濕噴臺車控制系統設計

陳金彪

（長安大學工程機械學院，西安 710064）

0 引言

20世紀60年代起，西方發達國家開始推行濕噴技術，各種濕噴射機被陸續開發[1]。國外主要品牌有瑞典的Aliva、瑞士的Meyco和芬蘭的Normet等[2]，國內品牌主要有長沙力諾、煙臺宇通、三一、中聯等。M.Honegger&G.Schweitzer[3]針對隧道和采礦施工工程中使用的大型機械手，開發了一種新型的自動和面向人的控制系統，使操作員能夠在各種模式下操作機械手，從純手動驅動單個接頭到視覺引導半自動和全自動噴涂選定的隧道區域。G.Girmscheid&S.Moser[4]用全自動噴漿機器人對自動化噴漿進行了研究，用戶可以選擇3種不同的模式：手動、半自動和全自動噴涂。可對噴射效果如層厚度、壓實和均勻性進行質量控制。王傳江等[5]介紹了單片機AT89C51在泵式濕噴機智能控制系統中的應用，實現對各種傳感器信號的采集和輸出控制。余梅等[6]研究并實現了一種簡單靈活、性能安全可靠的井下濕噴機液壓控制系統，系統采用S7-200 CPU-226 PLC實現泵送、攪拌和換向工作的控制。

隨著混凝土噴射技術的不斷發展，人們越來越追求高效率、高質量和低勞動強度的噴射作業，因此，具有高智能化、自動化及人性化的混凝土智能噴射機械手是目前噴射施工的一個重點發展方向。

1 控制系統主要內容及控制需求

對于濕噴臺車的控制系統設計，其主要研究內容如圖1所示。控制部分主要包括行走控制、泵送系統控制、機械手控制、無線遙控和運行參數監控部分等。其中行走控制系統可分為行走液壓控制、制動液壓控制、轉向液壓控制、支腿液壓控制、卷纜液壓控制、駕駛室回轉液壓控制；泵送控制系統可分為攪拌液壓控制、混凝土振動電機控制、泵送液壓控制、擺動液壓控制、添加劑控制；機械手控制系統臂架回轉液壓控制、大臂油缸控制、小臂油缸控制、碰頭液壓控制、空壓機控制；無線遙控主要是遠程控制泵送以及對機械手進行動作控制；運行參數監控是對濕噴臺車工作過程中運行參數進行監控。

由圖1可知，控制系統的主要研究內容可以分為4個方面。

（1）臺車機體的控制

通過控制信號改變各個電機的正反轉，泵的運行和換向閥的通斷，實現工作機構的運動。帶動輪胎實現車體的前進，后退，向前（向后）左轉，向前（向后）右轉的運動。

（2）泵送系統和機械手的控制

通過控制信號實現泵送系統電機、馬達和換向閥的工作，完成正泵、反泵、S管與兩混凝土缸的連通狀態等功能。通過控制信號實現機械手工作機構的動作，完成大臂伸縮和大臂俯仰、小臂伸縮和小臂俯仰、噴射頭刷動和擺動等功能。

（3）遙控

單片機掃描到控制量后，將其編碼，從另一個管腳送至發送模塊。通過天線由接收端接收。單片機給出的直流電經過振蕩器轉化為一定頻率的電信號，然后送至功率放大器，經過功率放大器提供的射頻輸出到天線。作為接收端，信號通過低噪聲放大器，經由混頻器后，濾波，再放大，最后解調產生數字信號傳送至單片機，單片機解碼后產生電信號，以電控的方式驅動比例閥實現對流量的截留控制。遙控部分應該包括機械手大臂、中臂和小臂的動作，噴頭的動作等。

（4）人機交互

在發動機、液壓主回路部位安裝傳感器，采集發動機轉速、冷卻水溫度、液壓油溫和壓力信號，將信號實時顯示在顯示屏上，超過一定工作范圍進行報警。在機械手關節位置安裝姿態傳感器，采集各關節的位置信息，便于遙控操作的實現。

圖1 濕噴臺車控制系統架構

2 控制參數的確定

濕噴臺車控制系統是基于PLC來實現的，肖海紅等[7]、王品[8]、張海峰等[9]在PLC的基礎上進行濕噴機控制系統的設計與開發，取得了一定成果。本文關于濕噴臺車控制系統的設計也是基于PLC的，參數包括進入PLC的部分和不進入PLC的部分，對進入PLC的參數進行分析。由于濕噴臺車行走不工作的特性，本文只考慮工作狀態時的輸入輸出情況，也就是泵送系統和機械手系統的輸入輸出。輸入參數如表1所示。其中輸入包括12個開關量，9個模擬量。開關量的輸入由操作面板上的按鈕來實現，模擬量主要是傳感器的輸入，由操作人員監控機器的運行情況，并做相應的處理等。

