自动化与电液控制（通用3篇）
自动化与电液控制 篇1
摘要：为提高平地机的作业效率和精度, 提出一种平地机自动找平电液控制系统, 给出系统工作原理、总体结构、软硬件设计以及铲刀液压系统设计。使用该系统可使平地机按照预设基准, 自动调节铲刀位置, 获得理想的施工质量。自动找平系统具有精度高、操作简单直观、效率高等优点。采用电液控制系统使整个系统的结构更加紧凑合理, 同时也提高了系统及功能的扩展性。
关键词：平地机,自动找平系统,电液控制
0 引言
平地机是一种平整场地、路面的机械。其铲刀安装在一个可水平回转、垂直摆动和横向伸缩的机架上, 通过控制液压油缸的动作, 控制铲刀升降、回转、倾斜、引出, 以及铲刀角度变换。由于需要根据平地机行驶状况不断调整铲刀使路面平整, 因此对操作员的技术要求很高。随着电子技术的发展, 自动控制系统在现代工程机械中的应用越来越广泛。自动找平控制系统对于提高平地机作业效率、整机性能等都具有很重要的作用。本文提出一种基于嵌入式的平地机自动找平控制系统。
1 平地机自动找平系统工作原理
自动找平系统一般由检测装置、执行装置和工作装置几部分组成。检测装置主要包括纵向传感器、横向传感器、控制器;执行装置包括电液比例阀、找平液压缸、牵引架;工作装置即平地机铲刀。
纵向传感器安装在铲刀一端的背面, 用于检测铲刀一端在垂直方向上与基准的偏差。当路面不平引起铲刀上下移动时, 纵向传感器就会感知这一变化, 并将这一变化处理成电信号进入控制器。横向传感器安装在平地机牵引架上, 用于检测铲刀的横向坡度的变化, 工作原理同纵向传感器。控制器将检测到的偏差信号与给定信号进行差动放大后, 输出一个根据偏差信号变化而不同的脉冲信号进入电液比例阀。
电液比例阀与液压系统的油路相通, 根据脉冲信号控制开关时间的长短, 从而控制2只找平液压缸的升降。2只液压缸中, 1只跟踪纵向高度, 控制铲刀设置基准一侧的升降;另1只跟踪横向坡度, 控制铲刀另一侧的升降, 以保证给定的斜度。液压缸的上下移动通过牵引架的机械动作调整铲刀的位置, 从而消除这种偏差, 使铲刀始终处于预先设定的位置, 达到路面的平整度要求。
2 自动找平系统总体设计
自动找平系统的核心任务就是通过控制电液比例阀实现油路的通断和方向转换, 通过控制找平油缸的升降来达到控制铲刀位置的目的, 同时要保证平地机能够按照基准值进行精确平整。铲刀的转动角度、整机的纵向坡度、铲刀相对水平面的倾角状态以及作业路面基准等要素, 根据平地机的结构特点及液压系统特性进行检测。通过CAN总线将所有的检测数据都传送至主控制器。由主控制器处理后显示在操作面板上, 根据操作面板上的信息和施工的实际要求, 操作人员可以对各项参数进行设置和调整, 最后由主控制器输出PWM信号控制电磁阀开关时间的长短来升降液压油缸、调整铲刀位置, 实现平地机的找平自动化。
如图1所示为自动找平控制系统的结构框图。该控制系统包括测量铲刀位置参数信息的传感器、控制铲刀油缸的电磁阀、接收传感器采集的实时信息的主控制器、设定系统工作参数及显示铲刀的实时位置参数信息的操作面板。传感器节点通过CAN总线与主控制器相连, 主控制器的信号输出端与电磁阀的信号输入端相连, 电磁阀与平地机的液压系统相连。通过这种自动找平可以提高平地机铲平地面的平整精度, 施工效率显著提高, 节省原材料, 可将人为的错误判断和测量所导致的施工误差降到最低。
3 铲刀液压系统介绍
液压系统用于驱动铲刀运动和变换位置, 同时要保证铲刀的位置能够在较大范围内调整。平地机工作装置即铲刀 (又称刮刀) 的动作由多个执行元件驱动, 包括铲刀回转液压马达、铲刀引出液压缸、1对铲土角变换液压缸、铲刀摆动 (即侧移) 液压缸以及左、右铲刀升降液压缸, 并有一系列多种类电磁控制阀来控制液压缸。其中起找平功能的执行元件是左、右铲刀升降液压缸。自动找平系统的平地机, 是将自动找平液压控制系统并联到控制左、右升降液压缸的液压系统上。
