用于非開挖水平頂鉆機(jī)的無線控制器設(shè)計*

周成虎，何家梅，黃全振，李柏松，吳洪波

(河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191）

用于非開挖水平頂鉆機(jī)的無線控制器設(shè)計*

周成虎，何家梅，黃全振，李柏松，吳洪波

(河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191）

在非開挖水平頂鉆機(jī)工作過程中，地面操作員需要步行跟隨鉆頭前行與后退，頂鉆機(jī)車上另需一名駕駛員操控車輛內(nèi)部的設(shè)備。為了減少人力成本，在操作員身上攜帶無線操控器，在頂鉆機(jī)車上安裝無線接收控制器電路，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遙控非開挖水平頂鉆機(jī)可以節(jié)省一名駕駛員。無線操控器通過按鈕開關(guān)輸入開關(guān)量控制信號，通過球形旋鈕模擬輸入控制信號，由無線模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量信號。無線接收控制器收到開關(guān)量信號和數(shù)字量信號后，將數(shù)字信號還原成模擬信號，用開關(guān)量信號和模擬信號控制車載設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動控制功能。該電路隨車運(yùn)行，證明了以上結(jié)論的可行性。

非開挖水平頂鉆機(jī)；無線控制；開關(guān)量控制；模擬量控制

0　引言

非開挖施工技術(shù)［1-3］是應(yīng)用定向鉆進(jìn)技術(shù)的原理，以非開挖的方法對地下管線、管道進(jìn)行鋪設(shè)、維修、更換或者探測的一門施工技術(shù)。施工程序主要包括鉆頭、鉆桿鉆進(jìn)、回擴(kuò)頭回擴(kuò)和管道回拖三個工作內(nèi)容［4-6］。圖1為定向鉆管線穿越技術(shù)原理圖。

圖1　定向鉆管線穿越技術(shù)

在非開挖水平頂鉆機(jī)工作過程中，地面操作員需要步行跟隨鉆頭前行與后退，頂鉆機(jī)車上另需一名駕駛員操控車輛內(nèi)部的設(shè)備。為了減少人力成本，在操作員身上攜帶無線操控器，在頂鉆機(jī)車上安裝無線接收控制器電路，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遙控非開挖水平頂鉆機(jī)功能，可以節(jié)省一名駕駛員。

1　硬件設(shè)計

1.1無線操控器原理分析

無線操控器（無線控制器發(fā)射端）原理圖見圖2，無線操控器由操作員隨身攜帶，用于提供遠(yuǎn)程控制信號。無線操控器通過按鈕開關(guān)輸入開關(guān)量控制信號，通過球形旋鈕輸入模擬控制信號。無線操控器電路由數(shù)字信號輸入電路、模擬信號輸入電路和CC2530無線模塊組成。其中，數(shù)字信號輸入電路共8路，模擬信號輸入電路共4路。數(shù)字信號由輸入端DIN1～DIN8引入，輸入電位0 V表示信號“0”，輸入電位 24 V表示信號“1”。每路經(jīng) 1 kΩ電阻分壓、電容濾波送到電壓比較器(LM324集成運(yùn)算放大器制作的比較電路)進(jìn)行比較。

圖2　無線控制器發(fā)射端

當(dāng)信號電壓值高于參考電壓RV時，表示輸入為“1”，相應(yīng)運(yùn)放輸出端輸出高電平(5 V，相當(dāng)于運(yùn)放供電電壓)到CC2530模塊相應(yīng)引腳，然后經(jīng)由程序判斷并發(fā)送相應(yīng)的“1”信號到無線接收控制器(接收端)的CC2530模塊；否則LM324給到模塊的電壓為低電平(表示邏輯“0”，約等于0 V)。

模擬信號由輸入端AIN1～AIN4引入，輸入電壓范圍為 0～5 V，每路經(jīng)由 1 kΩ電阻分壓、電容濾波后，接到模塊的ADC采樣處理引腳，在模塊內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后發(fā)給無線接收控制器的CC2530模塊。

