基于EPEC2024的遙控挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

佘江雪，趙立宏，王湘江，鄧搴

(南華大學(xué) a. 電氣工程學(xué)院; b. 機(jī)械工程學(xué)院 ，湖南 衡陽(yáng) 421001)

0 引言

挖掘機(jī)作業(yè)范圍廣泛，是一種重要的工程機(jī)械設(shè)備，但是在一些復(fù)雜危險(xiǎn)場(chǎng)合中，如核輻射環(huán)境中，工作人員的安全無(wú)法得到保障，因此對(duì)挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控是最佳選項(xiàng)之一。國(guó)外對(duì)挖掘機(jī)的遙控研究較早，并取得了大量成果，目前國(guó)外一些研究所把重點(diǎn)放在基于穿戴式設(shè)備的挖掘機(jī)器人上[1]。我國(guó)對(duì)機(jī)器人技術(shù)在工程機(jī)械性能和質(zhì)量提升的重要性認(rèn)識(shí)較晚，受此影響國(guó)內(nèi)對(duì)工程機(jī)械無(wú)線遙控研究與應(yīng)用較國(guó)外落后。例如，浙江大學(xué)研制的遙控采掘機(jī)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控、智能操作、節(jié)能控制、工況監(jiān)測(cè)和故障診斷等多種功能。但是受限于成本，并未推廣[2]。中南大學(xué)和山河智能聯(lián)合研制的電控挖掘機(jī)可實(shí)現(xiàn)100 m的良好控制效果[3]。吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院以WY1.5挖掘機(jī)為基礎(chǔ)，研制了具有近距離有線遙控和自動(dòng)控制功能的挖掘機(jī)[4]。山河智能研發(fā)了具有遙控、在線學(xué)習(xí)、自動(dòng)挖掘等功能的挖掘機(jī)樣機(jī)[5]。

根據(jù)現(xiàn)有的無(wú)線遙控技術(shù)，本文提出了基于EPEC2024控制器的無(wú)線遙控挖掘機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，為挖掘機(jī)遙控功能的實(shí)用化提供了一種思路，在應(yīng)急搶險(xiǎn)等裝備研發(fā)方面具有研究?jī)r(jià)值。

1 挖掘機(jī)電氣設(shè)計(jì)

1.1 總體電氣設(shè)計(jì)

以某微型挖掘機(jī)為例，該挖掘機(jī)是機(jī)械液壓先導(dǎo)控制系統(tǒng)，將其改造成電液比例控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和遙控且手動(dòng)優(yōu)先控制。改造后挖掘機(jī)電氣原理圖如圖1所示，即在已有電氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加2臺(tái)EPEC2024控制器、遙控裝置接收端、若干繼電器、手動(dòng)/自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)、電液比例閥組、油門電機(jī)等電氣元件實(shí)現(xiàn)。EPEC2024控制器和遙控器接收端采用CAN總線協(xié)議進(jìn)行通訊。

當(dāng)進(jìn)行手動(dòng)控制時(shí)，駕駛室操作起作用，遙控操作無(wú)效；當(dāng)進(jìn)行遙控操作時(shí)，需要工作人員按下安裝在駕駛室內(nèi)的手動(dòng)/自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)并拉起先導(dǎo)拉桿。這時(shí)，遙控有效，手動(dòng)操作無(wú)效。在遙控狀態(tài)時(shí)，EPEC2024控制器接收來(lái)自遙控器的指令信號(hào)，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，通過(guò)對(duì)啟動(dòng)、熄火繼電器通電斷電，對(duì)油門電機(jī)伸縮實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；對(duì)工作和行走裝置而言，通過(guò)輸出PWM電流信號(hào)，控制電液比例閥組動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)操作手柄的運(yùn)動(dòng)控制要求。與此同時(shí)，控制器實(shí)時(shí)采集水溫、轉(zhuǎn)速、燃油液位量、變量泵壓力值等傳感器數(shù)據(jù)，并傳輸至遙控器顯示屏供操作人員及時(shí)了解挖掘機(jī)工作狀態(tài)信息。

圖1 挖掘機(jī)電氣原理圖

1.2 控制器簡(jiǎn)介

EPEC2024控制器是車載PLC設(shè)備，主要用于工程機(jī)械領(lǐng)域。該控制器具有52路I/O引腳，且為一針多用，用戶可根據(jù)需求對(duì)針腳功能進(jìn)行配置，其中PWM輸出為24路，電流反饋接口為4路[6]。