该自动找平系统通过中央控制器输出控制指令来驱动比例阀, 将自动调平系统对铲刀的控制模型和控制算法嵌入到平地机的中央控制器中, 并将由传感器检测到的铲刀高度、横坡等数据信号反馈到中央控制器, 形成了闭环反馈控制系统。
4 主控制器硬件设计
自动找平系统的主控制器硬件采用核心板加底板的形式, 这种形式提高了设计的应用性和灵活性, 便于二次开发。核心板包括S3C2410处理器、2片32M的SDRAM、64M的Nand Flash、12MHz系统外部时钟源和32.7628k Hz的RTC时钟源, 具有功耗低、数据处理速度快、片上资源丰富等特点。核心板通过外围电路与各种硬件设备相连。底板主要由电源电路、外围电路、各种接口电路 (包括以太网接口、串口、USB接口、JTAG接口、CAN接口等) 组成, 主要实现处理器和各种外围设备的连接功能。控制器硬件结构设计如图2所示。在平地机自动找平系统中设置了7个开关量输入:自动/手动切换键、设置键、确定键、横坡区“增”键和“减”键、纵坡区“增”键和“减”键, 通过这7个按键来设置系统工作参数和工作状态, 实现系统的精确控制。
自动/手动切换键设定系统的工作状态, 属于交替切换, 即非自动状态则为手动状态。设置键用来分别设置横坡区、纵坡区的窗口值和灵敏度, 配合相应的“增”键和“减”键调节平地机当前的工作精度, 满足不同的施工要求。“增”键、“减”键在自动状态时, 配合设置键来设置系统的工作参数;在手动状态时可通过按键直接控制铲刀两端的升降。参数设置完成后, 按下确定键, 存储所设定值, 返回到正常显示状态。
程序运行过程中, 当开关按键闭合时, 调用其相应的中断程序段执行相应的命令。
5 主控制器软件设计
嵌入式操作系统在目前的嵌入式应用中被越来越广泛地运用, 尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得尤为重要。本系统嵌入式微处理器采用S3C2440, 基于ARM920T内核, 综合考虑操作系统的硬件支持性、开发工具的支持程度等因素, 选用Linux作为嵌入式操作系统。
嵌入式Linux系统的开发过程主要有:
1) 建立开发环境。本系统的开发过程中, 宿主机通过虚拟机VMware安装Ubuntu 7.10, 交叉编译工具链使用arm-linux-gcc3.4.1, 主机和目标板通过串口、以太网连接。
2) 引导程序Bootloader的移植。系统上电后, 需要运行Boot Loader来进行初始化硬件设备、准备好软件环境, 最后调用操作系统内核。
3) Linux内核移植。内核移植就是选择一款版本合适的Linux内核源码来进行重新剪裁、配置和编译, 生成一个内核映像文件, 最后把该映像文件烧写到目标平台中。
4) 文件系统移植。在Linux系统中, 所有的文件和设备都是以文件的形式来管理的, 而根文件系统是所有文件和设备节点的起始点。本系统使用Busybox制作cramfs文件系统。
5) 编写相应的驱动程序。本系统的驱动程序主要包括按键驱动、LCD驱动、CAN接口驱动以及I/O驱动。
6) 编写相应的应用程序, 包括液晶显示、按键输入、控制信号输出。
6 智能传感节点设计
平地机自动找平系统作业时, 现场电磁干扰是影响系统控制精度的重要因素。本系统将主控制器与传感器分开来, 传感器节点负责路面信息的实时采集和传送, 主控制器负责数据处理。智能传感器节点采用单片机PIC16F877A作为控制器, 外加标准的CAN接口, 通过CAN总线传输数据, 最大限度地缩短模拟信号的传输距离。智能传感器节点结构框图如图3所示, 传感器采集到的模拟信号经过调理和转换, 再经单片机A/D转换成数字信号通过CAN总线传输至主控制器。
7 系统控制策略