1.2無線控制器接收端原理分析

無線控制器的接收端如圖3所示。

圖3　無線控制器接收端

在圖3所示的電路中，接收端將接收到的信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂屏枯敵隹刂扑巾斻@機(jī)。接收端由數(shù)字信號輸出電路、模擬信號輸出電路和CC2530無線模塊組成。其中，數(shù)字信號輸出電路共8路，模擬信號輸出電路共4路。數(shù)字輸出由DO1～DO8端輸出，輸出端的驅(qū)動芯片為BTS621，它是一個雙通道的電源開關(guān)芯片，自帶驅(qū)動電路，具有較大的帶負(fù)載能力（最大輸出電流達(dá)到 8 A）。當(dāng)接收模塊接收到數(shù)字信號“0”時，模塊輸出相關(guān)電平信號到電源開關(guān) BTS621，此時BTS621輸出為低電平；當(dāng)接收模塊接收的數(shù)字信號為“1”時，模塊輸出相關(guān)電平信號到電源開關(guān)BTS621，使其輸出高電平。模擬輸出由OUT1～OUT4端輸出。當(dāng)接收模塊接收到采樣的模擬信號時，模擬信號再由接收模塊發(fā)送給TLC5615數(shù)模轉(zhuǎn)換器，由轉(zhuǎn)換器處理后通過輸出端輸出，輸出端根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出的電壓范圍為0～5 V。非開挖水平頂鉆機(jī)的控制電路收到該模擬信號（相當(dāng)于手動操作得到的模擬信號），用該信號自動控制相關(guān)對象。

2　控制對象分析

非開挖水平頂鉆機(jī)無線控制器控制對象如下：動力頭安裝在水平定向鉆機(jī)上，前邊為固定架、鉆桿和探頭。鉆頭還具有自動噴水功能，鉆管為無縫鋼管或塑料管，鉆管鉆入地下后永久留存不再取出。無線控制器和整機(jī)控制器配合用于行走模式、工作模式、轉(zhuǎn)運(yùn)模式。行走模式時，無線遙控器控制左右履帶行走，并控制履帶的同步、轉(zhuǎn)向；工作模式主要是控制動力頭的推拉、旋轉(zhuǎn)，鉆具前夾后夾，夾具前后移動，鉆桿舉升下降等動作；轉(zhuǎn)運(yùn)模式主要控制履帶同步，確保安全爬上平板車等運(yùn)輸車輛上，并在最近的地點(diǎn)下來。無線接收控制器控制對象見表1。表1中的輸入信號為無線操控器輸入信號，輸出信號為無線接收控制器輸出信號。

履帶行走共1個手柄控制，內(nèi)部產(chǎn)生2個模擬信號，為交叉十字型電阻，向前表示向前運(yùn)動，向后表示向后運(yùn)動，向左上表示向左前旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，向左下表示向左后運(yùn)動，向右上表示向右前旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，向右下表示向右后運(yùn)動。履帶行走采用柴油液壓泵控制液壓油，泵控制需要兩路PWM控制正反轉(zhuǎn)。推拉控制為動力頭的前進(jìn)和后退功能。該鉆機(jī)運(yùn)用四泵液壓系統(tǒng)使機(jī)器具有較高的工作效率，其功率分配合理，配備強(qiáng)力風(fēng)冷系統(tǒng)，即使在炎熱地區(qū)也可長時間可靠工作。緊湊的外形結(jié)構(gòu)及出色的爬坡能力使設(shè)備的轉(zhuǎn)場及運(yùn)輸更加方便，高速的運(yùn)行系統(tǒng)采用多檔位無級調(diào)速功能，作業(yè)效率高。

3　測試結(jié)果及討論

開關(guān)量信號和模擬信號在無線操控器輸入，經(jīng)無線接收控制器輸出。

開關(guān)量信號的測試結(jié)果如圖4、圖5所示。圖4表示開關(guān)量輸入為“0”時輸出端的響應(yīng)，圖5表示開關(guān)量輸入為“1”時輸出端的響應(yīng)（圖4、圖5中通道1代表輸入，通道2代表輸出）。

表1　無線接收控制器控制對象

圖4　開關(guān)量輸入為“0”時輸出端的響應(yīng)

圖5　開關(guān)量輸入為“1”時輸出端的響應(yīng)