EPEC2024控制器支持CANopen協(xié)議和CAN2.0B協(xié)議。文中選用CAN2.0B通訊方式。

需要注意的是挖掘機(jī)的電瓶電壓是12 V，而EPEC2024的推薦電壓是24 V，為保證系統(tǒng)正常工作，通過(guò)升壓模塊為EPEC2024提供工作電壓。

1.3 電液比例閥的油路及電路設(shè)計(jì)

挖掘機(jī)的電液比例閥組采用HCEV31系列電液比例減壓閥。EPEC2024控制器通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比改變比例閥驅(qū)動(dòng)電流的大小，比例減壓閥的輸出壓力也隨之改變，從而改變先導(dǎo)油壓，由先導(dǎo)油液控制換向閥，最后實(shí)現(xiàn)工作裝置的控制。為不改變?cè)簤合葘?dǎo)系統(tǒng)，以動(dòng)臂控制油路為例如圖2所示，通過(guò)接入三通梭閥，實(shí)現(xiàn)電液先導(dǎo)控制系統(tǒng)和機(jī)械先導(dǎo)系統(tǒng)的并存。

挖掘機(jī)的液壓缸或液壓馬達(dá)的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，如對(duì)斗桿控制，需要2個(gè)比例閥分別實(shí)現(xiàn)斗桿的內(nèi)收和外擺。整個(gè)系統(tǒng)的控制對(duì)象分別為：動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、左右履帶和推土鏟，所以共需要增加14路電液比例減壓閥。

1—電液比例減壓閥；2—三通梭閥；3—?jiǎng)颖垡簤焊祝?—主閥；5—手柄先導(dǎo)閥；6—液壓泵圖2 動(dòng)臂控制油路簡(jiǎn)圖

為提高控制精度，將驅(qū)動(dòng)比例閥的電流反饋回EPEC2024控制器。由前面的分析可知挖掘機(jī)共有14路比例閥，而每臺(tái)EPEC2024只有4路反饋電流端口。由于換向閥每次只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)作，所以每次只有一個(gè)線圈得電，即2個(gè)比例閥可以共用一個(gè)反饋電流端口。為防止線圈斷電后產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)控制器EPEC2024的PWM輸出端口產(chǎn)生影響，在每個(gè)比例閥的線圈上并聯(lián)續(xù)流二級(jí)管。控制電路圖如圖3所示。

圖3 電液比例減壓閥控制電路圖

1.4 挖掘機(jī)啟動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

在原挖掘機(jī)中，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)功能是通過(guò)鑰匙開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。鑰匙開(kāi)關(guān)順時(shí)針第一檔是上電擋，即ACC和Br端從電瓶處得電；順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)第二檔是啟動(dòng)檔，即ACC、C和Br端得電。

需要注意的是，在實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘機(jī)遙控啟動(dòng)前，需要手動(dòng)對(duì)挖掘機(jī)上電，所以只需要在C端增加一個(gè)24 V的繼電器即可完成上述功能。如圖4所示，當(dāng)DO端有效時(shí)，控制器輸出24 V高電平，繼電器得電，直接通過(guò)EPEC2024給啟動(dòng)線路提供12 V電壓。需要注意的是，原挖掘機(jī)有防重啟保護(hù)功能，即發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，DO可以一直有效，不會(huì)危害挖掘機(jī)電路。

圖4 挖掘機(jī)啟動(dòng)控制電路

1.5 挖掘機(jī)熄火控制電路設(shè)計(jì)

在原挖掘機(jī)中，熄火功能是通過(guò)熄火電磁閥實(shí)現(xiàn)。挖掘機(jī)上電的瞬間，熄火電磁閥得電將燃油油路打開(kāi)，為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)作準(zhǔn)備；當(dāng)需要熄火時(shí)，將熄火電磁閥斷電，燃油油路斷開(kāi)，停止為發(fā)動(dòng)機(jī)供油，挖掘機(jī)熄火。

基于上述分析，改造后的熄火控制電路如圖5所示。將熄火繼電器的搭鐵端接EPEC2024控制器的DO端，當(dāng)DO端有效時(shí)，端口接地，二級(jí)管導(dǎo)通，熄火繼電器動(dòng)作，熄火電磁閥上電；當(dāng)DO端無(wú)效時(shí)，輸出24 V，二級(jí)管截止，熄火繼電器斷電，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。

