養(yǎng)護(hù)車無線控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究

溫從字

摘要：為了解決傳統(tǒng)瀝青道路養(yǎng)護(hù)車控制系統(tǒng)中多種操作系統(tǒng)、故障率高、操作不便等問題，文中通過對瀝青道路養(yǎng)護(hù)車的無線控制需求研究，結(jié)合當(dāng)前瀝青道路養(yǎng)護(hù)車的功能需求，設(shè)計了以PLC控制器為核心，通過無線控制器的觸摸屏和按鈕、操作桿就可以對瀝青道路養(yǎng)護(hù)車進(jìn)行控制，該系統(tǒng)控制簡單，操作方便，穩(wěn)定性好，大大的改善了操作人員在惡劣環(huán)境下對設(shè)備操作的視角觀察角度，同時改善了其現(xiàn)場工作環(huán)境，有效的避免了視覺誤差造成指揮不擋的安全隱患，保證了作業(yè)的高效率和安全性，為瀝青道路養(yǎng)護(hù)車無線控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)提供了良好的參考與借鑒。

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(guān)鍵詞：瀝青道路養(yǎng)護(hù)車;PLC控制器;無線控制;人機(jī)交互

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

0 ?引言

隨我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，道路建設(shè)也不斷的發(fā)展，2018年，全國瀝青道路總里程達(dá)到477.35萬公里，高速瀝青道路達(dá)到13.65萬公里，里程規(guī)模居世界第一，隨著瀝青道路的不斷修建，對已修建瀝青道路的養(yǎng)護(hù)任務(wù)越發(fā)重要[1]。

道路養(yǎng)護(hù)車可以快速的修復(fù)瀝青道路上出現(xiàn)的裂縫、坑槽、啃邊、脫皮等各種瀝青道路問題。隨著機(jī)電液智能化集成技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械化、集成化、智能化方向發(fā)展是養(yǎng)護(hù)車的控制系統(tǒng)必然趨勢。

目前行業(yè)內(nèi)的養(yǎng)護(hù)車控制系統(tǒng)存在多種操作系統(tǒng)、操作按鈕繁多、操作界面復(fù)雜、同時其控制線路復(fù)雜多樣、故障因素眾多，使得作業(yè)人員在使用過程中操作不便[2]，為此本文采用PLC控制器及人機(jī)交互界面將現(xiàn)有的多種操作控制系統(tǒng)集成控制并采用無線操作系統(tǒng)，大大的改善了操作人員在惡劣環(huán)境下對設(shè)備操作的視角觀察角度，同時改善了其現(xiàn)場工作環(huán)境，有效的避免了視覺誤差造成指揮不擋的安全隱患，保證了作業(yè)的高效率和安全性，實現(xiàn)道路養(yǎng)護(hù)車的智能簡便操作，為道路養(yǎng)護(hù)車的控制系統(tǒng)自動化設(shè)計與實現(xiàn)提供良好的參考與借鑒。

1 ?瀝青道路養(yǎng)護(hù)車控制功能需求分析

目前養(yǎng)護(hù)車根據(jù)工作模式可以分為以下兩種：

第一種模式，熱補(bǔ)法，只采用加熱模式對瀝青路面進(jìn)行加熱后，耙松加入熱瀝青，再壓實夯平實現(xiàn)修復(fù)。

第二種模式，冷補(bǔ)法，對瀝青路面進(jìn)行切割、破碎、清理、除塵、噴灑底油、加入熱瀝青填槽封邊修復(fù)。

如圖1所示兩種模式工作過程進(jìn)行分析：

第一種模式，熱補(bǔ)法：采用對路面加熱養(yǎng)護(hù)時，道路養(yǎng)護(hù)車停在修復(fù)路面處，交通箭頭燈開啟，打開動力系統(tǒng)中的液壓泵及發(fā)電組按鈕，通過液壓控制系統(tǒng)控制液壓油缸將加熱墻放置修復(fù)路面，根據(jù)修復(fù)路面的面積大小選擇加熱墻的對應(yīng)的加熱面積、溫度、時間，發(fā)電機(jī)組將電能轉(zhuǎn)化成微波加熱能，除煙裝置的啟動，加熱完畢后加熱墻復(fù)位，采用輔助工具中的耙松壓實小車將修復(fù)路面耙松，噴灑裝置噴灑適量的新料再壓實，實現(xiàn)修復(fù)[3]。

