混合臂式高空作業(yè)車控制系統(tǒng)探討

曹丹，祁雋燕

混合臂式高空作業(yè)車控制系統(tǒng)探討

曹丹1，祁雋燕2

（1.徐州徐工隨車起重機有限公司，江蘇 徐州 221000；2.中國礦業(yè)大學機電工程學院工程圖學中心，江蘇 徐州 221116）

高空作業(yè)車作為一種載人空中作業(yè)裝置，其系統(tǒng)安全性和智能性一直是業(yè)內人士關注的焦點和評價整機性能的重要指標，文章結合目前國內高空作業(yè)車主流機型——混合臂式高空車的結構特點，重點介紹一種基于CAN總線的智能控制系統(tǒng)。按照模塊化設計的原則，詳細介紹了工作平臺電液自動調平、底盤自動操作控制等智能控制模塊，并對其中的關鍵技術進行了詳細的探討。該系統(tǒng)可有效提升整車的安全性和操控的智能性，為同類產品設計提供參考方案，具有較好的實用價值。

混合臂式高空作業(yè)車；智能控制；CAN總線

引言

高空作業(yè)車按工作臂的型式可分為：垂直升降式、折疊臂式、伸縮臂式和混合臂式四種型式的高空作業(yè)車。垂直升降式高空作業(yè)車只能在垂直方向上升降，承載力強，但作業(yè)范圍小、作業(yè)高度低；折疊臂式高空作業(yè)車工作臂一般采用上下折疊的方式，工作臂的連接采用鉸接結構，工作時工作臂交替上升，操作頻繁，安全性較低；伸縮臂式高空作業(yè)車工作時套疊的工作臂同步伸出，可有效增加作業(yè)高度和工作半徑，效率較高；混合臂式高空作業(yè)車是折疊臂式和伸縮臂式高空作業(yè)車的結合，其工作臂之間既有鉸接，也有伸縮，它結合了折疊臂式和伸縮臂式高空作業(yè)車兩種結構型式的優(yōu)點，工作性能較好，是我國高空作業(yè)車市場最近幾年和未來發(fā)展的方向?；旌媳凼礁呖兆鳂I(yè)車是機電液一體化技術集成度較高的設備，隨著近年混合臂式高空作業(yè)車的快速發(fā)展，國內混合臂式高空作業(yè)車的智能控制系統(tǒng)也得到了長足的進步，本文結合國內主要生產作業(yè)高度超過30 m的混合臂式高空作業(yè)車智能控制的特點，對混合臂式高空作業(yè)車的智能控制進行了詳細的論述[1]。

1 智能控制系統(tǒng)總體方案設計

根據混合臂式高空作業(yè)車的工作特點及控制方式，其智能控制系統(tǒng)一般滿足以下要求：

（1）工作平臺能隨著工作臂的角度變化而時刻處于水平狀態(tài)，同時在工作平臺的傾斜角度達到危險狀態(tài)時能及時報警并啟動相關保護措施，即混合臂式高空作業(yè)車的工作平臺自動調平控制模塊。

（2）混合臂式高空作業(yè)車工作時要用支腿將車載式汽車底盤支撐起來直至輪胎離地，同時被支撐起來的底盤要保持水平；在狹窄的路面和居民小區(qū)內等不寬敞的地方，此時可將支腿半伸、全伸或進行單邊作業(yè)，以適應施工現(xiàn)場；也可根據平臺載荷的分級將工作幅度分為若干等級，以擴大平臺工作半徑等，即混合臂式高空作業(yè)車的底盤自動操作控制模塊。

（3）在工作平臺內能控制除支腿之外的所有動作，即工作平臺操作控制模塊。

（4）在工作平臺內能為操作者提供一個良好的操作界面和環(huán)境，同時可以將全車的工作狀態(tài)，如發(fā)動機的轉速、水溫、機油壓力，工作平臺的高度、幅度，平臺的載荷，底盤的傾斜角度，故障代碼等信息以圖表化和數字化的方式顯示出來，供操作者判定，即工作平臺人機交互控制模塊。