由于平地机的控制精度与行驶速度、发动机的转速、负载能力等各种因素都有关系, 对此建立比较精确系统函数模型较为困难。因此选择采用一种较为简单、快速且不需要精确系统函数模型的控制方法有助于提高平地机的实时控制。模糊控制没有精确的系统函数模型, 单独使用时不易消除稳态误差, 因此建议采用模糊控制与经典PID控制算法相结合, 通过模糊控制实时修正PID参数, 尽可能提高系统的控制精度和鲁棒性及其实用性。
8 结语
本文设计的平地机自动找平电液控制系统可使平地机按照操作员预先设定的纵坡及横坡值进行自动控制, 保证平地机按照所要求的设定值进行精确平整, 该系统具有精度高、操作简单、效率高等优点, 能明显减轻操作人员的劳动强度, 具有一定的现实意义。
参考文献
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自动化与电液控制 篇2
关键词：电液控制系统,播种机,控制器,仿形传感器,播种深度
0 引言
上海海丰现代农业有限公司自主研发的2BDF-33型宽幅折 叠式多功 能水直播 机 , 专利号为201120279911.4。该机配套动力55.1 k W (75 hp) , 工作幅宽8 m, 行走宽度4 m。作业功能集平田、播种、开沟、作畦、塌谷和理水6道工序于一体, 生产率600~675 hm2/h (40~45亩 /h) , 是普通水直播机作业效率的6倍以上。其具有省工、省水和降低劳动强度等特点, 非常适合于大规模的水稻种植。近几年, 此项技术在海丰农场推广应用面积共计1.1万hm2 (16万亩) , 虽然在江苏、上海周边地区大中型农场有广阔的应用前景, 也取得了良好的经济、社会和生态效益, 但是在发展迅速的精准农业的大背景下, 该播种机仅靠人工目测判断和手动操作来控制播种机与地面距离的缺陷越显突出。人工目测疲劳和操作精度低等因素, 导致播出的田块出现明显的波浪形且播种深度不一致, 一定程度上影响了播种质量和播后的水层管理。
为解决以上问题, 笔者研究出一套方案, 适用于约翰·迪尔754型拖拉机 +2BDF-33型宽幅折叠式多功能水直播机的电液自动控制系统技术方案。该系统适用于流量40~70 L/min的定量液压系统, 通过电液自动控制系统实现非视觉控制手段代替操作人员的目测判断能力和手动操作, 从而能够自动、精确地控制播种机与地面的距离。其优点是既提高了播种质量, 又减轻了驾驶员劳动强度, 达到了操作自动化、播种精准化和轻松驾驶的效果。该方案的研究成功有力地推动了海丰现代精准农业的发展进程。
1 电液自动控制系统的组成及工作原理
电液自动控制系统主要由播种机仿形传感机构、控制器和直流电动推杆等组成。电液自动控制系统工作原理示意如图1。
1.1 播种机仿形传感机构
1.1.1 播种机 浮动仿形传感 机 构的 组成
播种机浮动仿形传感机构主要由浮子、弹簧、导轨孔、挡板、连杆和角位移传感器组成。
1.1.2 播种机械 浮动仿形传感 机构 的工作 原 理
仿形传感机构带角度传感器, 可利用电液提升系统保持播种机的离地高度恒定, 以提高播种质量。当高低不平的土块将浮子1抬起或落下时, 地块对浮子1产生的作用力与弹簧2的压缩力形成一对作用力与反作用力, 使得连杆5的杆件在导轨孔3中频繁地上下滑动, 连杆5产生连杆动作, 此时角位移传感器6将检测到连杆5以两个连杆交接处为旋转点的旋转角度, 并将这一信息传递到角位移传感器的轴上, 带动与之相连的铁心, 改变线圈中的感应电压, 输出与旋转角度成比例的电压, 进而通过电压变化实现对角度的变化控制。经过控制器自动调节来控制拖拉机液压系统, 实现力调节、位调节、力位综合调节、快升快降和最高位置设定等功能。播种机械浮动仿形传感机构的工作原理示意如图2所示。
1.浮子 2.弹簧 3.导轨 4. 挡板 5.连杆 6.角位移传感器
1.1.3 播种机械 浮动仿形传感 机构 的技术要 求
(1) 弹簧压力合适。
(2) 导轨孔和杆件间隙小于0.1 mm。
(3) 挡板的作用是防止浮子漏下, 其位置要求与导轨孔的距离小于弹簧压缩量。
(4) 两个连杆的交接处要求能相对滑动。
1.2 控制器