第二種模式，冷補(bǔ)法：采用挖補(bǔ)修復(fù)時，道路養(yǎng)護(hù)車停在修復(fù)路面處，交通箭頭燈開啟，先采用輔助工具倉中的切割刨銑移動小車將修復(fù)路面處進(jìn)行切割，再采用吹飛機(jī)將路面的粉塵清除干凈后，廢料上料裝置將切割的廢料移到旋轉(zhuǎn)料倉中，采用熱風(fēng)爐對旋轉(zhuǎn)料倉中的瀝青加熱，旋轉(zhuǎn)料倉的拌和轉(zhuǎn)動對廢料回收重新加熱，加熱完畢后旋轉(zhuǎn)料倉反轉(zhuǎn)出料，噴灑裝置將加熱好的瀝青噴灑上在切割出來的坑槽中，采用輔助工具中的耙松壓實小車將路面壓實找平即可實現(xiàn)修復(fù)[3]。

有上述工作模式分析可知，道路養(yǎng)護(hù)車控制系統(tǒng)需要控制的功能主要包括：

直接由開關(guān)控制的動作：加熱墻的上下翻動、上下移動、左右移動;廢料上料裝置的提升、下降;瀝青噴灑裝置啟動、關(guān)閉;除煙裝置的啟動、關(guān)閉;發(fā)電機(jī)組的啟閉、液壓泵的啟閉;提醒：交通箭頭燈的啟閉;警示燈的啟閉;工作燈的啟閉;緊急停止加熱。

由PLC控制的動作有：旋轉(zhuǎn)料倉的拌和轉(zhuǎn)動;旋轉(zhuǎn)料倉的出料轉(zhuǎn)動;加熱墻四個分區(qū)的加熱啟停。

系統(tǒng)中需要由PLC控制的溫度：加熱墻四個分區(qū)的溫度、旋轉(zhuǎn)料倉內(nèi)再生料的溫度。

系統(tǒng)中需要報警的故障：溫度超過上限或低于下限時報警;加熱啟動失敗報警。（圖2）

2 ?無線控制系統(tǒng)原理

在分析養(yǎng)護(hù)車的工作原理和控制需求的基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)主要由無線控制器、PLC控制器、電源轉(zhuǎn)換模塊、液晶控制面板、輸入及輸出模塊、執(zhí)行部件、驅(qū)動和保護(hù)電路等組成。

無線控制器將按鈕、操作桿等操作指令由CPU將其編碼并通過串口傳送給無線發(fā)送模塊，無線發(fā)送模塊將操作指令轉(zhuǎn)化成無線電波信號發(fā)送出去，控制系統(tǒng)中的無線信號接收模塊將接收到的無線電波信號轉(zhuǎn)化成編碼傳遞給PLC控制器，PLC控制器按照邏輯約定協(xié)議對接受到編碼進(jìn)行核對，執(zhí)行對應(yīng)的操作指令，相關(guān)的執(zhí)行部件可以實現(xiàn)在遠(yuǎn)程操控。

PLC控制器負(fù)責(zé)養(yǎng)護(hù)車控制系統(tǒng)的邏輯分析，根據(jù)邏輯協(xié)議將執(zhí)行部件開啟或關(guān)閉。液晶控制面板主要負(fù)責(zé)各個執(zhí)行部件的參數(shù)及相關(guān)傳感器的監(jiān)控。

無線控制器主要負(fù)責(zé)無線遙控操作、監(jiān)控數(shù)據(jù)，其原理如圖3所示。

2.1 無線控制設(shè)計及實現(xiàn)

無線控制器主要信號接收轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、萬向遙桿、信號發(fā)射系統(tǒng)、人機(jī)操縱界面板組成，信號接收轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、萬向遙控信號發(fā)射系統(tǒng)均可實現(xiàn)無線和有線切換。無線控制器通過綁帶可固定在操作人員的身上便攜式控制作業(yè)，也可以放置在養(yǎng)護(hù)車的操作臺。無線控制器控制面板如圖4所示。

