曹丹，祁雋燕

混合臂式高空作業(yè)車(chē)控制系統(tǒng)探討

曹丹1，祁雋燕2

（1.徐州徐工隨車(chē)起重機(jī)有限公司，江蘇 徐州 221000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院工程圖學(xué)中心，江蘇 徐州 221116）

高空作業(yè)車(chē)作為一種載人空中作業(yè)裝置，其系統(tǒng)安全性和智能性一直是業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)和評(píng)價(jià)整機(jī)性能的重要指標(biāo)，文章結(jié)合目前國(guó)內(nèi)高空作業(yè)車(chē)主流機(jī)型——混合臂式高空車(chē)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹一種基于CAN總線(xiàn)的智能控制系統(tǒng)。按照模塊化設(shè)計(jì)的原則，詳細(xì)介紹了工作平臺(tái)電液自動(dòng)調(diào)平、底盤(pán)自動(dòng)操作控制等智能控制模塊，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的探討。該系統(tǒng)可有效提升整車(chē)的安全性和操控的智能性，為同類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考方案，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

混合臂式高空作業(yè)車(chē)；智能控制；CAN總線(xiàn)

引言

高空作業(yè)車(chē)按工作臂的型式可分為：垂直升降式、折疊臂式、伸縮臂式和混合臂式四種型式的高空作業(yè)車(chē)。垂直升降式高空作業(yè)車(chē)只能在垂直方向上升降，承載力強(qiáng)，但作業(yè)范圍小、作業(yè)高度低；折疊臂式高空作業(yè)車(chē)工作臂一般采用上下折疊的方式，工作臂的連接采用鉸接結(jié)構(gòu)，工作時(shí)工作臂交替上升，操作頻繁，安全性較低；伸縮臂式高空作業(yè)車(chē)工作時(shí)套疊的工作臂同步伸出，可有效增加作業(yè)高度和工作半徑，效率較高；混合臂式高空作業(yè)車(chē)是折疊臂式和伸縮臂式高空作業(yè)車(chē)的結(jié)合，其工作臂之間既有鉸接，也有伸縮，它結(jié)合了折疊臂式和伸縮臂式高空作業(yè)車(chē)兩種結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)點(diǎn)，工作性能較好，是我國(guó)高空作業(yè)車(chē)市場(chǎng)最近幾年和未來(lái)發(fā)展的方向。混合臂式高空作業(yè)車(chē)是機(jī)電液一體化技術(shù)集成度較高的設(shè)備，隨著近年混合臂式高空作業(yè)車(chē)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)混合臂式高空作業(yè)車(chē)的智能控制系統(tǒng)也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)作業(yè)高度超過(guò)30 m的混合臂式高空作業(yè)車(chē)智能控制的特點(diǎn)，對(duì)混合臂式高空作業(yè)車(chē)的智能控制進(jìn)行了詳細(xì)的論述[1]。

1 智能控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)混合臂式高空作業(yè)車(chē)的工作特點(diǎn)及控制方式，其智能控制系統(tǒng)一般滿(mǎn)足以下要求：

（1）工作平臺(tái)能隨著工作臂的角度變化而時(shí)刻處于水平狀態(tài)，同時(shí)在工作平臺(tái)的傾斜角度達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)能及時(shí)報(bào)警并啟動(dòng)相關(guān)保護(hù)措施，即混合臂式高空作業(yè)車(chē)的工作平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平控制模塊。

（2）混合臂式高空作業(yè)車(chē)工作時(shí)要用支腿將車(chē)載式汽車(chē)底盤(pán)支撐起來(lái)直至輪胎離地，同時(shí)被支撐起來(lái)的底盤(pán)要保持水平；在狹窄的路面和居民小區(qū)內(nèi)等不寬敞的地方，此時(shí)可將支腿半伸、全伸或進(jìn)行單邊作業(yè)，以適應(yīng)施工現(xiàn)場(chǎng)；也可根據(jù)平臺(tái)載荷的分級(jí)將工作幅度分為若干等級(jí)，以擴(kuò)大平臺(tái)工作半徑等，即混合臂式高空作業(yè)車(chē)的底盤(pán)自動(dòng)操作控制模塊。

