基于CoDeSys的2100型銑刨機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐紅雨，冷志剛，袁國宇，方香彬

（1. 鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校，鎮(zhèn)江 212003；2. 江蘇華通動力重工有限公司，鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

目前，我國高等級公路處于蓬勃發(fā)展期，建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，隨著這些道路服務(wù)年限和車流量的增加，其路面狀況逐年下降，需要及時對路面進(jìn)行科學(xué)養(yǎng)護(hù)。隨著公路養(yǎng)護(hù)工作量的增加，養(yǎng)護(hù)的質(zhì)量和效率也要求要求越來越高。銑刨機(jī)作為一種路面養(yǎng)護(hù)專用設(shè)備，其性能影響著路面的養(yǎng)護(hù)，在科學(xué)化養(yǎng)護(hù)中有著不可替代的作用。目前，國內(nèi)每年的需求量大約在300多臺，主要還是被WIRTGEN銑刨機(jī)占有，雖然目前國內(nèi)的三一、中聯(lián)、徐工、西筑、江蘇華通等廠家研制出大型銑刨機(jī)產(chǎn)品，但是由于技術(shù)和工藝的限制，和國外同類產(chǎn)品相比還有差距。而銑刨機(jī)的電控系統(tǒng)是整機(jī)的核心，對其性能有直接的影響，主要由于控制系統(tǒng)國內(nèi)還沒有可靠穩(wěn)定的專用控制器，限制了產(chǎn)品的發(fā)展。而小型銑刨機(jī)多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的開關(guān)、繼電器的控制方式，雖然控制技術(shù)成熟，但是技術(shù)含量不高，利潤低，限制了銑刨機(jī)功能的擴(kuò)展。至于大型的銑刨機(jī)，采用傳統(tǒng)的控制方式實(shí)現(xiàn)難度大，可靠型和穩(wěn)定性差。數(shù)字控制系統(tǒng)操作簡單，精度高，廠家已開始嘗試采用數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)功能[1]，因而其電控系統(tǒng)已成為相關(guān)技術(shù)人員研究的重點(diǎn)。

1 銑刨機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 銑刨機(jī)工作原理

銑刨機(jī)在工作之前，首先利用找平系統(tǒng)進(jìn)行銑刨基準(zhǔn)的確定，通過調(diào)整升降支腿的伸縮，確定銑刨深度，進(jìn)行銑刨工作時，銑刨鼓上面的刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動對路面材料產(chǎn)生切削作用。行進(jìn)時，帶動側(cè)滑版和浮動刮板，同時呈“人”字型螺旋排列的刀座將碎料輸送到銑刨鼓中間位置，在相對密閉的銑刨腔內(nèi)，由安裝在銑刨鼓上的拋料板將碎料從出料口拋擲皮帶輸送機(jī)上，送至廢料運(yùn)輸車，從而實(shí)現(xiàn)銑刨機(jī)碎料的回收作業(yè)。銑刨機(jī)是機(jī)電液一體化專用設(shè)備，通過控制液壓馬達(dá)、液壓泵、液壓閥、油缸、輔助系統(tǒng)等部件實(shí)現(xiàn)銑刨機(jī)的整體功能。

1.2 銑刨機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2100型銑刨機(jī)采用前輪驅(qū)動、后輪支承行走履帶式。前橋?yàn)檗D(zhuǎn)向驅(qū)動橋，兩后輪為帶升降支腿獨(dú)立支承隨動輪。車架為整體鋼板型式，車架的上部布置有發(fā)動機(jī)及散熱系統(tǒng)、動力傳動裝置、液壓傳動系統(tǒng)、液壓油箱、燃油箱、灑水箱及操縱臺等。工作裝置位于車架的尾部兩后輪中心線上，工作裝置為整體式獨(dú)立懸掛結(jié)構(gòu)，極大地方便了裝配和維修。廢料回收機(jī)構(gòu)采用后置輸送機(jī)懸掛在機(jī)器尾部，配有自動找平裝置[2]。整機(jī)還配有可折疊、可拆卸的遮陽頂棚。2100型銑刨機(jī)的行走系統(tǒng)、工作裝置、機(jī)器的升降、銑深調(diào)節(jié)、輸料裝置位置調(diào)節(jié)等的操縱為電氣控制。