2.2 無線控制器控制傳輸硬件設(shè)計

如圖5所示，無線控制器工作原理如下：用戶輸入（開關(guān)量或模擬量輸入）信號時，單片機(jī)通過RS232端口將信號傳遞給無線發(fā)射模塊，無線發(fā)射模塊將信號編碼加密后再以高頻信號的形式發(fā)送出去。無線控制器信號傳輸器主要有按鍵輸入模塊、信號處理模塊、信號傳輸模塊等組成。

2.2.1 按鍵輸入模塊

為了滿足無線控制器的靈活性，方便操作，為縮小線控制器的體積同時又可以滿足遙控器控制面板的基礎(chǔ)功能，進(jìn)而提高無線控制器的便攜性能，本設(shè)計通過譯碼器和鎖存器，對無線控制器的按鍵輸入模塊進(jìn)行擴(kuò)展按鍵系統(tǒng)。如圖6所示，為節(jié)約單機(jī)的端口資源，單片機(jī)的八個端口控制一個74HC138譯碼器，一個74HC138譯碼器控制控制八個74HC541鎖存器，從而使得原本單片機(jī)的11個引腳就能夠擴(kuò)充檢測控制64個用戶輸入控制點。為縮小無線控制器的體積，方便攜帶，本設(shè)計采用3擋2狀態(tài)的雙位開關(guān)作為按鍵控制開關(guān)。

2.2.2 信號處理模塊

信號處理模塊主要任務(wù)是將開關(guān)量輸入和模擬量輸入進(jìn)行掃描并編碼后傳遞給無線發(fā)射模塊[4]。本設(shè)計采用8位AT89LV51單片機(jī)作為信號處理模塊CPU，該單片機(jī)低功耗、高性能、電壓穩(wěn)定，其工作電壓為2.7-6V，從而滿足無線控制系統(tǒng)對低成本、低功耗、系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，同時適用于便攜式、無交流電源環(huán)境，特別適用于儀器儀表及各種小型設(shè)備。

本設(shè)計信號處理模塊還增加了LED指示燈及蜂鳴器，使用時能夠清楚的獲知無線控制器和養(yǎng)護(hù)車無線信號接收端的無線信道暢通。

如果電磁環(huán)境惡劣影響無線通信，可以將無線控制器的備用有線接口（RS485接口）和有線電纜連接，即可實現(xiàn)無線控制器通信的連續(xù)性和順暢性。

2.2.3 信號傳輸模塊

信號傳輸模塊用于無線控制器信號發(fā)射端和養(yǎng)護(hù)車信號接收端之間進(jìn)行無線通信，本設(shè)計采用STR-31無線收發(fā)模塊，可以進(jìn)行多信道之間切換，性能成熟滿足系統(tǒng)要求[5]。

2.3 養(yǎng)護(hù)車無線信號接收端硬件設(shè)計

如圖7所示，養(yǎng)護(hù)車無線信號接收端硬件包括PLC、RS485/RS232接口電路、51單片機(jī)、無線接收模塊、復(fù)位電路、穩(wěn)壓電路等，用于接收和執(zhí)行無線控制器發(fā)出的控制指令。

養(yǎng)護(hù)車無線信號接收端的單片機(jī)用于系統(tǒng)動態(tài)反饋程序設(shè)置并且可以擴(kuò)展接口。

現(xiàn)有大部分無線遙控單片機(jī)的I/O通過驅(qū)動模塊和繼電器連接，由繼電器的閉合控制被控制設(shè)備的電路接通或斷開。但是由于道路養(yǎng)護(hù)車使用的工作環(huán)境惡劣，上述控制方式由于使用繼電器非常占用控制點數(shù)的數(shù)量導(dǎo)致接線復(fù)雜，占用本來有限的單片機(jī)I/O端口資源，而且由于這種控制方式的輸出端口輸出狀態(tài)不穩(wěn)定，有可能導(dǎo)致繼電器意外的開啟，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備動作紊亂。為實現(xiàn)養(yǎng)護(hù)車動作精確執(zhí)行，本設(shè)計將繼電器并聯(lián)在養(yǎng)護(hù)車設(shè)備的控制電路上，改由PLC輸出模塊控制繼電器閉合，進(jìn)而判斷各控制線路是否各自執(zhí)行。考慮到兼容性，養(yǎng)護(hù)車無線信號接收端還設(shè)置了RS232/RS485接口，根據(jù)需求可以采用單個或多個PLC對接。

