基于ARM的高空作业平台控制系统研究可复制黏贴 优秀毕业论文.pdf

分类号 t p 3 0 2 1 0 7 1 0 0 8 3 2 0 2 7 骧步犬海 硕士学位论文 基于a r m 的高空作业平台控制系统研究 方孟虎 导师姓名职称段晨东教授 申请学位级别工学硕士学科专业名称检测技术与自动化装置 论文提交日期 2 0 11 年6 月3 日论文答辩日期2 0 11 年6 月1 2 日 学位授予单位长安大学 答辩委员会主席 学位论文评阅人 张周锁副教授 张周锁副教授 周熙伟副教授 惘帆 删t9 4 8 6 0 9 a r m b a s e de l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c hf o ra e r i a l w o r k i n g p l a t f o r m ad is s e r t a t i o ns u b m i r e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e f a n gm e n g h u s u p e r v i s o r p r o f d u a nc h e n d o n g c h a n g 8 1 1u n i v e r s i t y x i a n c h i n a 论文独创性声明 本人声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 独立进行研究 工作所取得的成果 除论文中已经注明引用的内容外 对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 劢f 7 年 月心日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属学 校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请专利等权 利 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时 署名单位仍然为长安大学 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 r o l l 年6a 黾 钏一p 名覃厶 月朋 摘要 电气控制系统作为高空作业车的大脑 主要起安全保护功能和监控功能 其性能和 功能对整车的品质有着重要的影响 为了减小高空作业车在使用过程中存在的安全隐 患 设计更安全可靠的电气控制系统显得尤为重要 本文在分析自行伸缩臂式蜘蛛型高 空作业平台结构 功能 液压系统的基础上 根据整车的使用要求 动作控制和约束逻 辑 设计了基于a r m 嵌入式系统的高空作业平台电气控制系统 主要研究内容如下 1 分析了自行伸缩臂式蜘蛛型高空作业平台的机械结构和功能 各部位动作之间 的约束关系 研究了高空作业平台的液压控制系统 对行走驱动与转向 支腿动作 回 转装置 大臂伸缩 大臂变幅 小臂变幅 吊篮回转 吊篮水平调节等动作回路进行了 详细地分析 在此基础上 确定了控制对象和控制过程 2 研究了高空作业平台控制要求 从安全使用的设计思想出发 把电气控制分为 安全检测与调节 动作约束条件两部分 并细化了高空作业车各结构部分的动作控制要 求 保证了设计方案的可行性和可靠性 3 设计了基于c a n 总线的分布式a r m 控制器检测与控制系统 根据使用功能 和安全操作的要求 把系统设计为吊篮控制器 远程控制器 主控制器等3 个子系统 采用c a n 总线实现3 个子系统之间的通信和信号采集 设计了3 个控制器的硬件电路 过程通道接口以及c a n 总线接口 开发了基于嵌入式操作系统 c o s i i 的应用程序 实现了高空作业车安全可靠的使用要求 4 在电气控制系统基础上 扩展了基于a r m 嵌入式系统的高空作业车行车记录 仪 可以对高空作业车的工作状态进行实时记录 并对故障数据进行特殊记录 为监测 设备状态和故障分析提供了依据 关键词 高空作业平台 a r m 控制器 c a n 总线 嵌入式操作系统 控制系统 行车记录仪 国家科技支撑计划项目s 高大空间建筑工程安装维护设备技术与产业化开发 编号 2 8 队j 0 9 6 i a b s t r a c t s a st h eb r a i no fa e r i a lw o r kp l a t f o r m a w p e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mm a i n l yh a st h e f u n t i o no fp r o t e c t i o na n dm o n i t o r i n g i t sp e r f o r m a n c ea n df u n c t i o n a l i t yh a sa ni m p o r t a n t e f f e c to nt h eq u a l i t yo ft h ea w ei no r d e rt or e d u c et h ep l a t f o r mu n s a f e t yp r o b l e m se x i s t i n gi n o p e r a t i o n i ti sn e c e s s a r yt od e s i g na m o r es a f ea n dr e l i a b l ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m b a s e do n a n a l y z i n g t h es t r u c t u r e p e r f o r m a n c ea n dh y d r a u l i cs y s t e mo fa e r i a lw o r kp l a t f o r m a a r m b a s e de m b e d d e de l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mo fa e r i a lw o r kp l a t f o r mi sd e v e l o p e di nt h i s t h e s i sa c c o r d i n gt oi t su s a g e m o t i o nc o n t r o la n dc o n s t r a i n tl o g i c t h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s 1 m e c h a n i c a ls t r u c t u r e f u n c t i o na n dc o n s t r a i n t sr e l a t i o n s h i pb e t w e e na c t i o n so ft h e a w pa r ea n a l y z e df i r s t l y t h e nt h ep r e c i p l eo ft h ea w ph y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e d a n dh y d r a u l i cc i r c u i t s s u c ha sd r i v i n ga n ds t e e r i n go fw a l k i n g l e gm o v e m e n t s r o t a r yd e v i c e s l a r g et e l e s c o p i cb o o m l u f f i n gb o o m l u f f i n ga r m r o t a t i n gb a s k e t a n db a s k e t l e v e lo f r e g u l a t i o n a r ed e a l t 航t hr e s p e c