2100型銑刨機(jī)控制系統(tǒng)有三部分組成：1）發(fā)動機(jī)的電氣控制；2）機(jī)械功能控制，包括行走控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、支腿控制系統(tǒng)、散熱控制系統(tǒng)、找平控制系統(tǒng)、銑刨深度控制系統(tǒng)、出料及輸送料工作裝置、尾門控制；3）輔助控制系統(tǒng)，包括工作燈控制、報(bào)警燈、喇叭和水泵控制。在設(shè)計(jì)銑刨機(jī)控制系統(tǒng)時，以智能化、網(wǎng)絡(luò)化為基本原則，考慮系統(tǒng)的操作性、維修性及功能擴(kuò)展等方面，控制器選用派芬公司的TTC60行駛機(jī)械專用控制器[3]，其主要性能參數(shù)有：該控制器有16路模擬量輸入，其中有8路10位模擬電壓輸入，范圍在0-32V之間；有4路電流檢測輸入/ 開關(guān)量輸出，可由軟件設(shè)置為PWM輸出電流檢測輸入或開關(guān)量輸出(NPN) ；有4路脈沖輸入/ 開關(guān)量輸入/ 模擬量輸入，軟件設(shè)置為脈沖輸入(PNP或NPN)、開關(guān)量輸入(PNP或NPN)或電壓輸入(10Bit)；有8路PWM輸出/ 開關(guān)量輸出/ 開關(guān)量輸入/ 脈沖輸入，軟件設(shè)置為PWM輸出、開關(guān)量輸出(PNP)、開關(guān)量輸入(NPN)或脈沖輸入(NPN) ；有8路開關(guān)量輸出/ 模擬量輸入，軟件設(shè)置為開關(guān)量輸出(PNP)或電壓輸入(10Bit)。在系統(tǒng)控制中行走控制、發(fā)動機(jī)控制、自動找平控制模塊等動作模塊均采用了CANBUS總線。

由于TTC60控制器針腳有28針和52針兩種，單個TTC60的針腳不夠系統(tǒng)的輸入輸出，本系統(tǒng)采用3個TTC60控制器共同組成銑刨機(jī)的控制器。電控系統(tǒng)的引腳分配表如表一所示，電控系統(tǒng)的輸入主要是標(biāo)準(zhǔn)模擬量和開關(guān)量，輸出主要是開關(guān)量和PWM信號。

表1 輸入輸出引腳分配表

圖1 銑刨機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制中，采集模塊對溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等各類參數(shù)進(jìn)行采集，通過變送模塊輸入到控制器，同時接受來自于人機(jī)界面的信息和手柄信號，產(chǎn)生控制信號送到對應(yīng)模塊的比例電磁閥，使模塊的油缸和機(jī)構(gòu)動作。銑刨鼓及銑刨深度控制模塊主要完成本銑刨鼓離合器、銑刨速度、傳送帶張緊、銑刨深度等控制。出料、輸料控制模塊主要完成將銑刨腔內(nèi)的碎料拋擲推料器，再將推料器中的碎料拋擲輸送帶，送至廢料運(yùn)輸車。散熱系統(tǒng)主要完成大功率發(fā)動機(jī)的散熱和冷卻。人界界面顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器的操作、參數(shù)標(biāo)定和設(shè)定，數(shù)據(jù)輸入，整體狀態(tài)監(jiān)測與報(bào)警等。銑刨機(jī)行走控制模塊包括行走速度調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)向控制模塊采用前后輪單獨(dú)轉(zhuǎn)向控制方式，通過操作前后輪手柄實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。在手柄操作時，可根據(jù)需要進(jìn)行蟹行轉(zhuǎn)向模式、全輪轉(zhuǎn)向模式、后輪回中模式轉(zhuǎn)向。發(fā)動機(jī)控制模塊控制發(fā)動機(jī)的啟停以及故障情況下的實(shí)時保護(hù)，實(shí)時監(jiān)控發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油壓、油耗等參數(shù)，散熱系統(tǒng)采用大功率風(fēng)扇來冷卻發(fā)動機(jī)冷卻水、液壓油、發(fā)動機(jī)增壓后的空氣三種介質(zhì)溫度，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控，降低能耗[4]。2100型銑刨機(jī)的發(fā)動機(jī)采用康明斯SQX15-C600-T2冷增壓電控發(fā)動機(jī)，功率為447KW，額定工作轉(zhuǎn)速2100r/min，發(fā)動機(jī)為整機(jī)提供動力系統(tǒng)，動力輸出通過分動箱的五個動力輸出端口，再經(jīng)過液壓系統(tǒng)將動力分別傳遞給行走系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、輸料系統(tǒng)、灑散熱系統(tǒng)。