控制器将面板与控制器合二为一, 控制面板说明如图3所示。
1.四位悬挂操纵杆 (主开关) a.运输, 上升 b.暂停 c.自动调节 d.快速下降 (自复位) 2.减振按键 3.悬挂位置设定 4.顶端位置设定 5.故障代码显示 6 .下降速度设定 7.力位综合, 百分比设定 8.耕深显示 9.上升、下降指示灯
1.3 直流电动推杆
直流电动推杆带位置反馈, 可以实现拖拉机的位调节和极限位置设定等功能。本方案选用赫思曼生产的12 V、120 N直流电动推杆 (如图4所示) , 行程完全满足754型拖拉机要求。直流电动推杆又名直线电机, 可推可拉, 断电自锁。自带电位器, 到达极限位置后自动断电。通过程序设置可以控制电动推杆的动作范围, 可限制直流电动推杆的最大电流, 防止烧坏电机。
2 宽 幅折叠式多功能水直播机采用电液控制系统的优势
液压支架电液控制系统设计与应用 篇3
关键词：液压支架,电液控制系统,工作原理,煤矿生产
0 引言
液压支架是现代煤矿开采的重要工具, 它的出现解决了采煤工作面的支护问题, 是综采技术区别其它回采工艺的重要标志。液压支架使工作面全部机械化成为现实, 大大提高了工作面的回采效率和速度。传统的液压支架移动是个复杂的过程, 移动时首先要对液压支架进行降架, 然后由采煤机通过刮板机拖动液压支架向前移动。由于液压体积越来越大, 依靠采煤机移架, 速度太慢。在传统液压支架的基础上设计了液压支架电液控制系统, 大幅度提高了工作面生产效率, 改善工人的作业环境。通过综合运用机械、电子技术和信息技术, 实现液压支架和采煤机自动控制, 实现液压支架跟随采煤机自动移架, 拥有单架、成组和跟随采煤机机移动的功能, 能实时与地面控制站通讯并可以实现远程控制。
1 液压支架电液控制系统构成
电控液压支架控制系统如图1所示, 系统主要由三部分组成:计算机构、控制机构、执行机构[1]。其中地面计算机负责传输信号的处理及发出动作指令。井下交换机、巷道主机、网络终端负责采集信号, 信号传输采用工业以太网。耦合器的作用是进行电隔离防止传输信号对控制系统的干扰。控制机构由传感器、隔离控制器、支架控制器组成, 其中的传感器负责采集液压支架的压力和位置信息并反馈到控制器, 隔离控制器的主要作用是防止液压支架之间的动作相互干扰。执行机构是电磁阀控制组, 通过电磁阀的动作控制液压支架的动作, 控制液压支架的升降。支架控制器之间采用CAN总线通信, 实现综采设备数据上传与下载。通过以上各部件的协调动作达到对液压支架的自动控制。
2 液压支架控制器设计
液压支架电液控制系统主要由控制机构、检测装置、信号传输装置和执行装置四部分组成。控制机构是整个液压支架电液控制系统的核心, 它完成对液压支架的各种动作控制, 如邻架控制、单架远程控制、成组手动同步控制、成组自动异步控制。控制过程的实现主要通过控制器的微处理器接收各种传感器传递过来的液压支架状态信号, 并根据相应状态发出相应指令。由于在传输过程中信号类型不一样, 需要对信号的类型进行转换。为了便于传输和抗干扰, 提高信号的可靠性, 在信号传输时需要采用不同协议。
液压支架电液控制器硬件结构如图2所示, 主要包括微处理器、数据输入模块、输出模块、操作模块和外围控制电路。控制器处理器采用工业微处理器保证控制器反应的可靠性和灵敏性, 可以根据控制端口需要情况选择处理器, 一般采用单片机, 在特殊情况下可以选用工业PLC。电源采用开关电源输出稳压313 V, 电源自带滤波电路, 保证电源供电质量可靠, 可有效控制电磁干扰, 保证输出信号的高精度;I2C存储器用于存放系统运行的重要信息, 如故障记录、人机交互指令等。
