成品油管道泄漏控制機器人液壓傳動及控制系統的設計

趙云偉，單根立

(1. 山東工業職業學院電氣工程系，山東淄博256414;2. 河北科技大學機械電子工程學院，河北石家莊050054)

0 前言

成品油輸送管道發生泄漏后，由于管道內的靜壓很大，油品會從管道內噴射而出，并在空氣中發生霧化，對周邊人民的生產生活構成嚴重威脅。針對上述問題，課題組研制開發了一種管道泄漏控制機器人。該機器人可以實現在上述工況環境下，通過遠程控制其前進、后退、轉彎，安全行駛到泄漏處，通過調節機械臂和漏油回收裝置的位置實現噴射口的準確定位，并通過回收裝置實現油品的霧化控制和簡單回收。該機器人主要由行走機構、機械臂、液壓傳動系統、電氣控制系統、電纜收放系統等部分組成，如圖1 所示。液壓傳動系統及其電氣控制系統是機器人的核心。

圖1 機器人組成結構

1 液壓系統整體方案設計

功能性要求:能夠保持良好的直線行駛性，能夠前進與后退行駛，并能夠根據路況自動調速;能夠左右轉向，并能夠實現原地轉動;能夠實現可靠的限速和剎車;能夠實現大臂、小臂、收油器的穩定旋轉，實現收油器的準確定位。

技術要求:整機質量3.7 kg;行走速度0.67 m/s;最大爬坡角度25°，收油器最大承載力22.2 kN;滿足0 區、Ⅱa 爆炸環境工作要求。

按照對機器人的功能性要求，繪制了液壓系統原理圖，如圖2 所示。

圖2 機器人液壓系統原理圖

(1)設備直線行走的實現。三聯齒輪泵中B1、B2性能參數完全相同，左右兩個馬達性能參數也完全相同，一個泵單獨為一個馬達供油，保證了機器人在不要求轉彎時的直線行走。當11YA、12YA 斷電，13YA、15YA 通電，左右馬達正轉，機器人直線前行;14YA、16YA 通電，左右馬達反轉，機器人直線后退。

(2)設備左右轉向的實現。電磁鐵11YA 通電，12YA 斷電，液壓油只能經節流閥17 進入左馬達，左馬達的轉速降低，機器人前行左轉彎或后退右轉彎;反之，如果11YA 斷電，12YA 通電，機器人可實現前行右轉彎或后退左轉彎。當電磁鐵13YA、14YA斷電時，通過控制電磁鐵15YA、16YA 的通斷電，可實現機器人繞左履帶向前逆時針轉彎或向后順時針轉彎。電磁鐵13YA 通電，左馬達正轉，電磁鐵16YA通電，右馬達反轉，機器人繞中心順時針旋轉;同理，電磁鐵14YA 通電，電磁鐵15YA 通電，機器人繞中心逆時針旋轉。電磁鐵13YA、14YA、15YA、16YA 斷電，左、右馬達停轉，機器人停止。

(3)高低速實現。在低速大扭矩馬達內設計了兩個馬達，當通過三位四通換向閥19、22 液壓油流入左右馬達時，若電磁閥17YA 通電，從齒輪泵B3中流出的液壓油經兩位四通的換向閥24 使左右馬達串聯，實現高速小扭矩輸出，裝置高速前行;若電磁鐵17YA 斷電，左右馬達中的兩個馬達并聯，實現低速大扭矩輸出，裝置低速前行。

(4)定位調整系統。通過三位四通電磁換向閥控制大臂、小臂、收油器驅動油缸的伸縮，實現收油器上下行或旋轉動作。在油缸的進出油口連接了單向節流閥和溢流閥。單向節流閥用來限制各部件下行的速度，保證設備的穩定和安全。連接在油口的溢流閥用做超載閥，當噴射力過大時，限制驅動收油器的運動部件繼續運動，避免對機器人的破壞。

2 電氣控制系統設計

2.1 硬件設計

電氣控制系統的主要任務是接收遠程操作端發來的控制信息，驅動2 臺防爆電機、16 只電磁閥等執行相應的動作，主要由單片機、無線通信模塊、驅動電路、繼電器接觸器電路組成，如圖3 所示。

