成品油管道泄漏控制機(jī)器人液壓傳動(dòng)及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙云偉，單根立

(1. 山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院電氣工程系，山東淄博256414;2. 河北科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，河北石家莊050054)

0 前言

成品油輸送管道發(fā)生泄漏后，由于管道內(nèi)的靜壓很大，油品會(huì)從管道內(nèi)噴射而出，并在空氣中發(fā)生霧化，對(duì)周邊人民的生產(chǎn)生活構(gòu)成嚴(yán)重威脅。針對(duì)上述問題，課題組研制開發(fā)了一種管道泄漏控制機(jī)器人。該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)在上述工況環(huán)境下，通過遠(yuǎn)程控制其前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎，安全行駛到泄漏處，通過調(diào)節(jié)機(jī)械臂和漏油回收裝置的位置實(shí)現(xiàn)噴射口的準(zhǔn)確定位，并通過回收裝置實(shí)現(xiàn)油品的霧化控制和簡(jiǎn)單回收。該機(jī)器人主要由行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、電纜收放系統(tǒng)等部分組成，如圖1 所示。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及其電氣控制系統(tǒng)是機(jī)器人的核心。

圖1 機(jī)器人組成結(jié)構(gòu)

1 液壓系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

功能性要求:能夠保持良好的直線行駛性，能夠前進(jìn)與后退行駛，并能夠根據(jù)路況自動(dòng)調(diào)速;能夠左右轉(zhuǎn)向，并能夠?qū)崿F(xiàn)原地轉(zhuǎn)動(dòng);能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的限速和剎車;能夠?qū)崿F(xiàn)大臂、小臂、收油器的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)收油器的準(zhǔn)確定位。

技術(shù)要求:整機(jī)質(zhì)量3.7 kg;行走速度0.67 m/s;最大爬坡角度25°，收油器最大承載力22.2 kN;滿足0 區(qū)、Ⅱa 爆炸環(huán)境工作要求。

按照對(duì)機(jī)器人的功能性要求，繪制了液壓系統(tǒng)原理圖，如圖2 所示。

圖2 機(jī)器人液壓系統(tǒng)原理圖

(1)設(shè)備直線行走的實(shí)現(xiàn)。三聯(lián)齒輪泵中B1、B2性能參數(shù)完全相同，左右兩個(gè)馬達(dá)性能參數(shù)也完全相同，一個(gè)泵單獨(dú)為一個(gè)馬達(dá)供油，保證了機(jī)器人在不要求轉(zhuǎn)彎時(shí)的直線行走。當(dāng)11YA、12YA 斷電，13YA、15YA 通電，左右馬達(dá)正轉(zhuǎn)，機(jī)器人直線前行;14YA、16YA 通電，左右馬達(dá)反轉(zhuǎn)，機(jī)器人直線后退。

(2)設(shè)備左右轉(zhuǎn)向的實(shí)現(xiàn)。電磁鐵11YA 通電，12YA 斷電，液壓油只能經(jīng)節(jié)流閥17 進(jìn)入左馬達(dá)，左馬達(dá)的轉(zhuǎn)速降低，機(jī)器人前行左轉(zhuǎn)彎或后退右轉(zhuǎn)彎;反之，如果11YA 斷電，12YA 通電，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)前行右轉(zhuǎn)彎或后退左轉(zhuǎn)彎。當(dāng)電磁鐵13YA、14YA斷電時(shí)，通過控制電磁鐵15YA、16YA 的通斷電，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人繞左履帶向前逆時(shí)針轉(zhuǎn)彎或向后順時(shí)針轉(zhuǎn)彎。電磁鐵13YA 通電，左馬達(dá)正轉(zhuǎn)，電磁鐵16YA通電，右馬達(dá)反轉(zhuǎn)，機(jī)器人繞中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn);同理，電磁鐵14YA 通電，電磁鐵15YA 通電，機(jī)器人繞中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。電磁鐵13YA、14YA、15YA、16YA 斷電，左、右馬達(dá)停轉(zhuǎn)，機(jī)器人停止。

(3)高低速實(shí)現(xiàn)。在低速大扭矩馬達(dá)內(nèi)設(shè)計(jì)了兩個(gè)馬達(dá)，當(dāng)通過三位四通換向閥19、22 液壓油流入左右馬達(dá)時(shí)，若電磁閥17YA 通電，從齒輪泵B3中流出的液壓油經(jīng)兩位四通的換向閥24 使左右馬達(dá)串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)高速小扭矩輸出，裝置高速前行;若電磁鐵17YA 斷電，左右馬達(dá)中的兩個(gè)馬達(dá)并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)低速大扭矩輸出，裝置低速前行。

(4)定位調(diào)整系統(tǒng)。通過三位四通電磁換向閥控制大臂、小臂、收油器驅(qū)動(dòng)油缸的伸縮，實(shí)現(xiàn)收油器上下行或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。在油缸的進(jìn)出油口連接了單向節(jié)流閥和溢流閥。單向節(jié)流閥用來限制各部件下行的速度，保證設(shè)備的穩(wěn)定和安全。連接在油口的溢流閥用做超載閥，當(dāng)噴射力過大時(shí)，限制驅(qū)動(dòng)收油器的運(yùn)動(dòng)部件繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，避免對(duì)機(jī)器人的破壞。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是接收遠(yuǎn)程操作端發(fā)來的控制信息，驅(qū)動(dòng)2 臺(tái)防爆電機(jī)、16 只電磁閥等執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，主要由單片機(jī)、無線通信模塊、驅(qū)動(dòng)電路、繼電器接觸器電路組成，如圖3 所示。