如圖8所示，養(yǎng)護(hù)車無線信號接收端設(shè)置有可以直接與PLC連接的RS232/RS485接口。無線遙控發(fā)射端安裝在無線控制器的機(jī)架中，無線信號接收端傳輸天線通過磁性底座放置在養(yǎng)護(hù)車機(jī)體外部。

2.4 人機(jī)界面設(shè)計

人機(jī)交互界面將所有的控制功能用圖標(biāo)的形式呈現(xiàn)，界面簡潔友好，一目了然，無需翻譯。

人機(jī)交互界面采用帶CAN總線接口的彩色液晶觸摸屏，可通過CAN總線與顯示器、發(fā)動機(jī)、無線遙控器進(jìn)行電子控制單元通訊，同時無線控制器的PWM控制端口可以控制加熱墻的液壓比例閥的開度，進(jìn)而達(dá)到控制加熱墻的運行速度;

對應(yīng)的設(shè)備部件自動啟停由PLC輸出模塊I/O口控制繼電器閉合進(jìn)行控制;液壓系統(tǒng)油壓由模擬量采集口進(jìn)行采集相關(guān)數(shù)據(jù);廢料上料電機(jī)和廢料破碎機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖輸入端口進(jìn)行檢測。無線控制器比例搖桿的數(shù)值轉(zhuǎn)化成無線信號，養(yǎng)護(hù)車上的無線接收端信號將信號通過CAN總線傳遞給PLC進(jìn)而實現(xiàn)加熱墻等液壓部件執(zhí)行速度的比例調(diào)節(jié)。

人機(jī)交互界面如圖9所示，人機(jī)交互界面的界面主要分為四個功能區(qū)：a區(qū)（部件執(zhí)行功能區(qū)）、b區(qū)（光標(biāo)按鍵輸入功能區(qū)）、c區(qū)（整機(jī)動態(tài)操作顯示區(qū)）、d區(qū)（檢測參數(shù)顯示區(qū)）

a區(qū)包含的功能：①噴灑裝置;②廢料上料;③液壓閥調(diào)節(jié);④廢料破碎;⑤遙控器模式切換;⑥熱風(fēng)爐開啟;⑦旋轉(zhuǎn)料倉;⑧加熱墻加熱面積選擇查詢;⑨指示燈。

b區(qū)包含的功能：上下左右光標(biāo)按鍵及確認(rèn)按鍵。

c區(qū)整機(jī)動態(tài)反饋顯示區(qū)，當(dāng)相應(yīng)的設(shè)備開啟后，會有動態(tài)對應(yīng)部件顯示在屏幕區(qū)，如果運行中出現(xiàn)故障則在下方空白處顯示故障信息，并報警提示。

d區(qū)從上到下依次為：柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、柴油發(fā)電機(jī)油門百分比、廢料破碎機(jī)轉(zhuǎn)速、瀝青噴灑裝置給料機(jī)轉(zhuǎn)速百分比、加熱墻加熱溫度℃、柴油液位百分比。

3 ?結(jié)束語

本文以瀝青道路養(yǎng)護(hù)車為研究對象，基于PLC結(jié)合無線控制器，結(jié)合人機(jī)界面、無線遙控與PLC通訊技術(shù)，進(jìn)行PLC、觸摸屏組態(tài)控制，設(shè)計并實現(xiàn)了瀝青道路養(yǎng)護(hù)車無線遙控控制系統(tǒng)。該無線遙控控制系統(tǒng)控制簡單、操作方便，通過無線控制器的觸摸屏和按鈕、操作桿就可以對瀝青道路養(yǎng)護(hù)車進(jìn)行控制，為瀝青道路養(yǎng)護(hù)車無線控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)提供了良好的參考與借鑒，具有一定的實用意義與研究價值。

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