沥青混凝土摊铺机作为公路施工的主导机械之一,其工作性能的优劣对施工质量的影响是显著的,同时由于它是边行走边作业的机械,其行驶性能对路面的平整度、初始密实度、离析程度都有着很大的相关性,因此加强对摊铺机行驶系统的研究以改善其工作性能是必要的,也是迫切的。
1 摊铺机行驶系统的发展
回顾摊铺机的发展历程,不难发现摊铺机的每一次革新都以行走装置的先进性为代表,从而带动
其它装置的技术进步。第一代摊铺机采用了拖式装置行走, 20世纪30~50年代的第二代摊铺机在双边钢轨上行驶工作; 50年代初Blow-knox生产了PF90型四轮驱动的自行式轮胎摊铺机; 60年代多数公司生产了履带式摊铺机,以解决在较复杂基层上摊铺机行走的问题;进入80年代,液压技术开始在工程机械上使用, ABG公司生产的TI-TAN411型其行走驱动装置采用了液压机械联合方式,需借助于左右侧的离合器和制动器实现转向,转向轨迹呈锯齿状,弯道摊铺质量较差; 90年代ABG公司又推出了TITAN422、423型全液压独立行走驱动系统,普遍采用双泵—双马达系统,左右两边可以联动实现前进/后退,也可以分别动作实现车辆的转向。由于避免使用离合器而减少了功率损失,更重要的是简化了行驶系统的结构,这种双回路液压系统成为摊铺机驱动系统发展的主流形式。摊铺机液压行驶控制系统开始采用的是手动操作,即利用手动控制阀控制变量泵和变量马达,达到行驶速度控制的目的。由于手动操作不能保证速度的精确性,无论在提高摊铺机的作业质量上,还是在简化操作、降低驾驶员的劳动强度上,都无法到满足。随着电子技术的应用,出现了电液控制系统,它兼备了电气和液压的双重优势,形成了具有竞争力的自身技术特点,这使得摊铺机机电液一体化程度大大提高,满足了作业质量不断提高的要求。
在摊铺机行驶电控系统技术的发展中,出现了两种类型的系统:模拟式电控系统和数字式电控系
统。模拟式电控系统出现在20世纪80年代,如V GELE1700、1704型摊铺机; 90年代以后出现了以数字计算机为主的数字式电控系统,如V GELE1800及LT1200、TITAN424及425等机型。目前摊铺机行驶系统普遍采用基于单片机的数字控制器,并起到较好的效果,如西筑公司GT-LY7500、LT1200型,陕建ABG422、423型摊铺机等。单片机控制既有其优势,同时也有诸多弊端难以克服,而目前PLC控制技术发展迅速,应用已相当广泛,在这种客观环境下,开发基于PLC的行驶控制系统,满足摊铺机行驶系统日益增长的高性能要求,改变国内在控制系统长期依赖国外技术的被动局面,具有较强现实意义。
2 PLC控制系统设计
目前履带式沥青混凝土摊铺机大多采用全液压驱动的无级变速控制系统,单边液压回路原理如图
建筑机械 2003 (6)1,系统由变量泵1、变量马达2、电磁阀3、排量变量机构4、安全阀5、单向阀6、补油溢流阀7、溢流阀8、梭阀9、滤油器10、补油泵11等组成。其基本功能有车辆的直线行驶、转向、前进、后退、制动等,但其基本控制参数为速度控制。本研究是在典型履带式沥青混凝土摊铺机液压行驶系统的基础上,设计其PLC电控系统。
图1 履带式摊铺机—边行驶液压驱动回路
2·1 控制面板设计
控制系统在结构上需要考虑的一个重要部分就是面板设计。面板不仅能反映摊铺机行驶系统的基本功能要求,而且是人机界面的表面,其设计的合理性程度将直接影响系统的复杂程度,功能设置的
直观性、操作的简便性也将影响系统软件的编制。
2·2 控制系统硬件设计