圖2 行走系統(tǒng)控制圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在銑刨機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，需要對各個功能模塊進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，每一個模塊涉及到的部件包括電磁閥、變量泵、分流閥、馬達(dá)系統(tǒng)、減壓閥、測速傳感器以及信號輸入手柄和開關(guān)。下面以銑刨機(jī)的行走系統(tǒng)為例[5]，作一詳細(xì)的介紹。銑刨機(jī)的行走通過液壓馬達(dá)減速器驅(qū)動四個獨(dú)立的履帶實(shí)現(xiàn)，具有銑刨和行走兩個速度，可以實(shí)現(xiàn)制動，可根據(jù)需要選擇高速和低速檔。履帶架上四根獨(dú)立的支腿通過油缸與車架相連，以實(shí)現(xiàn)正交升降來滿足行走需要和調(diào)整銑刨深度，兩前支腿和兩后支腿分別由橫拉桿鉸接相連，通過油缸實(shí)現(xiàn)聯(lián)動，行走、升降與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)達(dá)到左右同步轉(zhuǎn)向要求。

圖3 控制器（2）引腳分配

2100型銑刨機(jī)的銑刨機(jī)行走系統(tǒng)主要是對銑刨機(jī)的行走速度和方向作業(yè)控制，通過左右兩個操作臺實(shí)現(xiàn)，可以在0-Vmxa范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級變速。我們可以在整機(jī)啟動時通過手柄或輸入信號確定行走的方向、路線，通過操作行走手柄離開中位的角度及時間，確定行走速度。銑刨機(jī)的速度控制通過比例量實(shí)現(xiàn)，當(dāng)行走開始前，需要通過電磁閥解除制動狀態(tài)。開關(guān)打開后，通過手柄輸入和手柄電位計(jì)的控制可以控制輸出PWM信號，根據(jù)脈寬的大小控制比例電磁閥、變量泵、分流閥的電流大小，同時，先導(dǎo)比例減壓閥工作，從而控制行走馬達(dá)系統(tǒng)的電流，使履帶按照設(shè)定的要求行走。變量泵和馬達(dá)系統(tǒng)的配合可以有效地?zé)o級調(diào)速，當(dāng)銑刨機(jī)處于工作狀態(tài)時，可以通過電磁閥控制分流，使四個履帶獲得相同功率，實(shí)現(xiàn)同步控制。當(dāng)行走開關(guān)打開后，推動控制手柄機(jī)器開始加速，當(dāng)速度達(dá)到合適的速度后，放松手柄，手柄自動回中位，機(jī)器以選定的速度行駛。根據(jù)手柄輸入角度不同，機(jī)器的加速度也不一樣，手柄輸入角度越大，加速度越大，達(dá)到最大速度所用的時間越短。

控制器具有數(shù)據(jù)存儲功能，可以保存當(dāng)前的行走速度，并可根據(jù)需要調(diào)出該速度，使銑刨機(jī)自動回到該行走速度。

如圖3所示，銑刨機(jī)控制器的引腳分配情況，該機(jī)有左右兩個操作臺，分為左右行走手柄和使能控制，高速、精分、載荷、發(fā)動機(jī)啟動和熄火控制。粗精分，是指行走分流閥分配的粗和精，粗分用在行走時，精分用在銑刨過程中。載荷就是我們的功率自分配，防止發(fā)動機(jī)悶車，控制系統(tǒng)能根據(jù)需要自動調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速傳感器測出發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速并脈沖計(jì)數(shù)，通過CANBUS總線送入到發(fā)動機(jī)控制模塊，該模塊會通過功率分配功能自動調(diào)節(jié)，功率主要分成三部分銑刨功率、牽引功率和輔助功率。高速是我們行走馬達(dá)的高低檔切換。程序下載由引腳CAN_H（279）和CAN_L（273）實(shí)現(xiàn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制流程