（5）轉臺處能控制除支腿之外的所有動作，即轉臺操作控制模塊。

（6）在底盤處能為操作者提供一個良好的操作界面和環(huán)境，同時可以將全車的工作狀態(tài)，如發(fā)動機的轉速、水溫、機油壓力，工作平臺的高度、幅度，平臺的載荷，底盤德傾斜角度，故障代碼等信息以圖表化和數字化的方式顯示出來，供操作者判定，即底盤人機交互控制模塊。

根據混合臂式高空作業(yè)車上述功能要求，按照模塊化的設計原則，控制系統(tǒng)采用基于CAN總線的分布式PLC可編程控制器設計，其控制方案如圖1所示[2]。采用分布式結構，可有效簡化線路的連接，具有實時性，高可靠性，可實現(xiàn)控制系統(tǒng)的數字化、模塊化，并可保持系統(tǒng)的可擴展性，為混合臂式高空作業(yè)車的遠程化控制鋪平道路。該系統(tǒng)由兩條遵循不同CAN協(xié)議的總線組成，一條為CANOPEN網絡，一條為SAEJ1939網絡，控制器一般具有符合CAN2.0A和CAN 2.0B兩個標準的通訊接口，從而為網絡連接提供了方便。

圖1 系統(tǒng)模塊設計架構

2 智能控制系統(tǒng)模塊化設計

2.1 工作平臺自動調平控制模塊[3]

該模塊通過安裝在工作平臺下部的傾角傳感器，將工作平臺與水平面的傾角變化及時反饋給調平控制器，調平控制器及時處理這些信息并發(fā)出指令給執(zhí)行元件，執(zhí)行元件動作并帶動工作平臺向減小傾角變化的方向運動，其控制原理為：混合臂式高空作業(yè)車不工作時，工作平臺處于水平狀態(tài)，其底平面與水平面的傾斜角度在允許的±0.5°以內，系統(tǒng)沒有調平動作輸出。工作時，伸縮臂或舉升臂的變幅動作將引起工作平臺的位置變化，也就是工作平臺底平面與水平面的傾斜角度發(fā)生變化，安裝在工作平臺底平面的單軸雙向傾角傳感器將檢測到的角度信號轉換成CAN信號輸出，控制器將信號進行解析，并與程序內的設定值進行比較并判定方向。當差值達到設定值時，控制器觸發(fā)動作，驅動執(zhí)行元件動作，并帶動工作平臺向減小的方向擺動，直至在±0.5°以內，系統(tǒng)重新進入平衡狀態(tài)。當傾斜角度再超過±0.5°時，系統(tǒng)將重復上述過程。

2.2 底盤自動操作控制模塊

該模塊包括水平支腿分級自適應幅度限制和底盤自動調平兩部分，主要功能為在進行上車工作之前將下車底盤水平支腿按設定要求調整到需要狀態(tài)，并將底盤通過垂直支腿調整到水平狀態(tài)。

水平支腿分級自適應幅度限制就是根據水平支腿伸出量和工作平臺載荷來自動調整工作平臺最大作業(yè)幅度，目前高空作業(yè)車水平支腿伸出量主要有支腿不伸、支腿半伸和支腿全伸，有的國外高檔車（如德國RUTHMANN）支腿還具有四分之一伸和四分之三伸，為了滿足水平支腿分級的需要，往往采用拉線傳感器來代替常用的接近開關或行程開關；工作平臺載荷一般分為三檔，分別為100 kg、100 kg～250 kg、250 kg～400 kg三個載荷檔次，每個載荷檔次根據不同的水平支腿伸出量對應不同的作業(yè)曲線。確定支腿分級方式后，控制器將臂架測長傳感器、傾角傳感器和主變幅油缸壓力傳感器送來的長度信號、角度信號和壓力信號進行處理、運算，并將運算結果與控制程序內預先設定的幅度和力矩曲線進行比較，當運算結果超出允許曲線時，控制器輸出信號并切斷相應的動作，以實現(xiàn)幅度和力矩限制，滿足水平支腿分級自適應幅度限制的需要[4]。

