基于 EPEC 的履帶式移動破碎機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柳工美卓建筑設(shè)備(常州)有限公司 江蘇常州 213164

履 帶式移動破碎機(jī)是一種高效的可移動破碎設(shè)備，用于小型砂石骨料生產(chǎn)、尾礦治理、建筑垃圾回收等領(lǐng)域，集受料、破碎、傳送等工藝設(shè)備為一體，具有轉(zhuǎn)場移動靈活、現(xiàn)場布置方便等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)裝備的主機(jī)不同，常見的有履帶移動反擊式破碎機(jī)、履帶移動顎式破碎機(jī)、履帶移動圓錐破碎機(jī)等。為適應(yīng)客戶多樣化的破碎需求，可將不同機(jī)型組成一條破碎作業(yè)流水線，相對于固定式破碎生產(chǎn)線，它對控制系統(tǒng)的裝機(jī)適應(yīng)性以及自動化程度的要求更高。

1 控制原理

以履帶式移動反擊式破碎機(jī)為例，該設(shè)備采用柴油發(fā)動機(jī)驅(qū)動，其中破碎主機(jī)由分動箱上的離合器直接驅(qū)動，其余各分部件由分動箱上的液壓泵驅(qū)動。整套設(shè)備主要包括柴油發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)、反擊式破碎主機(jī)、振動給料機(jī)、主帶式輸送機(jī)、側(cè)帶式輸送機(jī)、磁選機(jī)、篩分機(jī)、中轉(zhuǎn)帶式輸送機(jī)、返料帶式輸送機(jī)以及成品帶式輸送機(jī)等，如圖 1 所示。

圖1 履帶式移動反擊式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of crawler mobile impact crusher

目前這種履帶式移動破碎機(jī)也有插電作業(yè)驅(qū)動形式，但靈活性較差，僅適用于可提供電力的場合。插電式破碎機(jī)的啟停控制流程與柴動力基本相同，因?yàn)椴簧婕芭c發(fā)動機(jī)的匹配，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對簡單。筆者以柴油發(fā)動機(jī)驅(qū)動的反擊式破碎機(jī)為例，闡述其控制原理。

反擊式破碎機(jī)的工作流程如圖 2 所示[1]。啟動設(shè)備作業(yè)時，應(yīng)首先啟動柴油發(fā)動機(jī)，待轉(zhuǎn)速提升至工作轉(zhuǎn)速后再啟動助力馬達(dá)，由助力馬達(dá)帶動破碎主機(jī)緩慢加速。因?yàn)槠扑橹鳈C(jī)轉(zhuǎn)動慣量較大，如果離合器直接嚙合驅(qū)動破碎主機(jī)，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熄火，所以當(dāng)破碎主機(jī)達(dá)到嚙合轉(zhuǎn)速后，控制離合器閉合，破碎主機(jī)轉(zhuǎn)由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動。破碎機(jī)啟動完畢后，再依次啟動成品帶式輸送機(jī)、中轉(zhuǎn)帶式輸送機(jī)、返料帶式輸送機(jī)、篩分機(jī)、磁選機(jī)、主帶式輸送機(jī)、側(cè)帶式輸送機(jī)，最后啟動振動給料機(jī)給料，此時設(shè)備啟動完畢進(jìn)入工作狀態(tài)。停止作業(yè)時，首先停止振動給料機(jī)給料，然后依次停止主帶式輸送機(jī)、側(cè)帶式輸送機(jī)、磁選機(jī)、篩分機(jī)、中轉(zhuǎn)帶式輸送機(jī)、返料帶式輸送機(jī)以及成品帶式輸送機(jī)，最后停止破碎機(jī)。按照上述優(yōu)化的啟停控制流程可以確保啟動時設(shè)備不卡料，停機(jī)時設(shè)備無余料。

圖2 履帶式移動反擊式破碎機(jī)工作流程Fig.2 Operation flow of crawler mobile impact crusher

2 硬件配置及架構(gòu)

目前國內(nèi)大多數(shù)工程機(jī)械設(shè)備已經(jīng)從最初的繼電器控制發(fā)展到了可編程控制器控制，但是傳統(tǒng)的破碎設(shè)備行業(yè)大多數(shù)還采用繼電器控制，其控制作業(yè)基本靠人工操作，智能化程度較低，因此筆者設(shè)計(jì)了一種采用 EPEC 車載可編程控制器的移動破碎控制系統(tǒng)。該控制器具備 IP67 級防塵防水性能，防護(hù)等級高；相對于傳統(tǒng) PLC，它具備更寬的供電電壓 12/24 VDC(8.5～33 VDC)，適合車載蓄電池供電使用；更寬范圍的工作溫度(-40～85 ℃)；具備過壓和短路功能；具有大功率的晶體管輸出(可達(dá) 3 A)，可以直接驅(qū)動液壓電磁閥開關(guān)，也可以通過 PWM 輸出直接控制電比例液壓閥[2]。相對于傳統(tǒng) PLC，節(jié)省了外圍輸出繼電器和比例閥的驅(qū)動板，使整機(jī)控制系統(tǒng)集成度更高，總成本更低，由于減少了中間繼電器等一些外圍器件，系統(tǒng)可靠性也得到了提高。

