墙的运行速度;

对应的设备部件自动启停由PLC输出模块I/O口控制继电器闭合进行控制;液压系统油压由模拟量采集口进行采集相关数据;废料上料电机和废料破碎机的转速由脉冲输入端口进行检测。无线控制器比例摇杆的数值转化成无线信號，养护车上的无线接收端信号将信号通过CAN总线传递给PLC进而实现加热墙等液压部件执行速度的比例调节。

人机交互界面如图9所示，人机交互界面的界面主要分为四个功能区：a区（部件执行功能区）、b区（光标按键输入功能区）、c区（整机动态操作显示区）、d区（检测参数显示区）

a区包含的功能：①喷洒装置;②废料上料;③液压阀调节;④废料破碎;⑤遥控器模式切换;⑥热风炉开启;⑦旋转料仓;⑧加热墙加热面积选择查询;⑨指示灯。

b区包含的功能：上下左右光标按键及确认按键。

c区整机动态反馈显示区，当相应的设备开启后，会有动态对应部件显示在屏幕区，如果运行中出现故障则在下方空白处显示故障信息，并报警提示。

d区从上到下依次为：柴油发电机转速、柴油发电机油门百分比、废料破碎机转速、沥青喷洒装置给料机转速百分比、加热墙加热温度℃、柴油液位百分比。

3  结束语

本文以沥青道路养护车为研究对象，基于PLC结合无线控制器，结合人机界面、无线遥控与PLC通讯技术，进行PLC、触摸屏组态控制，设计并实现了沥青道路养护车无线遥控控制系统。该无线遥控控制系统控制简单、操作方便，通过无线控制器的触摸屏和按钮、操作杆就可以对沥青道路养护车进行控制，为沥青道路养护车无线控制系统的设计与实现提供了良好的参考与借鉴，具有一定的实用意义与研究价值。

参考文献：

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[2]焦生杰.城市道路沥青路面养护工艺、设备发展现状与趋势[J].市政技术，2011，29（02）：17-24.

[3]张卫亮，刘璇.基于机械手和可转位集成养护设备的公路养护车设计[J].机械制造与自动化，2019，48（01）：64-68.

[4]付玉强.以强制拌和为特点的沥青路面综合养护车设计[J].山西交通科技，2013（02）：77-79.

[5]巩少君.基于PLC的瀝青路面热再生养护车控制系统研究[D].长安大学，2011.

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[8]刘帮权.高速公路养护与养路机械的技术创新[J].交通世界，2016（23）：120-121.