圖5 熄火控制電路

1.6 挖掘機(jī)先導(dǎo)控制電路設(shè)計(jì)

在原挖掘機(jī)中，操作手通過(guò)先導(dǎo)拉桿的提降實(shí)現(xiàn)對(duì)先導(dǎo)油路的通斷控制。當(dāng)提起先導(dǎo)拉桿時(shí)，先導(dǎo)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，先導(dǎo)繼電器斷電不動(dòng)作；當(dāng)放下先導(dǎo)拉桿時(shí)，先導(dǎo)開(kāi)關(guān)閉合，先導(dǎo)繼電器得電動(dòng)作，先導(dǎo)閥導(dǎo)通，定量泵實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)油路供油。

根據(jù)上述分析，將先導(dǎo)控制電路改造如圖6所示。當(dāng)操作手需要遙控操作時(shí)，需先將先導(dǎo)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后按下切換開(kāi)關(guān)，EPEC2024控制器檢測(cè)到高電平后，遙控模式有效。在遙控端按下先導(dǎo)開(kāi)關(guān)，DO端接地，先導(dǎo)繼電器得電動(dòng)作打開(kāi)先導(dǎo)油路。

需要注意的是，在電氣設(shè)計(jì)中為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火，將急停開(kāi)關(guān)安裝在先導(dǎo)控制電路處。

圖6 先導(dǎo)控制電路

1.7 挖掘機(jī)傳感器控制電路設(shè)計(jì)

對(duì)于燃油位置傳感器、水溫傳感器而言，工作原理是將物理量轉(zhuǎn)化為電阻變化值進(jìn)行測(cè)量。在原挖掘機(jī)中安裝有燃油位置傳感器和水溫傳感器，所以在遙控狀態(tài)下，通過(guò)繼電器將傳感器線路接入控制器中。因?yàn)镋PEC2024控制器只能測(cè)量電壓值和電流值，不能測(cè)量電阻值，所以采用電阻分壓方式將電阻值轉(zhuǎn)化為電壓值進(jìn)行測(cè)量，電路圖如圖7所示。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速而言，因?yàn)镋PEC2024只能識(shí)別脈沖信號(hào)的上升沿，所以采用霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器直接測(cè)量柴油發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪轉(zhuǎn)速；對(duì)于變量泵的壓力值，直接采用壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量。

圖7 傳感器控制電路

1.8 油門電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

將原挖掘機(jī)的手動(dòng)拉線式油門控制改為油門旋鈕控制，即控制器接收油門旋鈕擋位信號(hào)后，控制油門電機(jī)伸縮拉動(dòng)油門拉桿實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的全程調(diào)速。

直線電機(jī)選用KECM-1524油門馬達(dá)。其控制電路如圖8所示。當(dāng)DO端無(wú)效時(shí)，即DO接地，KM1和KM2不動(dòng)作，油門電機(jī)RED端接控制信號(hào)(PWM)，BLUE端接地(GND)，電機(jī)收縮拉動(dòng)油門拉桿向發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加的方向移動(dòng)；當(dāng)DO端有效時(shí)，輸出24 V高電平，油門電機(jī)BLUE端接控制信號(hào)(PWM)，RED端接地(GND)，電機(jī)延伸拉動(dòng)油門拉桿向發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低的方向移動(dòng)。

圖8 油門電機(jī)控制電路

1.9 其他功能的電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)行走快慢、喇叭的無(wú)線遠(yuǎn)程控制，在行走控制電路和喇叭控制電路處，增加相應(yīng)的繼電器。在遙控模式下EPEC2024控制器接收控制指令后，對(duì)相應(yīng)端口輸出高電平有效，實(shí)現(xiàn)對(duì)行走快慢和喇叭功能的控制。

1.10 遙控裝置

遙控裝置系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)1 000 m以內(nèi)的視距遙控。在遙控端，在發(fā)送控制指令的同時(shí)操作手可通過(guò)顯示屏查看挖掘機(jī)狀態(tài)信息；在接收端通過(guò)CAN總線與EPEC2024控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2 總線通訊