底盤自動調平通過安裝在底盤下部的雙軸傾角傳感器，將底盤與水平面的傾角變化反饋給控制器，控制器及時處理這些信息并發(fā)出指令給執(zhí)行元件，執(zhí)行元件動作并帶動底盤向減小傾角變化的方向運動?？刂七^程如下：確定支腿分級方式后，按下底盤自動調平按鈕，水平支腿按設定要求伸出到位后，四個垂直支腿開始動作，此時底盤自動調平開始；底盤調平采用四點支承式底盤平臺的調平方法，雙軸傾角傳感器與底盤平臺的一條邊線平行安裝，垂直支腿在上升過程中完成輪胎離地后，控制器根據雙軸傾角傳感器測出的水平傾角可以判斷出四個支承點的高低，找出最高點，并輸出PWM脈寬調制信號去驅動相應的比例閥，比例閥開通后液壓油通過比例閥去驅動垂直油缸完成相應的動作。調平過程一般采用升調平技術，按照只升不降的原則，先進行橫向調平，再進行縱向調平，直至把其余三個支承點升高至與最高點處于同一水平面后，雙軸傾角傳感器軸和軸檢測出來的傾斜角度在±0.3°以內，調平過程結束。由于地面和輪胎存在變形，該系統(tǒng)采用粗調和精調兩次調平的方式，在輪胎離地后進行調平，若傾斜角度在≥±0.5°，進行第一次調平－粗調，各支腿的運動速度較快；若傾斜角度在＜±0.5°，進行第二次調平－精調，各支腿的運動速度較慢，當檢測出來的傾斜角度在±0.3°以內時調平結束。

2.3 工作平臺操作控制模塊

在工作平臺內能控制除支腿之外的所有動作，是工作平臺操作的基本要求，這些動作主要包括：發(fā)動機啟動和停止、轉臺回轉、臂架的變幅和伸縮、飛臂的變幅和工作平臺回轉等動作要求。工作平臺控制器將采集所有的指令信號，并將其以CAN總線報文形式發(fā)送到CAN線上。位于轉臺的主控制器從總線上接收到所需報文，并對這些報文進行解析處理后，輸出PWM脈寬調制信號去驅動相應的電磁閥，電磁閥開通后液壓油通過電磁閥去驅動執(zhí)行元件完成相應的動作。利用PWM脈寬調制信號控制電磁比例閥有功耗小、抗干擾能力強、控制精度高等優(yōu)點，疊加低頻率的顫震信號可以使閥芯工作時處于微振動狀態(tài)，大大減小了電磁比例閥的滯環(huán)。而且還可利用PLC控制器具有電流反饋控制接口的特點，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，提高控制精度。

2.4 工作平臺人機交互控制模塊

該模塊主要是為工作平臺操作人員提供一個良好的操作界面和環(huán)境，主要采用全觸摸彩色顯示器。人機交互操作界面一般采用圖表話、圖標化和數字化的顯示方式，以取代傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的諸多儀表、指示燈和操作按鈕等元件，可以使整機主要參數直觀、準確和實時地顯示出來；人機交互控制模塊包含參數的讀取和實時顯示，參數的讀取主要包括發(fā)動機參數顯示和整機系統(tǒng)參數顯示，發(fā)動機參數顯示主要包括發(fā)動機轉速、機油壓力、冷卻水溫度及發(fā)動機工作時間，這些參數是通過CAN總線從發(fā)動機控制器ECM讀??；ECM和車載控制器之間是基于SAEJ1939標準的通訊網絡，使得ECM和車載控制器可以按照統(tǒng)一的標準共享參數，并通過全觸摸彩色顯示器實時顯示出來。整機系統(tǒng)參數主要包括底盤和工作平臺傾斜角度、工作平臺載荷、作業(yè)高度和幅度、臂架的變幅角度和伸縮長度、底盤支腿的跨距和接觸地面信息、轉臺的回轉角度，故障代碼等工況信息，這些信息可實時地在顯示器上顯示出來，操作人員在進行作業(yè)時可隨時了解整機工況，提前預防誤操作。

