挖掘機數字化控制實驗平臺構建

何 彬， 管會生

(西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

隨著控制技術的進步，工程機械控制系統(tǒng)近年來發(fā)生了巨大變化，出現了基于現場總線技術的先進控制系統(tǒng)[1]。根據人才培養(yǎng)和教學科研的需要，為了使本科工程機械專業(yè)學生能更好地學習和了解先進的控制技術，為此設計了挖掘機數字化控制實驗平臺，該平臺由基于CAN總線的人機交互界面自動化控制系統(tǒng)和基于ZigBee技術的自組網遠程數字化控制系統(tǒng)組成。該挖掘機的液壓控制系統(tǒng)可以實現自動與手動切換，便于實驗安全進行。通過實驗證明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作方便，能快速準確地完成遙控控制和自動化控制。在此平臺基礎上開設實驗，能激發(fā)學生學習興趣，提高學生分析和解決工程技術問題的能力，提升學生綜合應用能力和實際動手能力[2-5]。

1 挖掘機控制系統(tǒng)

挖掘機的控制系統(tǒng)主要由無線開發(fā)系統(tǒng)、人機界面交互系統(tǒng)、嵌入式控制系統(tǒng)、CAN總線通信系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、挖掘機執(zhí)行機構等子系統(tǒng)組成[6-8]，如圖1 所示。

圖1 挖掘機控制系統(tǒng)框圖

挖掘機各個子系統(tǒng)間相互協調，相互補充，構成一個不可分割的統(tǒng)一體。同時各個子系統(tǒng)間又可以相對獨立地控制挖掘機，實現不同實驗要求的控制。

1.1 挖掘機電液控制系統(tǒng)

數字化挖掘機液壓系統(tǒng)是手動、電控共存油路系統(tǒng)，其電液系統(tǒng)如圖2所示。挖掘機的工作油缸包括動臂油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸，行走馬達包括左行走馬達、右行走馬達和回轉馬達。液壓泵為挖掘機工作裝置提供工作油，電控閥是按照指令對油缸或馬達等液壓驅動裝置分配工作油實現具體動作[9-10]。

圖2 挖掘機手動與自動切換液壓系統(tǒng)原理圖

1.2 嵌入式人機界面控制系統(tǒng)

嵌入式主控系統(tǒng)負責挖掘機數字化控制平臺的本地控制，包括外部信息采集處理、輸出控制、簡單動作、復合動作、發(fā)動機控制等;同時還負責挖掘機電控系統(tǒng)與計算機軟件的數據信息處理與交換，以及計算機軟件控制的執(zhí)行。嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應于對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

人機界面采用某公司生產的MiniHMI-1000先進組態(tài)式人機界面系統(tǒng)。該人機界面通過組態(tài)軟件HDS(HMI Developer Suite)進行項目開發(fā)，功能齊全、穩(wěn)定可靠。同時此款人機界面允許運行用戶輸入的腳本程序，使人機界面工程設計更加靈活。人機界面內置的CAN總線接口，符合CAN 2.0B標準。CAN收發(fā)器符合ISO11898-2標準，通信速率最高可達1Mb/s，可支持iCAN、CANopen、DeviceNet等通信協議。

1.3 CAN 總線

CAN總線模塊負責挖掘機數字化控制平臺嵌入式主控系統(tǒng)對各種執(zhí)行機構的控制輸出，以及將各種外部信息收集并傳輸到嵌入式主控系統(tǒng)。由于CAN總線底層協議沒有規(guī)定應用層，有必要建立基于CAN總線的應用層協議。iCAN協議(Industrial CAN protocol)為基于現場總線CAN-bus的應用層協議。iCAN協議為工業(yè)控制應用領域提供了一種簡單可靠，易于開發(fā)的總線系統(tǒng)[11-13]。

iCAN系統(tǒng)的目標就是解決用戶在CAN-bus應用領域中的通訊控制或者數據采集問題。本挖掘機總線使用的是iCAN模塊，包括iCAN-4050數字量輸入輸出模塊，iCAN-4017模擬量輸入模塊，iCAN-4400模擬量輸出模塊，iCAN-7202計數/測頻模塊。挖掘機iCAN協議總線模塊組成如圖3所示。

