基于Codesys的筑路机械的测控系统设计

2018-07-27侯念荣

现代制造技术与装备 2018年6期

侯念荣

（山西省交通科学研究院，太原 030006）

Codesys是一种PLC软件编程工具，功能强大，支持多种PLC编程语言，在同一项目中，用户可选择不同语言对子程序及功能模块进行编辑，其在自动化工业控制软件系统中具有良好的应用价值[1]。就地热再生（HIR）工艺对路面进行修复时，主要依靠筑路机械来实现，能够将旧沥青路面一次性翻新成型，不会造成环境污染，因而受到社会高度关注。

1 基于Codesys的筑路机械的测控系统的组成

1.1 筑路机械的操作流程

在就地热再生机组中，当废料铣刨完成后，由筑路机械将其收集起来，添加新料后，于搅拌锅内充分搅拌，经由出料门将新料摊铺之路面，控制好新料摊铺高度，这是筑路机械操作的基本原理。

就筑路机械具体操作流程来看，首先要结合操作需求调整好筑路机械的具体位置，确保整机与出料口中心与正地面料条中心处于相对状态。然后，通过翻斗车将新沥青混合料置于筑路机械的受料斗内，为保证这一操作规范无误，应保持整机头部顶住翻斗车，以便于装料。放下加热器两侧的加热板，下放后应与道路表面相接近，启动加热系统。明确受料斗出料标定量，并严格依照表定量进行出料操作，于旧路料条上均匀撒布新料。

之后筑路机械匀速前进，将筑路机械的粉料装置下放，令料条有序摊铺，规范开展分料螺旋操作。在分料螺旋操作之后可进行集料螺旋操作，也就是说，地面上新料与旧料相融合后，适度下放集料螺旋，令混合料集聚，将集料倾斜输送刮板下放，令其与地面保持平行状态，刮板随着筑路机械的前行将地面刮净，至此完成整个收料操作。在搅拌锅内对新旧料进行二次搅拌，促使其充分融合，之后打开筑路机械的出料门，匀速输出混合料，令混合料均匀落至地面，控制好摊铺高度，以便加强质量控制。

1.2 筑路机械工作组成部分

就筑路机械工作组成部分来看，其主要包含四个方面。

1.2.1 加热组成

加热组成的运行模式为循环热封，通过加热炉、鼓风机、循环风机等的协调配合，完成整个加热操作。加热组成处于筑路机械整车前端位置，其主要负责对地面进行加热至标准工作温度，为后续各项工作的顺利开展打下良好基础。

1.2.2 工作组成

工作组成是筑路机械的重要组成部分，其承担着筑路机械动作的主要职责，其中包括循环风机、鼓风机系统、行走系统、输送系统与搅拌系统等，为筑路机械各项操作的实现提供可靠支持，其中变量柱塞泵、顶梁柱塞马达和液压缸主要负责执行筑路机械的相关操作，以保证筑路机械的规范运行，其中执行机构工作压力不可低于15MPa，不可超出25MPa，否则会影响筑路机械性能的正常发挥。

1.2.3 行走组成

行走组成主要通过实时监控筑路机械整车来维护筑路机械的稳定运行，以筑路机械整车运行速度为监控对象，通过速度传感器来实现监控，转速的输出是依靠闭环来实现的。与此同时，行走组成对筑路机械的前轮与后轮提出具体要求，必须为实心轮胎，一般以非驱动桥充气形态式实心轮胎作为前轮，而以双联驱动桥实心轮胎作为后轮，以确保筑路机械对路况具有良好适应性，从而提高筑路机械运行的稳定性。

1.2.4 辅助组成

在筑路机械工作过程中，辅助组成是指对整车中辅助工具进行操作，如前后照明灯、警示灯、操作台照明等，这些细节看似不起眼，实际上也关系着筑路机械运行及操作的稳定性与规范性。

2 基于Codesys的筑路机械的测控系统硬件设计

基于Codesys的筑路机械的测控系统设计主要由传感器、控制器、PWM输入输出等组成，就测控系统内部来看，系统间的协调工作主要是依靠控制器与触摸屏来实现的，基于Codesys的筑路机械测控系统框架如图1所示。其中不同控制器的职责不同，第一控制器的职责在于就发动机运行状态及参数进行管理，并做好行走控制和转向控制，除此之外还包括行驶速度、蓄电池电压等必要参数的检测工作。而第二控制器则主要负责加热器、粉料螺旋及搅拌机控制等方面的液压动作。

