挖掘机数字化控制实验平台构建

何 彬， 管会生

(西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

随着控制技术的进步，工程机械控制系统近年来发生了巨大变化，出现了基于现场总线技术的先进控制系统[1]。根据人才培养和教学科研的需要，为了使本科工程机械专业学生能更好地学习和了解先进的控制技术，为此设计了挖掘机数字化控制实验平台，该平台由基于CAN总线的人机交互界面自动化控制系统和基于ZigBee技术的自组网远程数字化控制系统组成。该挖掘机的液压控制系统可以实现自动与手动切换，便于实验安全进行。通过实验证明该系统稳定可靠，操作方便，能快速准确地完成遥控控制和自动化控制。在此平台基础上开设实验，能激发学生学习兴趣，提高学生分析和解决工程技术问题的能力，提升学生综合应用能力和实际动手能力[2-5]。

1 挖掘机控制系统

挖掘机的控制系统主要由无线开发系统、人机界面交互系统、嵌入式控制系统、CAN总线通信系统、传感器系统、液压系统、挖掘机执行机构等子系统组成[6-8]，如图1 所示。

图1 挖掘机控制系统框图

挖掘机各个子系统间相互协调，相互补充，构成一个不可分割的统一体。同时各个子系统间又可以相对独立地控制挖掘机，实现不同实验要求的控制。

1.1 挖掘机电液控制系统

数字化挖掘机液压系统是手动、电控共存油路系统，其电液系统如图2所示。挖掘机的工作油缸包括动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸，行走马达包括左行走马达、右行走马达和回转马达。液压泵为挖掘机工作装置提供工作油，电控阀是按照指令对油缸或马达等液压驱动装置分配工作油实现具体动作[9-10]。

图2 挖掘机手动与自动切换液压系统原理图

1.2 嵌入式人机界面控制系统

嵌入式主控系统负责挖掘机数字化控制平台的本地控制，包括外部信息采集处理、输出控制、简单动作、复合动作、发动机控制等;同时还负责挖掘机电控系统与计算机软件的数据信息处理与交换，以及计算机软件控制的执行。嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应于对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

人机界面采用某公司生产的MiniHMI-1000先进组态式人机界面系统。该人机界面通过组态软件HDS(HMI Developer Suite)进行项目开发，功能齐全、稳定可靠。同时此款人机界面允许运行用户输入的脚本程序，使人机界面工程设计更加灵活。人机界面内置的CAN总线接口，符合CAN 2.0B标准。CAN收发器符合ISO11898-2标准，通信速率最高可达1Mb/s，可支持iCAN、CANopen、DeviceNet等通信协议。

1.3 CAN 总线

CAN总线模块负责挖掘机数字化控制平台嵌入式主控系统对各种执行机构的控制输出，以及将各种外部信息收集并传输到嵌入式主控系统。由于CAN总线底层协议没有规定应用层，有必要建立基于CAN总线的应用层协议。iCAN协议(Industrial CAN protocol)为基于现场总线CAN-bus的应用层协议。iCAN协议为工业控制应用领域提供了一种简单可靠，易于开发的总线系统[11-13]。

iCAN系统的目标就是解决用户在CAN-bus应用领域中的通讯控制或者数据采集问题。本挖掘机总线使用的是iCAN模块，包括iCAN-4050数字量输入输出模块，iCAN-4017模拟量输入模块，iCAN-4400模拟量输出模块，iCAN-7202计数/测频模块。挖掘机iCAN协议总线模块组成如图3所示。

1.4 传感器系统

传感器是能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。挖掘机数字化控制平台使用的传感器主要有压力传感器、角度传感器、温度传感器、拉线传感器。压力传感器分别测量前泵液压油压力、中泵液压油压力和机油压力，角度传感器测量底座回转角度，温度传感器测量水温和油温，拉线传感器测量铲斗、斗杆、大臂和偏转液压缸伸缩位移值。

拉线传感器输出信号为4～20 mA标准工业信号，对应于测量范围0～800 mm;回路串接100 Ω(1‰精度)电阻。接入iCAN-4017 ID3模块，iCAN-4017模块已经被设置每一路测量范围为±2.5 V;由于是16 bit精度，最高位为符号位，所以测量范围对应为－32768～32768。以此得出传感器输出范围为0.4～2 V;对应十进制值为5243～26214之间，最小值对应于0 mm距离，最大值对应于800 mm距离。电路图如图4所示。