（3）在工作平臺(tái)內(nèi)能控制除支腿之外的所有動(dòng)作，即工作平臺(tái)操作控制模塊。

（4）在工作平臺(tái)內(nèi)能為操作者提供一個(gè)良好的操作界面和環(huán)境，同時(shí)可以將全車(chē)的工作狀態(tài)，如發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、水溫、機(jī)油壓力，工作平臺(tái)的高度、幅度，平臺(tái)的載荷，底盤(pán)的傾斜角度，故障代碼等信息以圖表化和數(shù)字化的方式顯示出來(lái)，供操作者判定，即工作平臺(tái)人機(jī)交互控制模塊。

（5）轉(zhuǎn)臺(tái)處能控制除支腿之外的所有動(dòng)作，即轉(zhuǎn)臺(tái)操作控制模塊。

（6）在底盤(pán)處能為操作者提供一個(gè)良好的操作界面和環(huán)境，同時(shí)可以將全車(chē)的工作狀態(tài)，如發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、水溫、機(jī)油壓力，工作平臺(tái)的高度、幅度，平臺(tái)的載荷，底盤(pán)德傾斜角度，故障代碼等信息以圖表化和數(shù)字化的方式顯示出來(lái)，供操作者判定，即底盤(pán)人機(jī)交互控制模塊。

根據(jù)混合臂式高空作業(yè)車(chē)上述功能要求，按照模塊化的設(shè)計(jì)原則，控制系統(tǒng)采用基于CAN總線(xiàn)的分布式PLC可編程控制器設(shè)計(jì)，其控制方案如圖1所示[2]。采用分布式結(jié)構(gòu)，可有效簡(jiǎn)化線(xiàn)路的連接，具有實(shí)時(shí)性，高可靠性，可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的數(shù)字化、模塊化，并可保持系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，為混合臂式高空作業(yè)車(chē)的遠(yuǎn)程化控制鋪平道路。該系統(tǒng)由兩條遵循不同CAN協(xié)議的總線(xiàn)組成，一條為CANOPEN網(wǎng)絡(luò)，一條為SAEJ1939網(wǎng)絡(luò)，控制器一般具有符合CAN2.0A和CAN 2.0B兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，從而為網(wǎng)絡(luò)連接提供了方便。

圖1 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)架構(gòu)

2 智能控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

2.1 工作平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平控制模塊[3]

該模塊通過(guò)安裝在工作平臺(tái)下部的傾角傳感器，將工作平臺(tái)與水平面的傾角變化及時(shí)反饋給調(diào)平控制器，調(diào)平控制器及時(shí)處理這些信息并發(fā)出指令給執(zhí)行元件，執(zhí)行元件動(dòng)作并帶動(dòng)工作平臺(tái)向減小傾角變化的方向運(yùn)動(dòng)，其控制原理為：混合臂式高空作業(yè)車(chē)不工作時(shí)，工作平臺(tái)處于水平狀態(tài)，其底平面與水平面的傾斜角度在允許的±0.5°以?xún)?nèi)，系統(tǒng)沒(méi)有調(diào)平動(dòng)作輸出。工作時(shí)，伸縮臂或舉升臂的變幅動(dòng)作將引起工作平臺(tái)的位置變化，也就是工作平臺(tái)底平面與水平面的傾斜角度發(fā)生變化，安裝在工作平臺(tái)底平面的單軸雙向傾角傳感器將檢測(cè)到的角度信號(hào)轉(zhuǎn)換成CAN信號(hào)輸出，控制器將信號(hào)進(jìn)行解析，并與程序內(nèi)的設(shè)定值進(jìn)行比較并判定方向。當(dāng)差值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制器觸發(fā)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作，并帶動(dòng)工作平臺(tái)向減小的方向擺動(dòng)，直至在±0.5°以?xún)?nèi)，系統(tǒng)重新進(jìn)入平衡狀態(tài)。當(dāng)傾斜角度再超過(guò)±0.5°時(shí)，系統(tǒng)將重復(fù)上述過(guò)程。

2.2 底盤(pán)自動(dòng)操作控制模塊

該模塊包括水平支腿分級(jí)自適應(yīng)幅度限制和底盤(pán)自動(dòng)調(diào)平兩部分，主要功能為在進(jìn)行上車(chē)工作之前將下車(chē)底盤(pán)水平支腿按設(shè)定要求調(diào)整到需要狀態(tài)，并將底盤(pán)通過(guò)垂直支腿調(diào)整到水平狀態(tài)。