針對履帶式移動反擊式破碎機(jī)的控制點(diǎn)數(shù)，選用EPEC 系列 4602 控制器。該控制器具備 68 個 I/O 引腳，大多數(shù)引腳具備多種配置功能，如開關(guān) DI 輸入，脈沖 PI 輸入，開關(guān) DO 輸出，模擬 AI 0～5 V 或者 4～20 mA 輸入，以及 PWM 輸出功能，另外有 2 條獨(dú)立的 CAN 總線接口，支持 CANOpen 和 CAN2.0B 協(xié)議，可以和發(fā)動機(jī)控制單元 ECU 直接通信。選用支持 CANOpen 總線的 CoDeSys 平臺觸摸屏和無線遙控器，用于顯示整機(jī)運(yùn)行參數(shù)及遙控整機(jī)行走，并通過控制器的 I/O 端口控制其余設(shè)備啟停，同時檢測破碎機(jī)轉(zhuǎn)速，液壓系統(tǒng)的油溫、壓力等參數(shù)，可以滿足控制需求。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖 3 所示。

圖3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.3 Architecture of system hardware

3 控制器的配置

EPEC 可以通過官方自帶的 MultiTool 工具配置，相對其他 CoDeSys 平臺的控制器應(yīng)用簡單，容易入門。

(1)新建工程，選擇對應(yīng)的控制器型號 4602，加入發(fā)動機(jī) ECU SAE J1939 節(jié)點(diǎn)，如圖 4 所示。

圖4 CAN 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)Fig.4 CAN network configuration

(2)依次配置控制器 I/O 引腳的輸入輸出狀態(tài)，如圖 5 所示。

(3)選擇 J1939 選項(xiàng)卡配置與發(fā)動機(jī)通信的報(bào)文，具體含義參考各廠家發(fā)動機(jī)的協(xié)議。以東風(fēng)康明斯發(fā)動機(jī)為例，其源地址設(shè)置為 3，控制器發(fā)送發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制報(bào)文，并接受發(fā)動機(jī)反饋的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、機(jī)油溫度、壓力、DM1 報(bào)警等報(bào)文信息，可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行配置，如圖 6 所示。

(4)在對象字典里定義發(fā)送和接收的 PDO 地址，然后配置與顯示屏、遙控器的通信報(bào)文，如圖 7 所示。

(5)點(diǎn)擊 Project 下的 System Export 即可生成EPEC 的 CoDeSys2.3 框架工程文件，如圖 8 所示。由于篇幅有限，CAN 總線設(shè)置和控制器的診斷配置這里就不作詳細(xì)闡述。

圖5 控制器 I/O 引腳功能配置Fig.5 Function configuration of I/O pins of controller

圖6 發(fā)動機(jī) J1939 報(bào)文配置Fig.6 Message configuration of engine J1939

圖8 EPEC 的 CoDeSys2.3 框架工程文件Fig.8 CoDeSys2.3 frame engineering documents of EPEC controller

4 功率匹配算法實(shí)現(xiàn)

履帶式移動破碎機(jī)的核心控制程序主要有一鍵順序啟停控制、功率匹配控制[3]和相關(guān)故障診斷及人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)。其中功率匹配控制涉及到設(shè)備能否可靠連續(xù)運(yùn)行，如果功率匹配控制不好，會導(dǎo)致兩種情況發(fā)生：一是振動給料機(jī)給料量不足，導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)能降低；二是給料量過大，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)超負(fù)荷憋停。筆者設(shè)計(jì)了一種基于發(fā)動機(jī)負(fù)荷與振動給料機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)的模糊 PID 控制方法，根據(jù)樣機(jī)調(diào)試的相關(guān)數(shù)據(jù)，最終設(shè)定：當(dāng)給料量較小，發(fā)動機(jī)負(fù)荷持續(xù)小于 30%時，考慮到系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性以及避免給料機(jī)啟停過程中的共振，將給料振動馬達(dá)控制在 500 r/min(共振點(diǎn)大概在 300～400 r/min)；當(dāng)給料量較大，發(fā)動機(jī)負(fù)荷持續(xù)大于 90% 時，極有可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熄火，因此當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷持續(xù)大于 90% 超過 1 s，直接停止給料機(jī)給料 5 s；當(dāng)負(fù)荷在 30%～90% 時，綜合柴油發(fā)動機(jī)的負(fù)荷特性以及設(shè)備產(chǎn)能，應(yīng)維持在相對較高的負(fù)荷才能保持燃油系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，將發(fā)動機(jī)目標(biāo)負(fù)荷設(shè)定為 85%，并使 PID 自動調(diào)節(jié)給料機(jī)轉(zhuǎn)速，可以保證設(shè)備在不過載的前提下持續(xù)最大產(chǎn)能作業(yè)。

5 結(jié)論

通過分析履帶式移動破碎機(jī)的工作流程，利用Multitool 配置了 EPEC 控制器的端口和控制報(bào)文，并通過現(xiàn)場樣機(jī)調(diào)試獲得了發(fā)動機(jī)負(fù)荷與振動給料機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)的模糊 PID 控制方法，在柳工美卓最新生產(chǎn)的LMI1213S 樣機(jī)上取得了良好的應(yīng)用效果，對移動破碎設(shè)備的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。