表1 輸入參數及其功能描述

輸出參數如表2所示。其中輸出包括18路PWM輸出，17路PWM用來控制實現機械手動作的負載油缸，1路用來控制主泵輸出排量。有15路開關量輸出，實現電機啟動、添加劑泵啟動、主泵啟動、正泵/反泵、攪拌啟動的邏輯功能；指示燈信號輸出用于顯示運行狀態，包括電源、泵送、攪拌、反泵4個狀態；卷纜馬達電磁閥輸出是為了便于收取電纜，實現放纜靠拖拽、自動收纜的功能；散熱繼電器輸出是防止液壓油溫過高，造成系統工作失常。有1路模擬量輸出，可實現在工作過程中添加劑量的控制。運行參數即濕噴機的工作狀態可在顯示器上顯示，便于工作人員對各種工作情況的處理。

表2 輸出參數及其功能描述

3 控制系統流程圖及應用情況

3.1 軟件設計流程圖

采用Codesys V2.3進行編程，編程語言符合IEC61131-3標準。下面就濕噴臺車控制系統的泵送控制和機械手控制進行分析，給出相應的程序流程圖并做簡單說明。

泵送控制的程序邏輯流程如圖2所示，由圖可知，泵送控制程序包括泵送控制和攪拌控制，泵送控制分為手動控制和自動控制，手動控制主要是油缸點動實現泵送，自動控制通過對傳感器采集的泵送液壓油壓力和行程開關信號處理，完成泵送油缸和S管閥導通狀態的循環運動。主程序通過對外部開關信號的輸入，實現泵送模塊各部分的啟停。

機械手控制的程序邏輯流程如圖3所示，由圖可知，機械手控制分為手動和自動控制兩種模式，手動控制主要是操作人員根據待噴面的位置，通過操作面板或者遙控手柄，對機械手各關節的運動進行控制，使機械手末端到達指定工作位置，完成噴射任務。自動模式是控制器采集噴射面位置信息以及機械手各關節狀態，進行規劃路徑，通過進行運動學逆解得到各關節的運動情況，然后調整各關節執行機構所對應的控制電路所輸出的信號，完成機械手的自動噴射，自動噴射過程中對于外部的控制信號，也能及時反應。

圖2 泵送控制程序邏輯流程圖

3.2 控制系統應用情況

通過對激光掃描所得的隧道輪廓進行分析計算，精確監測待噴面的超欠挖情況，得到一條實際輪廓線，根據濕噴機的施工工藝要求，規劃出一條機械手運動軌跡。應用CoDeSys軟件，編程實現泵送系統相關電機、馬達和閥，機械手比例閥組的控制，控制方法采用PID控制。設計一套監控界面，監視運行參數，并可實現與控制器之間的通信。

控制系統設計最終目的是為了達到最佳噴射效果，最佳效果受著種種因素的制約。在混合料最佳配合比及骨料粒度確定之后，主要是有適當的噴射距離，噴射角度及噴射速度。最佳距離一般為0.8～1 m，此時噴射的回彈率比較小；濕噴角度：噴頭應保持與受噴面垂直，若受噴面被格柵、鋼筋網覆蓋時，可將噴頭稍加偏斜，但不宜小于70°，此時噴射的回彈率較小；對于噴嘴的移動路徑，為了降低回彈率和表面較光滑的噴射面，采取“S型”噴射的噴嘴移動方式。按照控制系統設計的要求，將泵送系統和機械手系統的功能實現，可以達到最佳噴射效果的目的。

4 結束語

介紹了濕噴臺車控制系統的主要研究內容，并對濕噴臺車的輸入輸出做了一個詳細說明。對于濕噴臺車的控制系統設計，在開始編程之前應該將所有要考慮的內容點都要囊括進去，為濕噴臺車控制系統后期的編程任務以及實驗做好鋪墊，一個基本上完備的控制系統，可以減輕后續工作的任務量，否則由于控制系統設計的不完善，會引出很多麻煩。本文針對濕噴臺車泵送系統和機械手控制給了程序流程圖，邏輯上可以滿足控制系統的設計需要。

圖3 機械手控制流程圖