图3 挖掘机iCAN协议总线模块组成图

图4 拉线传感器等效电路图

1.5 遥控无线系统

计算机远程软件负责挖掘机远程无线遥控。包括挖掘机外部信息处理显示，简单动作控制、复合动作控制、发动机控制等[14-15]。

挖掘机数字化控制平台无线网络是基于ZigBee的远程监控。Zigbee技术是一种在 900 MHz及2.4 GHz频段的无线通讯协议，底层基于 IEEE 802.15.4标准。它的特点是低成本、低功耗(五号电池半年到1年)、低数据率(250 kb/s)，网络结构优良。

自组网网络协议是一款遵循无线Mesh网络协议的高层协议，自组网网络协议为复杂的ZigBee网络提供一个简单、可靠、智能的完整组网方案，同时，因为使用“对等网络”概念，功耗优化明显，冗余性能优异。

2 实验设计

2.1 人机界面自动控制实验

通过在嵌入式人机界面上编程实现对铲斗和斗杆电磁阀的控制，利用HDS编辑挖掘机人机控制界面，然后再编译程序，实现挖掘机的自动化、数字化控制。图5是编辑好的人机界面的一部分。

图5 人机界面视图

2.2 无线遥控实验

上位机用户软件通过MODBUS RTU协议与嵌入式人机界面进行通信，人机界面作为MODBUS从站，上位机模拟MODBUS主站，用户操作信息在软件内部按照既定的通信协议打包，再经过串口发送到无线传输设备PFWSN2410-I中，数据经过无线的方式被传送到另一个通过串口与人机界面相连的PFWSN2410-I，再经串口发送到人机界面的内存单元。人机界面程序读取内存单元中的数据，再经过人机界面程序解析后，通过CAN总线发送到iCAN4050模块中进行解析输出相应的电平信号，电平信号经过驱动电路驱动大电流继电器工作，开启或关闭继电器将使控制相应的电磁阀处于开启或关闭的状态。当某个电磁阀处于开启状态时，所属油泵油路经换向阀，然后通过开启的电磁阀，最后到达执行机构，通过液压作用原理，实现目标的相应动作。

实验证明，挖掘机控制系统能够达到实验目的，实现挖掘机的自动化、数字化控制，通过远端计算机能完成遥控，显示了该控制方法的优越性。

3 结语

本文设计的挖掘机数字化控制实验平台不仅能够通过人机交互界面实现自动化控制，而且能够通过远程计算机完成无线遥控。实验证明此系统具有结构简单、速率高、功耗低、应用可靠等优点，达到了预期目标，这为挖掘机的自动化、数字化、智能化的实现提供了基础。构建挖掘机数字化控制实验平台，能推进学校教学、科研，提高人才质量。

[1] 刘湘武.基于现场总线技术的先进控制系统[J].中国测试技术，2006，32(1):83-85.

[2] 王永红，余晓芬.传感技术课程的创新实践与开放实验平台[J].实验室研究与探索，2010，29(2):97-98.

[3] 刘 震，罗 欣.利用C/S网络模式构建远程故障诊断实验平台研究[J].教育教学论坛，2012，19:203-204.

[4] 胡 斌.基于机械工程师能力培养的机电液综合实训平台创制[J].实验技术与管理，2012，29(6):71-74.

[5] 王礼贵.大型精密仪器设备共享平台的建设与实践[J].实验室研究与探索，2011，30(3):188-190.

[6] 张 军，殷鹏龙，廖晓明.基于CAN总线的中型挖掘机电气控制系统设计[J].中国工程机械学报，2010，8(3):303-308.

[7] 陈 剑，魏振龙，刘宏伟.用数字化技术改造挖掘机的电控系统[J].露天采矿技术，2005(1):42-43.

[8] 陈欠根，李延伟，谢习华.基于嵌入式系统的挖掘机智能控制系统开发[J].机电工程技术，2006，35(10):35-36.

[9] 李正祥，胡 捷，许万源.数字闭环液压同步实验系统研究[J].实验科学与技术，2009，7(2):5-7.

[10] 金钟振著，李昌镐译.挖掘机[M].上海:上海交通大学出版社，2011.

[11] 周立功.iCAN现场总线原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社，2007.

[12] 何清华.基于CAN总线技术的挖掘机电子控制系统设计[J].机床与液压，2004(5):99-100.

[13] 洪 波，彭利军，张民生.基于现场总线的大型仪器运行动态管理系统[J].实验室研究与探索，2012，31(6):211-213.

[14] 翟延华.挖掘机遥控操作系统的研究[D].兰州:兰州理工大学，2008.

[15] 郑 磊，杨 梅，高见厂.挖掘机远程管理系统的研究与应用[J].建筑机械化，2011(9):37-38.