2.5 轉臺操作控制模塊

按照GB/T9465—2018《高空作業(yè)車》國家標準的要求，裝備有上、下兩套控制裝置的工作平臺應有互鎖裝置，上控制裝置設置在工作平臺上，下控制裝置應具有上控制裝置的功能，并應設有能超越上控制的裝置。因此在轉臺處具有和工作平臺一樣的操作功能，這些動作主要包括：發(fā)動機啟動和停止、轉臺回轉、臂架的變幅和伸縮、飛臂的變幅和工作平臺回轉等動作要求；轉臺處的操作方式也采用比例手柄，操作時比例手柄的輸出信號進入PLC控制器，通過處理后PLC控制器輸出PWM脈寬調制信號驅動電磁比例閥，并利用PLC控制器具有反饋控制接口的特點，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，提高控制精度。除此之外，轉臺處設有緊急開關，當工作平臺上的操作人員違章操作出現(xiàn)危險時，可按下緊急開關，強制關閉工作平臺處操作，利用轉臺處的操作裝置將工作平臺收回。

2.6 底盤人機交互控制模塊

底盤人機交互控制模塊也是采用全觸摸彩色顯示器，操作界面一般也采用圖表化、圖標化和數字化的顯示方式，底盤人機交互控制模塊主要包括發(fā)動機參數和整機系統(tǒng)參數顯示，發(fā)動機參數顯示主要包括發(fā)動機轉速、機油壓力、冷卻水溫度及發(fā)動機工作時間，這些參數是通過CAN總線從發(fā)動機控制器ECM讀??；整機系統(tǒng)參數主要包括底盤和工作平臺傾斜角度、工作平臺載荷、作業(yè)高度和幅度、臂架的變幅角度和伸縮長度、底盤支腿的跨距和接觸地面信息、轉臺的回轉角度，故障代碼等工況信息，這些信息可實時地在底盤顯示器上顯示出來，供地面操作人員隨時了解整機工況。

3 結論

本文主要介紹一種基于CAN總線的混合臂高空作業(yè)車智能控制系統(tǒng)，重點討論了混合臂高空作業(yè)車的工作平臺自動調平控制模塊、底盤自動操作控制模塊、工作平臺操作模塊、工作平臺人機交互模塊、轉臺操作模塊、底盤人機交互控制模塊等各個模塊的控制原理及實現(xiàn)方法。高空車的控制系統(tǒng)是一個邏輯關系非常復雜的電控系統(tǒng)，有的模塊可能相對比較獨立，有的模塊可能要與其他模塊相互配合才能完成一些基本功能。在高空車的智能控制系統(tǒng)中還有一些其他功能，如上下車互鎖、一鍵收車、工作平臺平面運動功能、工作平臺智能防碰撞、防自損功能、無線遙控操作和安全應急等，因控制原理比較簡單，本文不再詳細討論。

[1] 高崇仁,孫迪,朱建學,等.混合臂式高空作業(yè)車變幅系統(tǒng)多目標優(yōu)化[J].機械設計與制造,2019(07):201-205+209.

[2] 王碩,李恩,趙曉光.CANopen協(xié)議在高空作業(yè)車控制系統(tǒng)中的應用[J].制造業(yè)自動化,2011(33):5-8.

[3] 趙志華,劉玉敏,姚建紅.基于PLC的高空作業(yè)車自動調平控制系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表,2016(8):805-808.

[4] 李鵬輝,張春紅,陳志偉.高空作業(yè)車電氣可靠性提升研究[J].裝備制造技術,2014(07):218-219.

Discussion on Control System of Mixed-boom Aerial Working Vehicle

CAO Dan1, QI Juanyan2

( 1.XCMG Xuzhou Truck-mounted Crane Co., Ltd., Jiangsu Xuzhou 221000; 2.Engineering Graphics Center,School of Mechatronic Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116 )

Aerial working platform is a special device, which is used to position personnel and carry out aerial work, the safety and intelligence of the system has always been the focus of the industry and an important index to evaluate the performance of the machine. This paper introduces an intelligent control system based on CAN bus by combining the structure characteristics of domestic mixed-boom Aerial working platform. The intelligent control modules such as automatic leveling control of platform and the automatic operation control of chassis are introduced in detail, and the key technologies are discussed in detail according to the principle of modular design. The system can effectively improve the safety and the intelligent control of the vehicle, and provide a reference for the similar product design, has better practical value.

Hybrid arm aerial vehicle;Intelligent control; CAN Bus

U466

A

1671-7988(2021)24-166-04

U466

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.039

曹丹，學士，工程師，就職于徐州徐工隨車起重機有限公司，研究方向：專用汽車電控技術。