模擬信號輸入輸出波形如圖6所示，輸入端的實(shí)測有效輸入電壓變化幅值為0～5 V，模擬輸出端的變化跟隨輸入端的變化，穩(wěn)定時數(shù)值完全相等。在無線通信與控制過程中，模-數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收、數(shù)-模轉(zhuǎn)換所需要的時間為μs級，輸出端模擬信號隨輸入端的模擬信號的變化具有一定的滯后性，滯后時間小于1 ms，能滿足工程實(shí)際使用的需要。輸入與輸出的跟隨精度為0.1級。

圖6　模擬信號的輸入輸出響應(yīng)

本設(shè)計選用帶有增強(qiáng)型天線的CC2530無線模塊實(shí)現(xiàn)無線通信功能，1組 CC2530無線模塊的發(fā)射與接收距離為1 200 m，超過1 200 m需增加中繼模塊。每增加一個中繼模塊可使無線通信距離增加1 200 m，最大可增加65 535個中級模塊，無線操控的最大距離能滿足工程需要。

本設(shè)計實(shí)現(xiàn)了遙控非開挖水平頂鉆機(jī)的功能。電路分為無線操控器和無線接收控制器兩部分。無線操控器用于提供遠(yuǎn)程控制信號；無線接收控制器將接收到的信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂屏枯敵隹刂扑巾斻@機(jī)。電路經(jīng)高低溫試驗(yàn)并隨車運(yùn)行1年，運(yùn)行結(jié)果證明了以上結(jié)論的可行性。

無線接收控制器電路操作方便，設(shè)計功耗低，成本低，與被控車輛接口簡單。本設(shè)計也適合于其他工程車輛、工地升降機(jī)、礦井挖掘機(jī)、戶外或戶內(nèi)的工業(yè)無線控制等安全系數(shù)低的車輛或其他設(shè)備的自動控制。

［1］白彬珍，臧艷彬，周偉，等.深井小井眼定向隨鉆擴(kuò)孔技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，2013，41(4)：73-77.

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［5］朱建明，趙沙沙.基于 SMP準(zhǔn)則的定向鉆擴(kuò)孔泥漿壓力計算［J］.地下空間與工程學(xué)報，2012，8(4)：756-760.

［6］高慶有，趙剛，范景濤.定向鉆穿越在海底管線項(xiàng)目中的技術(shù)研究［J］.中國造船，2012，53(S2)：48-53.

Design of the wireless controller for trenchless horizontal drilling machine

Zhou Chenghu，He Jiamei，Huang Quangzhen，Li Baisong，Wu Hongbo
(School of Electrical Information and Engineering，Henan Institute of Engineering，Zhengzhou 451191，China)

In the process of trenchless horizontal roof drilling work,ground operators need to follow a bit forward and backward on foot,other top drill the car need to be a pilot devices inside the vehicle.To reduce labor costs,the operator carries the wireless control device,the top rig car fixes wireless receiving controller circuit,and with the use of the Internet of Things technology，trenchless rig is on the control remotely，which can save a driver.Wireless control device through the button switch input switch quantity control signal,through the input analog control signal,spherical knob by wireless module converts analog signals into corresponding digital signals.Wireless receiving controller after receiving the switch signals and digital signals,the digital signal back to analog signals,with digital and analog signals to control in-vehicle device control function,circuit with high and low temperature testing and running 1 truck during one year,the result proved the feasibility of the above conclusion.

trenchless horizontal drilling；wireless control；switch control；analog control

TN923

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.024

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61403123)；鄭州市科技局民生科技進(jìn)步工程資助項(xiàng)目(131PZDGC136)

2015-12-17)

周成虎（1973-），男，講師，主要研究方向：非接觸電能傳輸技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。

何家梅（1963-），女，副教授，主要研究方向：嵌入式微處理器應(yīng)用。

黃全振（1979-），男，博士，副教授，主要研究方向：控制理論及應(yīng)用。

中文引用格式：周成虎，何家梅，黃全振，等.用于非開挖水平頂鉆機(jī)的無線控制器設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (4)：85-87，91.

英文引用格式：Zhou Chenghu，He Jiamei，Huang Quangzhen，et al.Design of the wireless controller for trenchless horizontal drilling machine［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：85-87，91.