一種三臂三籃鋼拱架安裝機電控系統的設計

王騫 韓朋 馮彥坤 李冰 巨學飛 趙行

摘? 要：該文介紹了一種三臂三籃鋼拱架安裝機電控系統，3個臂可單獨作業也可交互作業。電控系統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在施工中局限性大、對工作面適應性不足的缺陷，提高工作效率的同時降低了勞動強度，實現快速高效的拱架拼裝施工。

關鍵詞：三臂三籃鋼拱架安裝機? 電控系統? 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，軟巖和土質隧道存在圍巖擾動大、安全風險高、支護困難、進度緩慢的缺點，施工支護十分重要。傳統單臂單籃鋼拱架安裝機存在動作簡單，無法適應較大工作面，效率低、勞動強度高等缺點。兩臂兩籃鋼拱架安裝機在提高效率和降低勞動強度上有所改善，但對工作面的適應性仍然不足。三臂三籃鋼拱架安裝機優化了以上不足，在控制上更加完善，使操作更加高效便捷。

目前，國內對鋼拱架安裝機的設計研究逐步加深，許多專家針對其施工中出現的問題進行相關分析。文獻[1-2]分別分析了兩臂一籃、單臂等拱架安裝機的總體設計、后配套作業等，但對拱架安裝機核心的控制系統并未闡述。三臂三籃鋼拱架安裝機機構繁瑣、功能多樣，對電控系統設計要求很高。該文對研制的三臂三籃鋼拱架安裝機的電控系統設計進行闡述。

1? 三臂三籃鋼拱架安裝機電控系統

1.1 控制系統設計

該文所設計的拱架安裝機電氣系統分為控制器、輸入和輸出3個部分（見圖1）。

系統配置一個主控制器EPEC3724作為集中處理單元和4個從控制器HE203A分別控制各子系統。各控制器既獨立運行，又交互數據，包括邏輯信息和模擬數值等。模塊化控制，有利于調試和問題處理。將集中控制和分散控制相結合，整體動作的數據和邏輯控制由主控制器進行輸出，獨立動作則由從控制器處理。既保證了邏輯完整，實現設備聯動，又避免單個控制中心引發邏輯混亂問題，增強系統的可靠性，提高調試效率。

1.2 硬件設計

隧道內工作環境惡劣，對設備硬件要求高，如防水、防塵、防干擾及抗震動等。為保證系統安全穩定，該設計采用EPEC3724和派芬HE203A車載控制器。

EPEC3724是一款緊湊且堅固耐用的控制單元，具有16/32位處理器，計算能力強。針腳共52個，具有短路保護且多數針腳多類型設置。HE203A也具有類似特性。兩者都可適應高震動、大溫度變化的惡劣環境，性能穩定高效。

根據三臂三籃鋼拱架安裝機的工藝流程，在保留余量和擴展功能的前提下，分配電控系統I/O，如表1所示。

1.3 通信網絡設計

控制器采用CAN總線實現相互通信、數據交換、程序上傳下載等功能。采用串聯總線方式，雙通道CAN，通信穩定高效，如圖2所示。

1.4 軟件設計

EPEC及HE203A控制器接收各自控制盒指令及傳感器信號，通過CAN總線實現信號及數據交互。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個程序，每個控制器程序具有相似的模塊，功能清晰，便于調試，且操作簡單、動作精確。

1.4.1 Heart_Beat心跳測試模塊

該模塊實現通信在線監測功能。各控制器通過指令塊形成0/1變化的數據串，即“心跳包”，并發送到總線上，同時接收總線上的心跳包判斷狀態。若為變化的0/1值，則通信正常，反之則通信故障并報警。

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行雙向標定，將模擬量轉化為數字量;后者對前者輸出值處理，結合閉環反饋，實現比例閥的閉環控制。

1.4.3 IO_Set數字量處理模塊與IO_Logic邏輯控制模塊

前者實現輸入輸出信號的格式轉化及輸出，后者實現各數字量信號的邏輯判斷。

1.4.4 Par_Save寄存器保持模塊

該模塊實現相關寄存器信號的掉電保持功能，避免數據丟失。

1.5 底盤控制系統設計

三臂三籃鋼拱架安裝機底盤控制采用雙向駕駛，轉場便捷。底盤電控通過集成方向機實現對發動機啟停、行走、車燈等控制。同時采用CAN總線實現儀表與發動機ECU通信，監控發動機運行狀態。

2? 結語

設計中克服了諸如訊診斷、寄存器保持、模擬量轉換及數據交互等技術難題，設計了邏輯互鎖、數據監控及故障診斷報警等，增強了系統的穩定性和可靠性。該系統應用于三臂三籃鋼拱架安裝機上，穩定、安全、高效，提高了產品的競爭力。

該文設計的電控系統還存在一定缺陷，比如未采用HMI，人機交互不夠友好，后續將進行優化。

參考文獻

[1] 李艷.鋼拱架安裝臺車的設計與研究[D].河南科技大學，2011.

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

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