圖3 電氣控制系統組成結構示意圖

STC15F2K60S2 單片機帶有2048 字節片內數據存儲器，60 K 程序存儲器，1 T 時間周期，不需外部復位、晶振電路，可設置為掉電和空閑兩種節電方式，非常適合于移動設備。根據機器人的通信距離和工作環境要求，選用了北京捷麥通信器材有限公司研制的F21DL 無線數傳電臺。該電臺傳輸距離2 ～4 km;頻率范圍228 ～232 MHz，無需申請頻段，且收發一體，發射功率500 mW，發射電流≤300 mA;有TTL、RS232、RS485 等多種電平接口;功耗低，抗干擾能力強，可滿足要求。STC15F2K60S2 單片機與F21DL 無線數傳電臺的硬件連線如圖4 所示。

防爆電磁閥的工作電壓為交流220 V，啟動時電流為0.59 A，停留時電流0.21 A，按照負載電壓的安全系數為2，負載電流安全系數為5，選取了湖州市菱湖興菱電力電子廠生產的JGJ11 型單相固態繼電器，其最大負載電壓為440 V，額定電流為3 A，控制電壓3～9 V，觸發電流6 ～28 mA。為防止固態繼電器內部元件擊穿和過電流，在固態繼電器的輸出端并聯RC 吸收回路(R =200 Ω，C =0.5 μF)和430 V 的壓敏電阻，并串聯快速熔斷器，具體電路圖見圖5。當P1.0 輸出高電平時，三極管導通，SSR 輸入端有輸入電壓，輸出端接通。

圖4 單片機與電臺通信的硬件連線

圖5 電磁閥控制電路圖

防爆電機的工作電壓為380 V，額定功率為22 kW，電機的額定電流為57.89 A。考慮電流3 倍的安全系數，選擇固態繼電器的額定電流約為180 A。一般的，固態繼電器通態電流大于等于20 A 需加風扇強冷，增加了產生火花的可能性，因此放棄使用固態繼電器，采用繼電器接觸器電路實現電機的啟動。通過固態繼電器驅動繼電器進而實現對電機的控制。

2.2 軟件設計

軟件設計的主要任務是通過無線數傳電臺把遠程端的控制信息接收下來，并對控制信息進行解碼，獲取相應的控制信號，通過固態繼電器驅動不同的防爆電機或防爆電磁閥動作。

為使遠程操作端和無線數傳電臺能夠進行可靠的通信，自定義通信協議。該協議由起始符、數據類型、數據、CRC 4 個部分組成。起始符為“0xEB 0x90”;數據類型主要包括通信操作(0x01)和動作編碼(0x02);數據主要指動作編碼數據和通信操作標識。STC15F2K60S2 串行口有4 種工作方式。該系統采用方式1，一楨數據含10 位:一個起始位(0)，8 個數據位和一個停止位(1);同時將數傳電臺設置為統一的數據幀格式。

為了更高效進行數據傳輸，對遠程控制面板上的按鈕和搖桿對應機器人動作進行編碼，將其分為定位調整控制、行走控制、動力電機控制3 個部分，用高四位0000、0001、0010 分別加以標識，用低四位標識各部分按鈕和搖桿的具體編號，具體編號如表1 所示。

表1 動作編碼明細表

接收器接收到數據后，喚醒數傳模塊，從緩沖區內取出數據，并對數據進行CRC 運算和驗證，如果效驗正確，則根據數據類型判定是輸出動作指令還是執行通信操作指令;如果效驗不正確則發送0XBB 請求重發。程序流程圖如圖6 所示。

圖6 主程序流程圖

3 結束語

管道泄漏控制機器人液壓傳動及其控制系統選用防爆電磁閥、防爆電機等防爆器件，設計了基于本安技術的單片機控制系統，并將電氣控制電路安裝于防爆箱內，實現整機防爆。機器人具備直線行走、左右轉彎、找管定位等功能，能夠準確將回收器定位到泄漏點，減少了油品泄漏帶來的環境污染，降低了搶修人員的風險，滿足成品油管道泄漏控制的要求。

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