水平支腿分級(jí)自適應(yīng)幅度限制就是根據(jù)水平支腿伸出量和工作平臺(tái)載荷來(lái)自動(dòng)調(diào)整工作平臺(tái)最大作業(yè)幅度，目前高空作業(yè)車(chē)水平支腿伸出量主要有支腿不伸、支腿半伸和支腿全伸，有的國(guó)外高檔車(chē)（如德國(guó)RUTHMANN）支腿還具有四分之一伸和四分之三伸，為了滿(mǎn)足水平支腿分級(jí)的需要，往往采用拉線(xiàn)傳感器來(lái)代替常用的接近開(kāi)關(guān)或行程開(kāi)關(guān)；工作平臺(tái)載荷一般分為三檔，分別為100 kg、100 kg～250 kg、250 kg～400 kg三個(gè)載荷檔次，每個(gè)載荷檔次根據(jù)不同的水平支腿伸出量對(duì)應(yīng)不同的作業(yè)曲線(xiàn)。確定支腿分級(jí)方式后，控制器將臂架測(cè)長(zhǎng)傳感器、傾角傳感器和主變幅油缸壓力傳感器送來(lái)的長(zhǎng)度信號(hào)、角度信號(hào)和壓力信號(hào)進(jìn)行處理、運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果與控制程序內(nèi)預(yù)先設(shè)定的幅度和力矩曲線(xiàn)進(jìn)行比較，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果超出允許曲線(xiàn)時(shí)，控制器輸出信號(hào)并切斷相應(yīng)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)幅度和力矩限制，滿(mǎn)足水平支腿分級(jí)自適應(yīng)幅度限制的需要[4]。

底盤(pán)自動(dòng)調(diào)平通過(guò)安裝在底盤(pán)下部的雙軸傾角傳感器，將底盤(pán)與水平面的傾角變化反饋給控制器，控制器及時(shí)處理這些信息并發(fā)出指令給執(zhí)行元件，執(zhí)行元件動(dòng)作并帶動(dòng)底盤(pán)向減小傾角變化的方向運(yùn)動(dòng)?？刂七^(guò)程如下：確定支腿分級(jí)方式后，按下底盤(pán)自動(dòng)調(diào)平按鈕，水平支腿按設(shè)定要求伸出到位后，四個(gè)垂直支腿開(kāi)始動(dòng)作，此時(shí)底盤(pán)自動(dòng)調(diào)平開(kāi)始；底盤(pán)調(diào)平采用四點(diǎn)支承式底盤(pán)平臺(tái)的調(diào)平方法，雙軸傾角傳感器與底盤(pán)平臺(tái)的一條邊線(xiàn)平行安裝，垂直支腿在上升過(guò)程中完成輪胎離地后，控制器根據(jù)雙軸傾角傳感器測(cè)出的水平傾角可以判斷出四個(gè)支承點(diǎn)的高低，找出最高點(diǎn)，并輸出PWM脈寬調(diào)制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的比例閥，比例閥開(kāi)通后液壓油通過(guò)比例閥去驅(qū)動(dòng)垂直油缸完成相應(yīng)的動(dòng)作。調(diào)平過(guò)程一般采用升調(diào)平技術(shù)，按照只升不降的原則，先進(jìn)行橫向調(diào)平，再進(jìn)行縱向調(diào)平，直至把其余三個(gè)支承點(diǎn)升高至與最高點(diǎn)處于同一水平面后，雙軸傾角傳感器軸和軸檢測(cè)出來(lái)的傾斜角度在±0.3°以?xún)?nèi)，調(diào)平過(guò)程結(jié)束。由于地面和輪胎存在變形，該系統(tǒng)采用粗調(diào)和精調(diào)兩次調(diào)平的方式，在輪胎離地后進(jìn)行調(diào)平，若傾斜角度在≥±0.5°，進(jìn)行第一次調(diào)平－粗調(diào)，各支腿的運(yùn)動(dòng)速度較快；若傾斜角度在＜±0.5°，進(jìn)行第二次調(diào)平－精調(diào)，各支腿的運(yùn)動(dòng)速度較慢，當(dāng)檢測(cè)出來(lái)的傾斜角度在±0.3°以?xún)?nèi)時(shí)調(diào)平結(jié)束。