圖3 電氣控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

STC15F2K60S2 單片機(jī)帶有2048 字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，60 K 程序存儲(chǔ)器，1 T 時(shí)間周期，不需外部復(fù)位、晶振電路，可設(shè)置為掉電和空閑兩種節(jié)電方式，非常適合于移動(dòng)設(shè)備。根據(jù)機(jī)器人的通信距離和工作環(huán)境要求，選用了北京捷麥通信器材有限公司研制的F21DL 無線數(shù)傳電臺(tái)。該電臺(tái)傳輸距離2 ～4 km;頻率范圍228 ～232 MHz，無需申請(qǐng)頻段，且收發(fā)一體，發(fā)射功率500 mW，發(fā)射電流≤300 mA;有TTL、RS232、RS485 等多種電平接口;功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，可滿足要求。STC15F2K60S2 單片機(jī)與F21DL 無線數(shù)傳電臺(tái)的硬件連線如圖4 所示。

防爆電磁閥的工作電壓為交流220 V，啟動(dòng)時(shí)電流為0.59 A，停留時(shí)電流0.21 A，按照負(fù)載電壓的安全系數(shù)為2，負(fù)載電流安全系數(shù)為5，選取了湖州市菱湖興菱電力電子廠生產(chǎn)的JGJ11 型單相固態(tài)繼電器，其最大負(fù)載電壓為440 V，額定電流為3 A，控制電壓3～9 V，觸發(fā)電流6 ～28 mA。為防止固態(tài)繼電器內(nèi)部元件擊穿和過電流，在固態(tài)繼電器的輸出端并聯(lián)RC 吸收回路(R =200 Ω，C =0.5 μF)和430 V 的壓敏電阻，并串聯(lián)快速熔斷器，具體電路圖見圖5。當(dāng)P1.0 輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，SSR 輸入端有輸入電壓，輸出端接通。

圖4 單片機(jī)與電臺(tái)通信的硬件連線

圖5 電磁閥控制電路圖

防爆電機(jī)的工作電壓為380 V，額定功率為22 kW，電機(jī)的額定電流為57.89 A。考慮電流3 倍的安全系數(shù)，選擇固態(tài)繼電器的額定電流約為180 A。一般的，固態(tài)繼電器通態(tài)電流大于等于20 A 需加風(fēng)扇強(qiáng)冷，增加了產(chǎn)生火花的可能性，因此放棄使用固態(tài)繼電器，采用繼電器接觸器電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)。通過固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)繼電器進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是通過無線數(shù)傳電臺(tái)把遠(yuǎn)程端的控制信息接收下來，并對(duì)控制信息進(jìn)行解碼，獲取相應(yīng)的控制信號(hào)，通過固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)不同的防爆電機(jī)或防爆電磁閥動(dòng)作。

為使遠(yuǎn)程操作端和無線數(shù)傳電臺(tái)能夠進(jìn)行可靠的通信，自定義通信協(xié)議。該協(xié)議由起始符、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)、CRC 4 個(gè)部分組成。起始符為“0xEB 0x90”;數(shù)據(jù)類型主要包括通信操作(0x01)和動(dòng)作編碼(0x02);數(shù)據(jù)主要指動(dòng)作編碼數(shù)據(jù)和通信操作標(biāo)識(shí)。STC15F2K60S2 串行口有4 種工作方式。該系統(tǒng)采用方式1，一楨數(shù)據(jù)含10 位:一個(gè)起始位(0)，8 個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位(1);同時(shí)將數(shù)傳電臺(tái)設(shè)置為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀格式。

為了更高效進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)遠(yuǎn)程控制面板上的按鈕和搖桿對(duì)應(yīng)機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行編碼，將其分為定位調(diào)整控制、行走控制、動(dòng)力電機(jī)控制3 個(gè)部分，用高四位0000、0001、0010 分別加以標(biāo)識(shí)，用低四位標(biāo)識(shí)各部分按鈕和搖桿的具體編號(hào)，具體編號(hào)如表1 所示。

表1 動(dòng)作編碼明細(xì)表

接收器接收到數(shù)據(jù)后，喚醒數(shù)傳模塊，從緩沖區(qū)內(nèi)取出數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC 運(yùn)算和驗(yàn)證，如果效驗(yàn)正確，則根據(jù)數(shù)據(jù)類型判定是輸出動(dòng)作指令還是執(zhí)行通信操作指令;如果效驗(yàn)不正確則發(fā)送0XBB 請(qǐng)求重發(fā)。程序流程圖如圖6 所示。

圖6 主程序流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

管道泄漏控制機(jī)器人液壓傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)選用防爆電磁閥、防爆電機(jī)等防爆器件，設(shè)計(jì)了基于本安技術(shù)的單片機(jī)控制系統(tǒng)，并將電氣控制電路安裝于防爆箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)防爆。機(jī)器人具備直線行走、左右轉(zhuǎn)彎、找管定位等功能，能夠準(zhǔn)確將回收器定位到泄漏點(diǎn)，減少了油品泄漏帶來的環(huán)境污染，降低了搶修人員的風(fēng)險(xiǎn)，滿足成品油管道泄漏控制的要求。

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