数据采集单元功能是将采集的液压支架状态信息如支架压力、支架位移、采煤机位移, 并转化为特定的电信号传递给微处理器。通信模块作用是与相邻的液压支架进行通讯, 可以相互交换状态信息, 达到液压支架的成组控制和一致动作。电磁驱动单元的功能是依据本架或邻架控制器发出的动作指令, 通过电磁驱动电路来控制电磁阀的动作, 驱动单元可实现多路信号输出, 并对驱动电路进行在线检测。在人机交互单元中带有键盘和液晶屏, 便于操作者及时控制液压支架, 完成对控制器实时有效监控, 可以实现液压支架成组自动控制、就地闭锁、紧急停止等功能[2], 还可以根据生产的需要实时调整控制参数设, 使系统更加灵活和通用。
2.1 采煤机位置检测设计
采煤机位置检测设计如图3所示, 采煤机位置检测系统主要由红外发射模块、红外接收模块、微处理器、接口模块组成。液压支架要根据采煤机的位置进行移动, 所以必须实时检测采煤机的位置信息。在采集采煤机的位置信息时, 通过发射红外测定液压支架与采煤机的距离。在测距时微处理器通过编写程序产生固定频率的脉冲波信号, 并以此作为红外信号的载波信号进行调制, 经过信号的调制之后的测距信号通过红外发射模块发出。红外接收模块负责接收反射回来的红外信号, 并将接收的信号传递给微处理器, 微处理器经过解调判断出采煤机的位置, 将位置信号传递给通信模块, 控制器接收到相应的位置信息发出相应的指令进行动作。
2.2 巷道主机设计
巷道主机是实现电控液压支架在线远程操作的核心部件。巷道主机是一台工业型计算机, 主要由主板、显示器、外围电路、接口、存储器、外设设备组成及带有本安型隔离器。系统采用AC90 V~AC250 V电源供电, 为了保证电路的可靠性, 采用DC5 V~DC12 V本安电源模块对隔离电路和安全栅供电, 显示器与主板则采用DC12 V开关电源供电。控制计算机的主板通过隔离器型本安接口连接的鼠标键盘等外设设备相连, 实现液晶显示器的人机交互。外存采用大容量硬盘, 用来存放和接收数据及安装监控软件和存放系统。
2.3 网络传输设计
高质量的通信网络是综采液压支架实时在线监控的前提条件, 由于井下工作环境恶劣, 电磁干扰非常强烈, 信号传输的可靠性需要得到保证。现场总线技术无法满足数据传输稳定性和高速性的要求, 采用工业以太网技术。在井下一般采用10/100 Mbit/s的网络与主机网络连接, 通过以太网传输可实现数据高速实时传递。在传输距离较短时可以采用总线技术进行通讯, 例如工作面主机同液压支架及有关配套设备采用CAN总线通讯[3]。支架控制器之间采用双工串行通讯, 信息发送方式平衡稳定, 接收采取差分方式, 使得网络具备较强的抗电磁波干扰能力。串行总线的优点是实现点对点通信, 保证信号传输的可靠性, 但是由于电压的限制, 传递距离较短, 通常只在12 m范围内有效。通过制定有关控制字与帧的格式保证通信性能可靠, 通常为与煤矿井下环境适应, 会在液压支架电控系统中的控制器的全局运用CAN总线, 其具有完善的总线仲裁和错误检测等功能, 与井下应用层的通信协议相匹配。
3 电液控制的应用
主机的操作系统是PC104环境下的Linux操作系统Red Hat9.0。监控软件运用Linux系统下GTK+工具开发的用户界面, 通过读取数据库的信息并在前台显示, 能读取缓冲文件后台数据, 实现前后台分工并行操作。显示器监控软件能显示采煤机的实时位置、支架位置及支架的工作状态等, 可以通过设定的状态与液压支架的现有状态对比, 查看液压支架工作状态是否正常。软件运用双色LED灯模拟形式将自动补压、自动推溜、自动移位情 (如自动升、自动降、自动移动等) 、网络通信等显示出来, 同时将错误详细信息显示在状态栏中[4], 实现地面下液压支架作业状态实施监控。
4 结语
随着科学技术发展, 煤炭开采的技术取得了飞速发展。液压支架的控制逐渐由传统手动控制向新的智能化电液控制转变。主要介绍了液压支架电液控制系统组成及基本的硬件电路设计, 主要包括支架控制器设计、采煤机位置信息监测、网络系统设计等, 对控制系统中硬件电路的设计进行简单说明, 对煤矿工人普及液压支架电液控制的基本知识具有重要的参考价值。
参考文献
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