2.3 工作平臺(tái)操作控制模塊

在工作平臺(tái)內(nèi)能控制除支腿之外的所有動(dòng)作，是工作平臺(tái)操作的基本要求，這些動(dòng)作主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、臂架的變幅和伸縮、飛臂的變幅和工作平臺(tái)回轉(zhuǎn)等動(dòng)作要求。工作平臺(tái)控制器將采集所有的指令信號(hào)，并將其以CAN總線(xiàn)報(bào)文形式發(fā)送到CAN線(xiàn)上。位于轉(zhuǎn)臺(tái)的主控制器從總線(xiàn)上接收到所需報(bào)文，并對(duì)這些報(bào)文進(jìn)行解析處理后，輸出PWM脈寬調(diào)制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電磁閥，電磁閥開(kāi)通后液壓油通過(guò)電磁閥去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件完成相應(yīng)的動(dòng)作。利用PWM脈寬調(diào)制信號(hào)控制電磁比例閥有功耗小、抗干擾能力強(qiáng)、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，疊加低頻率的顫震信號(hào)可以使閥芯工作時(shí)處于微振動(dòng)狀態(tài)，大大減小了電磁比例閥的滯環(huán)。而且還可利用PLC控制器具有電流反饋控制接口的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，提高控制精度。

2.4 工作平臺(tái)人機(jī)交互控制模塊

該模塊主要是為工作平臺(tái)操作人員提供一個(gè)良好的操作界面和環(huán)境，主要采用全觸摸彩色顯示器。人機(jī)交互操作界面一般采用圖表話(huà)、圖標(biāo)化和數(shù)字化的顯示方式，以取代傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的諸多儀表、指示燈和操作按鈕等元件，可以使整機(jī)主要參數(shù)直觀(guān)、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)；人機(jī)交互控制模塊包含參數(shù)的讀取和實(shí)時(shí)顯示，參數(shù)的讀取主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)顯示和整機(jī)系統(tǒng)參數(shù)顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)顯示主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、冷卻水溫度及發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間，這些參數(shù)是通過(guò)CAN總線(xiàn)從發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECM讀?。籈CM和車(chē)載控制器之間是基于SAEJ1939標(biāo)準(zhǔn)的通訊網(wǎng)絡(luò)，使得ECM和車(chē)載控制器可以按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)共享參數(shù)，并通過(guò)全觸摸彩色顯示器實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。整機(jī)系統(tǒng)參數(shù)主要包括底盤(pán)和工作平臺(tái)傾斜角度、工作平臺(tái)載荷、作業(yè)高度和幅度、臂架的變幅角度和伸縮長(zhǎng)度、底盤(pán)支腿的跨距和接觸地面信息、轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)角度，故障代碼等工況信息，這些信息可實(shí)時(shí)地在顯示器上顯示出來(lái)，操作人員在進(jìn)行作業(yè)時(shí)可隨時(shí)了解整機(jī)工況，提前預(yù)防誤操作。

2.5 轉(zhuǎn)臺(tái)操作控制模塊

按照GB/T9465—2018《高空作業(yè)車(chē)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，裝備有上、下兩套控制裝置的工作平臺(tái)應(yīng)有互鎖裝置，上控制裝置設(shè)置在工作平臺(tái)上，下控制裝置應(yīng)具有上控制裝置的功能，并應(yīng)設(shè)有能超越上控制的裝置。因此在轉(zhuǎn)臺(tái)處具有和工作平臺(tái)一樣的操作功能，這些動(dòng)作主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、臂架的變幅和伸縮、飛臂的變幅和工作平臺(tái)回轉(zhuǎn)等動(dòng)作要求；轉(zhuǎn)臺(tái)處的操作方式也采用比例手柄，操作時(shí)比例手柄的輸出信號(hào)進(jìn)入PLC控制器，通過(guò)處理后PLC控制器輸出PWM脈寬調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁比例閥，并利用PLC控制器具有反饋控制接口的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，提高控制精度。除此之外，轉(zhuǎn)臺(tái)處設(shè)有緊急開(kāi)關(guān)，當(dāng)工作平臺(tái)上的操作人員違章操作出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)，可按下緊急開(kāi)關(guān)，強(qiáng)制關(guān)閉工作平臺(tái)處操作，利用轉(zhuǎn)臺(tái)處的操作裝置將工作平臺(tái)收回。