在行走速度調(diào)節(jié)過程中，通常分為四種情況，即前進(jìn)加減速、后退加減速[5]。行走開始前，首先判斷是否有急停信號和尾門限位信號，如果有信號則直接停止動作。設(shè)定β為行駛手柄推離中位的角度，前進(jìn)時β為正，后退時β為負(fù)，△β為手柄偏離誤差，通常為正值常數(shù)。當(dāng)銑刨機(jī)正向行駛，對于加速調(diào)節(jié)，通過控制器的PWM信號控制比例電磁閥輸出，逐漸增加狀態(tài)泵的排量，實(shí)現(xiàn)增量控制，當(dāng)泵的排量達(dá)到最大值時，再通過電磁分流閥調(diào)節(jié)馬達(dá)的排量；對于減速調(diào)節(jié)則正好相反，先調(diào)節(jié)馬達(dá)的排量，當(dāng)馬達(dá)的排量達(dá)到最大值時，再調(diào)節(jié)泵的排量。銑刨機(jī)反向行駛過程中速度的調(diào)節(jié)和正向行駛時一樣。在增量算法實(shí)現(xiàn)時，可以設(shè)定采樣時間，并與加速度乘積得到增量大小。當(dāng)需要停車制動時，只需減小狀態(tài)泵排量至最小就行。

圖4 行走前進(jìn)控制流程圖

3.2 CoDeSys簡介

圖5 codesys系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)界面

CoDeSys（Controlled Developement System）是可編程邏輯控制器PLC 的完整開發(fā)環(huán)境，在PLC 程序員編程時，CoDeSys為強(qiáng)大的IEC語言提供了一個簡單的方法，系統(tǒng)的編輯器和調(diào)試器的功能是建立在高級編程語言的基礎(chǔ)上。CoDeSys是符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程工具，可以為一臺先進(jìn)的高性能可編程控制器(PLC)，另外用eSys不需要其它的組態(tài)軟件就可以輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)可視化[6]。

如圖5所示，行走控制系統(tǒng)中控制發(fā)動機(jī)工作的PWM信號算法實(shí)現(xiàn)，由兩路信號E1_PWM_Walk_F和E1_PWM_Walk_B控制發(fā)動機(jī)，CANO_E1_PWM_Walk_F_XS 和CANO_E1_PWM_Walk_B_XS總線實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)狀態(tài)信號檢測與控制。

4 行走系統(tǒng)試驗(yàn)

本試驗(yàn)按照國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 25643-2010）《道路施工與養(yǎng)護(hù)機(jī)械設(shè)備 路面銑刨機(jī)》中的要求，對銑刨機(jī)行走系統(tǒng)中的行駛速度和直線行駛性能進(jìn)行試驗(yàn)，得到以下數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時，在標(biāo)準(zhǔn)瀝青路面，晴天，氣溫為20℃，風(fēng)速為2.0m/s。

表2 行駛速度測試記錄表

表3 直線行駛性能試驗(yàn)記錄表

試驗(yàn)結(jié)果分析，可以得到該2100型銑刨機(jī)的行走系統(tǒng)性能能夠符合設(shè)計(jì)的要求，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)中高速檔的速度為5±0.25km/h，低速檔為1.5±0.075 km/h；直線行駛50m，跑偏距離≤1m的要求性能。

5 結(jié)論

本文以江蘇華通公司的2.1米銑刨機(jī)為研究對象，分析了該機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。文中設(shè)計(jì)基于CANBUS總線的控制系統(tǒng)的架構(gòu)，采用軟PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制算法，并以行走系統(tǒng)控制為例，重點(diǎn)設(shè)計(jì)該模塊的軟硬件組成，并經(jīng)過整機(jī)出廠前試驗(yàn)，其測試結(jié)果符合國家標(biāo)準(zhǔn)，具有較好的市場價值，目前該銑刨機(jī)已經(jīng)投產(chǎn)，前景廣闊。

[1] 王新,張旻.基于軟PLC的銑刨機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].養(yǎng)護(hù)機(jī)械與施工技術(shù)2009(9):50-54.

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[3] TTC_50_Series_User_Manual_v1.0.

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