图1 测控系统框架

2.1 嵌入式PLC配置

基于Codesys的筑路机械的测控系统设计中，为提高硬件设计的合理性和可行性，需要做好嵌入式PLC配置工作[2]。在这一过程中，选用TTC200控制器，其功能强大，适用性良好，防护等级为IP65，工作温度适宜，具有良好的抗振动与抗冲击能力，符合筑路机械工作安全标准。TTC200控制器的CPU为MPC555K3 40MHz，控制器端子中包含模拟量输入、开关量/频率输入、PWM输出、开关量输出、模拟量输出和主板温度监控等。为满足通信要求，嵌入式PLC配置中集成了TTP总线和CAN总线，分别为两路，以保证嵌入式PLC配置的可行性。

2.2 触摸屏配置设计

基于Codesys的筑路机械测控系统设计中，在触摸屏配置设计方面，以ST104V5T彩色图形高性能显示模块作为触摸屏，实际防护等级可达IP65，具有良好的振动冲击和电磁辐射效果，工作温度适宜，即便是在复杂环境中也具有良好适应性。该触摸屏以MPC823E 66MHz为CPU，具备32k数据存储空间，触摸屏端子包括C2、C3、C 4端口。

3 基于Codesys的筑路机械的测控系统软件设计

就基于Codesys的筑路机械测控系统设计来看，其软件设计主要包括PLC程序设计与触摸屏程序设计，基于CAN-Bus通信协议来实现稳定通信，整个测控系统设计是通过ST语言来控制筑路机械。

3 1TTC200软件设计

测控系统设计中，两个控制器的功能不同，分别负责筑路机械工作系统和机械运行状态与辅助系统的监控工作。负责筑路机械工作系统的控制其主要由五个部分组成，包括前加热器油与后加热器的油缸升降、后加热器自动、粉料螺旋油缸升降、集料倾斜输送油缸升降及受料斗开启。在这一方面，液压动作的检测需要多个DI端口来实现，受料斗输送新料及电动机的输送需要依靠AI端口来实现，受料斗电动机转速的检测需要通过DI端口来实现，这一DI端口应具备定时功能，以保证工作系统运行的稳定性。通过计算可知，在TTC200软件设计中，控制器涉及14个DI端口和1个AI端口，而油缸控制涉及18个DO端口，受料斗电动机转速需通过一个PWM端口来实现，并且PWM端口呈可输出状态。

3.2 TTCVision触摸屏软件设计

Codesys为触摸屏基本编程环境，就触摸屏的功能来看，其主要负责接收筑路机械的状态数据，并于触摸屏界面上实时显示出来，这些状态数据是由CAN总线上控制器所传送的。数据帧中包含相关命令，将数据帧发送至CAN总线，即可完成命令发送。由此可知，触摸屏功能的设定主要包含两个方面，一是循环运行主函数，以满足数据接收与发送需求；二是将可视化界面数据循环刷新，以实时显示筑路机械状态数据。就触摸屏主函数工作流程来看，当系统开启后，由时间标定模块出发，以更新系统最新时间，运行至发动机监控模块，将发动机相关状态准确显示出来，到液压动作控制模块，主要执行系统相关动作，比如控制前部加热器等，再到故障诊断模块，对控制器运行状态进行实时监测，最后到可视化模块刷新，重新刷新数据，之后返回至时间标定模块，至此完成整个循环[3]。

4 基于Codesys的筑路机械测控系统的通信系统设计

基于Codesys的筑路机械测控系统设计中，CAN总线属于串行数据通信协议，通过CAN总线来交换控制器与触摸屏之间相关数据，具有一定可行性。在液压控制过程中，第二控制器负责液压控制，通过对CAN总线初始化进行观察可以发现，第二个控制器中包含两个数据帧，分别负责数据接收和数据发送，均为待设定状态，格式比较标准。结合液压动作令相同数量的布尔值通过触摸屏后，及时录入液压动作控制界面按钮的检测结果，组合为字节后经由CAN总线传输到控制器，至此完成整个液压控制。筑路机械运行稳定性是通过将控制器状态数据作为依据由触摸屏实现判断的，就其整个过程来看，当CAN总线接收数据帧后，触摸屏判断其完整性，并将缓冲区暂存的数据帧依次读取至相关数值中，完成总线数据接收工作，之后对相关数据加以科学验证，即可完成本轮状态判断工作，明确所设计通信系统的稳定性与延时情况，确认其符合筑路机械测控系统设计标准。