2.6 底盤(pán)人機(jī)交互控制模塊

底盤(pán)人機(jī)交互控制模塊也是采用全觸摸彩色顯示器，操作界面一般也采用圖表化、圖標(biāo)化和數(shù)字化的顯示方式，底盤(pán)人機(jī)交互控制模塊主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和整機(jī)系統(tǒng)參數(shù)顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)顯示主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、冷卻水溫度及發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間，這些參數(shù)是通過(guò)CAN總線(xiàn)從發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECM讀??；整機(jī)系統(tǒng)參數(shù)主要包括底盤(pán)和工作平臺(tái)傾斜角度、工作平臺(tái)載荷、作業(yè)高度和幅度、臂架的變幅角度和伸縮長(zhǎng)度、底盤(pán)支腿的跨距和接觸地面信息、轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)角度，故障代碼等工況信息，這些信息可實(shí)時(shí)地在底盤(pán)顯示器上顯示出來(lái)，供地面操作人員隨時(shí)了解整機(jī)工況。

3 結(jié)論

本文主要介紹一種基于CAN總線(xiàn)的混合臂高空作業(yè)車(chē)智能控制系統(tǒng)，重點(diǎn)討論了混合臂高空作業(yè)車(chē)的工作平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平控制模塊、底盤(pán)自動(dòng)操作控制模塊、工作平臺(tái)操作模塊、工作平臺(tái)人機(jī)交互模塊、轉(zhuǎn)臺(tái)操作模塊、底盤(pán)人機(jī)交互控制模塊等各個(gè)模塊的控制原理及實(shí)現(xiàn)方法。高空車(chē)的控制系統(tǒng)是一個(gè)邏輯關(guān)系非常復(fù)雜的電控系統(tǒng)，有的模塊可能相對(duì)比較獨(dú)立，有的模塊可能要與其他模塊相互配合才能完成一些基本功能。在高空車(chē)的智能控制系統(tǒng)中還有一些其他功能，如上下車(chē)互鎖、一鍵收車(chē)、工作平臺(tái)平面運(yùn)動(dòng)功能、工作平臺(tái)智能防碰撞、防自損功能、無(wú)線(xiàn)遙控操作和安全應(yīng)急等，因控制原理比較簡(jiǎn)單，本文不再詳細(xì)討論。

[1] 高崇仁,孫迪,朱建學(xué),等.混合臂式高空作業(yè)車(chē)變幅系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2019(07):201-205+209.

[2] 王碩,李恩,趙曉光.CANopen協(xié)議在高空作業(yè)車(chē)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2011(33):5-8.

[3] 趙志華,劉玉敏,姚建紅.基于PLC的高空作業(yè)車(chē)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2016(8):805-808.

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Discussion on Control System of Mixed-boom Aerial Working Vehicle

CAO Dan1, QI Juanyan2

( 1.XCMG Xuzhou Truck-mounted Crane Co., Ltd., Jiangsu Xuzhou 221000; 2.Engineering Graphics Center,School of Mechatronic Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116 )

Aerial working platform is a special device, which is used to position personnel and carry out aerial work, the safety and intelligence of the system has always been the focus of the industry and an important index to evaluate the performance of the machine. This paper introduces an intelligent control system based on CAN bus by combining the structure characteristics of domestic mixed-boom Aerial working platform. The intelligent control modules such as automatic leveling control of platform and the automatic operation control of chassis are introduced in detail, and the key technologies are discussed in detail according to the principle of modular design. The system can effectively improve the safety and the intelligent control of the vehicle, and provide a reference for the similar product design, has better practical value.

Hybrid arm aerial vehicle;Intelligent control; CAN Bus

U466

A

1671-7988(2021)24-166-04

U466

A

1671-7988(2021)24-166-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.039

曹丹，學(xué)士，工程師，就職于徐州徐工隨車(chē)起重機(jī)有限公司，研究方向：專(zhuān)用汽車(chē)電控技術(shù)。