包括PLC的选型、PLC控制系统硬件配置与接线,以及供电/接地电路设计。课题研究中采用西门子S7-200系列CPU214型PLC (带有模拟量扩展模块EM235),基本单元输入输出点数为14和10 (开关量),扩展单元可输入3路模拟量,中文文本显示器TD200通过电缆与PLC相连。同时考虑PLC出现故障或其它原因使PLC无法工作时,系统应有应急电路(手动控制),手动控制电路主要由逻辑控制电路和两个双通道比例阀放大器组成,每个比例阀放大器可输入四路模拟信号和两路用于控制比例电磁铁且相互独立的脉宽输出级(可分别关断),逻辑控制电路由速度电位器和转向电位器上的行程开关控制,它使速度信号和转向信号接入不同的放大器通道,以实现车辆的行驶功能(包括前进、转向和后退等)。图2为控制系统硬件接线的原理图,图中A0和A1为比例阀放大器,A2和A3为电流放大电路(开关放大),RP1为预设速度电位器,RP2为速度操纵杆电位器,RP3为转向电位器。制动阀线圈Y5由点动开关S6控制的继电器控制,这样设计使制动信号可以不经控制器直接加到制动阀线圈上,使得制动阀响应更加迅速,可靠性更强,S7为解除制动开关。
图2 控制系统硬件接线原理图
2·3 控制系统软件设计
软件在执行控制功能时主要实现两方面的作用。一是实现对行驶系统逻辑上的控制,如对于相应指令要接通不同的电磁阀线圈,与输出信号相匹配;二是对输出的速度信号进行计算,这时有两种情况,一是当给定摊铺作业速度时, PLC要通过程序实现速度闭环控制功能,所以程序设计时一方面要读取给定速度值,另一方面要获取反馈速度值,然后通过比较得出偏差信号。为了使偏差信号为零,保证速度恒定,此差值需调用PID模块后,得出应当输出的计算值。最后此计算值经PWM模块处理后,进行输出,原理如图3;二是给定行驶(转场)速度时, PLC无需对速度进行闭环控制,所以也不用调用PID模块,只需将速度设定值进行PWM处理后输出即可。
在软件设计时,按照模块化设计的思想,将程序划分为速度及转向设定值读入与数值整定功能模
块、斜坡处理功能模块、速度脉冲计数功能模块、PLC实现行驶系统速度闭环控制原理图PID调节功能模块、PWM调制输出功能模块等。每个功能模块由相应的子程序和中断程序组成,以完成特定的功能。此外,程序对差速转向和原地转向采用了一定的算法处理。
3 控制系统动态仿真与模拟试验
参照课题的研究结果,归纳了摊铺机行驶驱动系统的数学模型,确定模型的参数后,在SIMULINK仿真语言中,分两种情况对上述模型进行了动态仿真,仿真结果发现系统动态响应较差,如图4。加入PID校正环节后,按照实验试凑的方法(具体操作时可对参数按先比例再积分,最后微分的整定步骤)进行了数组试验,观察其响应曲线,最后得出满足系统要求的一组PID参数,响应曲线如图5,并将其作为实际控制系统运行的初始值(参考值)。
4 结语
(1)从可靠性上考虑,由于摊铺机的运行环境十分恶劣,因此高可靠性是开发摊铺机行驶控制系
统需要解决的关键技术之一。而PLC是专为工业现场环境设计的,在设计PLC时,充分考虑到其工作环境是比较恶劣的工业现场,所以整机采取了不少强化措施,从这点出发, PLC应用于摊铺机的行驶控制系统具有很大的优势。
(2) PLC具有良好的接口性能,除了与单片机、工控机一样可通过模/数、数/模转换器处理模拟输入、输出信号之外,还可以通过开关量输出组件输出电平信号直接驱动电磁阀、电磁继电器和电
磁开关等。对于全液压行驶系统来说,应用PLC可节省外围驱动电路,使电液控制系统变得简洁。
(3)恒速控制是摊铺机行驶系统控制最为关键的技术之一。PLC带有PID闭环控制模板,这种PID调节通过软件实现,有较高的控制精度,使闭环控制系统动态性能大大提高,这为摊铺机行驶速度的精确控制提供了条件,从而可以保证恒速控制的要求。
(4)西门子S7-200系列PLC是采用STEP-Micro/Win编程软件,使用个人计算机在Win95/NT3·15以上操作系统来对PLC编程的。而且这种编程软件允许使用梯形图(LAD)和语句表(STL)编程器编制用户程序,程序简单易于修改,适合工程机械在不同作业场合的需要。
(5)目前PLC拥有强大的通讯功能,这使得控制更加灵活,从系统开发的长远考虑, PLC可以作为工控机等控制器的下位机,为配合后续整机控制系统的开发奠定基础。