1.4 傳感器系統(tǒng)

傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。挖掘機數字化控制平臺使用的傳感器主要有壓力傳感器、角度傳感器、溫度傳感器、拉線傳感器。壓力傳感器分別測量前泵液壓油壓力、中泵液壓油壓力和機油壓力，角度傳感器測量底座回轉角度，溫度傳感器測量水溫和油溫，拉線傳感器測量鏟斗、斗桿、大臂和偏轉液壓缸伸縮位移值。

拉線傳感器輸出信號為4～20 mA標準工業(yè)信號，對應于測量范圍0～800 mm;回路串接100 Ω(1‰精度)電阻。接入iCAN-4017 ID3模塊，iCAN-4017模塊已經被設置每一路測量范圍為±2.5 V;由于是16 bit精度，最高位為符號位，所以測量范圍對應為－32768～32768。以此得出傳感器輸出范圍為0.4～2 V;對應十進制值為5243～26214之間，最小值對應于0 mm距離，最大值對應于800 mm距離。電路圖如圖4所示。

圖3 挖掘機iCAN協議總線模塊組成圖

圖4 拉線傳感器等效電路圖

1.5 遙控無線系統(tǒng)

計算機遠程軟件負責挖掘機遠程無線遙控。包括挖掘機外部信息處理顯示，簡單動作控制、復合動作控制、發(fā)動機控制等[14-15]。

挖掘機數字化控制平臺無線網絡是基于ZigBee的遠程監(jiān)控。Zigbee技術是一種在 900 MHz及2.4 GHz頻段的無線通訊協議，底層基于 IEEE 802.15.4標準。它的特點是低成本、低功耗(五號電池半年到1年)、低數據率(250 kb/s)，網絡結構優(yōu)良。

自組網網絡協議是一款遵循無線Mesh網絡協議的高層協議，自組網網絡協議為復雜的ZigBee網絡提供一個簡單、可靠、智能的完整組網方案，同時，因為使用“對等網絡”概念，功耗優(yōu)化明顯，冗余性能優(yōu)異。

2 實驗設計

2.1 人機界面自動控制實驗

通過在嵌入式人機界面上編程實現對鏟斗和斗桿電磁閥的控制，利用HDS編輯挖掘機人機控制界面，然后再編譯程序，實現挖掘機的自動化、數字化控制。圖5是編輯好的人機界面的一部分。

圖5 人機界面視圖

2.2 無線遙控實驗

上位機用戶軟件通過MODBUS RTU協議與嵌入式人機界面進行通信，人機界面作為MODBUS從站，上位機模擬MODBUS主站，用戶操作信息在軟件內部按照既定的通信協議打包，再經過串口發(fā)送到無線傳輸設備PFWSN2410-I中，數據經過無線的方式被傳送到另一個通過串口與人機界面相連的PFWSN2410-I，再經串口發(fā)送到人機界面的內存單元。人機界面程序讀取內存單元中的數據，再經過人機界面程序解析后，通過CAN總線發(fā)送到iCAN4050模塊中進行解析輸出相應的電平信號，電平信號經過驅動電路驅動大電流繼電器工作，開啟或關閉繼電器將使控制相應的電磁閥處于開啟或關閉的狀態(tài)。當某個電磁閥處于開啟狀態(tài)時，所屬油泵油路經換向閥，然后通過開啟的電磁閥，最后到達執(zhí)行機構，通過液壓作用原理，實現目標的相應動作。

實驗證明，挖掘機控制系統(tǒng)能夠達到實驗目的，實現挖掘機的自動化、數字化控制，通過遠端計算機能完成遙控，顯示了該控制方法的優(yōu)越性。

3 結語

本文設計的挖掘機數字化控制實驗平臺不僅能夠通過人機交互界面實現自動化控制，而且能夠通過遠程計算機完成無線遙控。實驗證明此系統(tǒng)具有結構簡單、速率高、功耗低、應用可靠等優(yōu)點，達到了預期目標，這為挖掘機的自動化、數字化、智能化的實現提供了基礎。構建挖掘機數字化控制實驗平臺，能推進學校教學、科研，提高人才質量。

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