在工程機(jī)械中使用CAN總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中化處理，從而減少線束數(shù)量，縮小了布線空間，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性[7]。在遙控挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)中采用CAN2.0B總線協(xié)議進(jìn)行通信，CAN報(bào)文形式為標(biāo)準(zhǔn)格式。其通訊網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 遙控挖掘機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)入遙控模式后，啟動(dòng)CAN總線，系統(tǒng)自動(dòng)將遙控器的控制指令以CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文形式發(fā)送給EPEC2024控制器。與此同時(shí)，控制器循環(huán)讀取各個(gè)傳感器的信號(hào)值，經(jīng)過(guò)相應(yīng)計(jì)算后以CAN標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文形式發(fā)送給遙控器接收端。各報(bào)文都有唯一ID地址，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，CAN總線控制器根據(jù)ID地址進(jìn)行總線仲裁，ID最小的CAN報(bào)文獲得總線使用權(quán)[8]。遙控挖掘機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)的具體通訊協(xié)議如表1、表2所示。

表1 遙控器發(fā)送CAN總線報(bào)文格式

表2 遙控器接收CAN總線報(bào)文格式

3 遙控挖掘機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

EPEC2024支持在Codesys2.1軟件上進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)?？刂瞥绦虿捎霉δ軌K方式進(jìn)行編程，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖10所示。

具體包括以下幾個(gè)部分：

1) 初始化模塊：主要實(shí)現(xiàn)EPEC2024端口針腳和CAN模塊初始化處理。

2) 手動(dòng)/遙控模式判斷程序：控制器在初始化完成后自動(dòng)進(jìn)入手動(dòng)模式；當(dāng)手動(dòng)/遙控切換開(kāi)關(guān)按下后，系統(tǒng)進(jìn)入遙控模式。

3) 總線通訊模塊：實(shí)現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

圖10 遙控挖掘機(jī)主程序流程圖

4) 工作模塊：包括兩部分：手動(dòng)程序段和遙控程序段。在手動(dòng)控制模式下，除控制器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)擋位控制外，其他的操作由挖掘機(jī)的原電氣系統(tǒng)完成；在遙控模式下，控制器根據(jù)遙控指令完成發(fā)動(dòng)機(jī)控制、傳感器信號(hào)采集、工作裝置(動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)和推土鏟)控制和行走裝置(左右履帶)控制。

對(duì)遙控挖掘機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，在200 m范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)啟停及轉(zhuǎn)速切換、工作裝置、行走裝置的遙控功能，并實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)狀態(tài)信息的回傳。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 根據(jù)遙控挖掘機(jī)的功能需求，確定了2臺(tái)EPEC2024控制器作為電氣系統(tǒng)的核心，并采用CAN2.0B協(xié)議作為控制器和遙控裝置的通訊方式。

2) 根據(jù)挖掘機(jī)的工作和行走裝置的遙控要求，設(shè)計(jì)電液比例減壓閥組的控制電路，為防止感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)控制器的危害，在PWM輸出口增加續(xù)流二級(jí)管。

3) 根據(jù)原挖掘機(jī)電氣系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)熄火電路、先導(dǎo)控制電路、傳感器電路及油門控制電路。

4) 整個(gè)控制程序在CodeSys2.1平臺(tái)上編寫，各功能塊如發(fā)動(dòng)機(jī)控制程序、工作行走裝置控制程序、傳感器控制程序采用模塊化編程，提高編程效率。

[1] 項(xiàng)日文,陳寧. 挖掘機(jī)器人遙操作的實(shí)現(xiàn)[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2016(3):396-400.

[2]徐楊. 遙控挖掘機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 泉州：華僑大學(xué),2014.

[3]梅勇兵,朱建新,楊翔. 無(wú)線遙控系統(tǒng)在液壓挖掘機(jī)上的應(yīng)用[J]. 建筑機(jī)械,2007,11:92-94.

[4]崔國(guó)華,韓云武,常綠. 智能挖掘機(jī)電控液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 筑路機(jī)械與施工機(jī)械化,2007(2):50-51,54.

[5]劉心昊,張大慶,趙喻明,等. 一種新型智能挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 建筑機(jī)械,2010(9):100-102.

[6]楊哲,徐田凡. 渣罐運(yùn)輸車遙控控制系統(tǒng)的研究[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2016(5):86-87.

[7]郭光輝,郝國(guó)標(biāo),徐桂軍,等. 基于CAN總線的ML360連采機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 煤礦機(jī)械,2016(10):114-119.

[8]馮家波,張偉軍. 基于CAN總線的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)電一體化,2014(4):12-15,48.