一種三臂三籃鋼拱架安裝機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王騫 韓朋 馮彥坤 李冰 巨學(xué)飛 趙行

摘? 要：該文介紹了一種三臂三籃鋼拱架安裝機(jī)電控系統(tǒng)，3個(gè)臂可單獨(dú)作業(yè)也可交互作業(yè)。電控系統(tǒng)采用車載控制器作為控制核心，解決了單臂單籃和兩臂兩籃鋼拱架安裝機(jī)在施工中局限性大、對工作面適應(yīng)性不足的缺陷，提高工作效率的同時(shí)降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)快速高效的拱架拼裝施工。

關(guān)鍵詞：三臂三籃鋼拱架安裝機(jī)? 電控系統(tǒng)? 控制器? CAN總線

Abstract： This article introduces a kind of three-arm-three-basket steel arching installing machine which is a new-type tunnel construction equipment. These three arms can work individually and also can do interactive jobs. Vehicle controllers are used as the core in the electronic control system， and this fixes the limitations during construction and defect of work surface adaptation. By using this new-type machine， labor intensity is lowered and work efficiency is increased. Therefore， quick and efficient construction is realized.

在隧道工程中，軟巖和土質(zhì)隧道存在圍巖擾動(dòng)大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、支護(hù)困難、進(jìn)度緩慢的缺點(diǎn)，施工支護(hù)十分重要。傳統(tǒng)單臂單籃鋼拱架安裝機(jī)存在動(dòng)作簡單，無法適應(yīng)較大工作面，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度高等缺點(diǎn)。兩臂兩籃鋼拱架安裝機(jī)在提高效率和降低勞動(dòng)強(qiáng)度上有所改善，但對工作面的適應(yīng)性仍然不足。三臂三籃鋼拱架安裝機(jī)優(yōu)化了以上不足，在控制上更加完善，使操作更加高效便捷。

目前，國內(nèi)對鋼拱架安裝機(jī)的設(shè)計(jì)研究逐步加深，許多專家針對其施工中出現(xiàn)的問題進(jìn)行相關(guān)分析。文獻(xiàn)[1-2]分別分析了兩臂一籃、單臂等拱架安裝機(jī)的總體設(shè)計(jì)、后配套作業(yè)等，但對拱架安裝機(jī)核心的控制系統(tǒng)并未闡述。三臂三籃鋼拱架安裝機(jī)機(jī)構(gòu)繁瑣、功能多樣，對電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求很高。該文對研制的三臂三籃鋼拱架安裝機(jī)的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

1? 三臂三籃鋼拱架安裝機(jī)電控系統(tǒng)

1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該文所設(shè)計(jì)的拱架安裝機(jī)電氣系統(tǒng)分為控制器、輸入和輸出3個(gè)部分（見圖1）。

系統(tǒng)配置一個(gè)主控制器EPEC3724作為集中處理單元和4個(gè)從控制器HE203A分別控制各子系統(tǒng)。各控制器既獨(dú)立運(yùn)行，又交互數(shù)據(jù)，包括邏輯信息和模擬數(shù)值等。模塊化控制，有利于調(diào)試和問題處理。將集中控制和分散控制相結(jié)合，整體動(dòng)作的數(shù)據(jù)和邏輯控制由主控制器進(jìn)行輸出，獨(dú)立動(dòng)作則由從控制器處理。既保證了邏輯完整，實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)動(dòng)，又避免單個(gè)控制中心引發(fā)邏輯混亂問題，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，提高調(diào)試效率。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

隧道內(nèi)工作環(huán)境惡劣，對設(shè)備硬件要求高，如防水、防塵、防干擾及抗震動(dòng)等。為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定，該設(shè)計(jì)采用EPEC3724和派芬HE203A車載控制器。

EPEC3724是一款緊湊且堅(jiān)固耐用的控制單元，具有16/32位處理器，計(jì)算能力強(qiáng)。針腳共52個(gè)，具有短路保護(hù)且多數(shù)針腳多類型設(shè)置。HE203A也具有類似特性。兩者都可適應(yīng)高震動(dòng)、大溫度變化的惡劣環(huán)境，性能穩(wěn)定高效。

根據(jù)三臂三籃鋼拱架安裝機(jī)的工藝流程，在保留余量和擴(kuò)展功能的前提下，分配電控系統(tǒng)I/O，如表1所示。

1.3 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

控制器采用CAN總線實(shí)現(xiàn)相互通信、數(shù)據(jù)交換、程序上傳下載等功能。采用串聯(lián)總線方式，雙通道CAN，通信穩(wěn)定高效，如圖2所示。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

EPEC及HE203A控制器接收各自控制盒指令及傳感器信號，通過CAN總線實(shí)現(xiàn)信號及數(shù)據(jù)交互。按照功能特性，將其分成主控柜EPEC3724、主控柜HE203A、主臂HE203A、左臂HE203A、右臂HE203A這5個(gè)程序，每個(gè)控制器程序具有相似的模塊，功能清晰，便于調(diào)試，且操作簡單、動(dòng)作精確。

1.4.1 Heart_Beat心跳測試模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)通信在線監(jiān)測功能。各控制器通過指令塊形成0/1變化的數(shù)據(jù)串，即“心跳包”，并發(fā)送到總線上，同時(shí)接收總線上的心跳包判斷狀態(tài)。若為變化的0/1值，則通信正常，反之則通信故障并報(bào)警。

1.4.2 Analog模擬量模塊與Analog_Output模擬量輸出模塊

前者對模擬量電壓進(jìn)行雙向標(biāo)定，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量;后者對前者輸出值處理，結(jié)合閉環(huán)反饋，實(shí)現(xiàn)比例閥的閉環(huán)控制。

1.4.3 IO_Set數(shù)字量處理模塊與IO_Logic邏輯控制模塊

前者實(shí)現(xiàn)輸入輸出信號的格式轉(zhuǎn)化及輸出，后者實(shí)現(xiàn)各數(shù)字量信號的邏輯判斷。

1.4.4 Par_Save寄存器保持模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)相關(guān)寄存器信號的掉電保持功能，避免數(shù)據(jù)丟失。

1.5 底盤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三臂三籃鋼拱架安裝機(jī)底盤控制采用雙向駕駛，轉(zhuǎn)場便捷。底盤電控通過集成方向機(jī)實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)啟停、行走、車燈等控制。同時(shí)采用CAN總線實(shí)現(xiàn)儀表與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU通信，監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

2? 結(jié)語

設(shè)計(jì)中克服了諸如訊診斷、寄存器保持、模擬量轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)交互等技術(shù)難題，設(shè)計(jì)了邏輯互鎖、數(shù)據(jù)監(jiān)控及故障診斷報(bào)警等，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。該系統(tǒng)應(yīng)用于三臂三籃鋼拱架安裝機(jī)上，穩(wěn)定、安全、高效，提高了產(chǎn)品的競爭力。

該文設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)還存在一定缺陷，比如未采用HMI，人機(jī)交互不夠友好，后續(xù)將進(jìn)行優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1] 李艷.鋼拱架安裝臺(tái)車的設(shè)計(jì)與研究[D].河南科技大學(xué)，2011.

[2] 賴滌泉，汪西應(yīng)，王金祥.隧道安全快速施工機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2009（11）：107-113.

[3] 康寶生.一種新型隧道施工用拱架安裝機(jī)[J].隧道建設(shè)，2011（5）：624-628.