t i v e l y o nt h ea b o v eb a s i s c o n t r o lo b j e c t sa n dp r o c e s s e so f t h e 愀a r es e t t l e dd o w n 2 b yi n v e s t i g a t i n g t h ea w pc o n t r o lr e q u i r e m e n t s t h ec o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e da s t w op a r t si nt h ev i e w o fs a f ew o r k i n g o n ei sf o r t h ea w ps a f e t yd e t e c t i o na n dc o n t r o l a n o t h e r i sf o ro p e r a t i o nc o n s t r a i n ta n dp r o t e c t i o n i na d d i t i o n w ef u r t h e rr e f i n et h er e q u i r e m e n t so f m o t i o nc o n t r o lf o re v e r yc o m p o n e n tt oe n s u r et h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ed e s i g n 3 ad e t e c t i o na n dc o n t r o ld i s t r i b u t e ds y s t e mu s i n ga r mc o n t r o l l e ra n dc a nb u si s d e v e l o p e d t h es y s t e mi sd e s i g n e dw i t h3s u b s y s t e m sa c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fs a f e t y o p e r a t i o na n dt h ea w pp e r f o r m a n c e w h i c hi n c l u d e sb a s k e tc o n t r o l l e r r e m o t ec o n t r o l l e ra n d m a s t e rc o n t r o l l e r t h e s et h r e es u b s y s t e m sc o m m u n i c a t ev i ac a nb u s m o r e o v e r h a r d w a r e c i r c u i t so f3c o n t r o l l e r s i n p u t o u t p u tc h a n n e li n t e r f a c ec i r c u i ta n dc a nb u si n t e r f a c ec i r c u i t a r ea l s od e a l t 啦t 1 1i nt h et h e s i s o nt h eo t h e rh a n d a sf o rt h es y s t e ms o f t w a r e a p p l i c a t i o n s f o rt h ea w pc o n t r o la r ed e v e l o p e do nt h ef r a m eo ft h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi 幢c o s i i t h ed e v e l o p e ds o f t w a r es a t i s f i e ss a f e t yr e q u i r e m e n t so f t h ea w pw e l l 4 a na r m b a s e dr e c o r d e ri sd e v e l o p e df o rt h ea w pw o r k i n gw h i c hc a nm a k e r e a l t i m er e c o r d i n gf o rt h ea w pc o n d i t i o na n dg i v eas p e c i a lr e c o r d i n go n c ef a u l to c c u r s t h e r e c o r d e rc a np r o v i d es o m eu s e f u lr e f e r e n c e sf o rt h ea w pc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i s k e y w o r d a e r i a lw o r kp l a t f o r m a w p a r mc o n t r o l l e r c a nb u s e m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m c o n t r o ls y s t e m r e c o r d e r n a t i o n a ls c i e n c e t e c h n o l o g ys u p p o r tp l a np r o j e c t i n s t a l l a t i o n m a n i t e n a n c ee q u i p m e n t t e c h n o l o g ya n di t si n d u s t r i a l i z a t i o nd e v e l o p m e n tf o rb i g s p a c e i nc o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n g n o 2 0 0 8 b a j 0 9 8 0 6 目录 第一章绪论 1 1 1 论文的背景及立题意义 l 1 2 高空作业平台国内外现状 2 1 2 1 国外现状 j 2 1 2 2 国内现状 3 1 2 3 控制系统现状 5 1 3a r m 嵌入式系统 一6 1 4 课题来源 研究内容及主要工作要求 8 第二章蜘蛛型高空作业平台 1 0 2 1 引言 1 0 2 2 蜘蛛型高空作业平台概述 1 0 2 2 1 蜘蛛型高空作业平台的结构与功能 一1 0 2 2 2 蜘蛛型高空作业平台控制要求 1 3 2 3 蜘蛛型高空作业平台的液压系统 1 3 2 3 1 高空作业平台液压驱动回路 1 3 2 3 2 液压系统中电磁阀与平台动作的关系 1 5 2 4 本章小结 1 7 第三章基于a r m 的高空作业平台控制系统设计 1 8 3 1 引言 1 8 3 2 控制要求 l8 3 3 控制方案 1 9 3 4a r m 嵌入式控制系统设计 2 l 3 4 1a r m 芯片选型 2 1 3 4 2 检测装置选型 2 3 3 4 3 吊篮控制器 2 5 3 4 4 远程操作控制器 2 6 3 4 5 主控制器 2 7 3 5c a n 总线接口电路 2 9 3 5 1c a n 收发器 2 9 3 5 2 接口电路 一3 l 3 6 过程通道接口电路 3 2 3 7 本章小结 3 4 第四章控制系统软件设计 3 6 4 1引言 3 6 4 2嵌入式操作系统m c o s i i 3 6 4 3 任务分配与调度 3 8 4 4c a n 接口通信软件设计 3 9 4 4 1a r m 控制器间通信 3 9 4 4 2 数据发送与接收 4 0 4 5 电气控制应用程序 4 2 4 5 1 机器行走允许 4 2 4 5 2 支腿调节允许 4 3 4 5 3 底盘平衡 4 4 4 5 4 伸缩臂动作允许 4 5 4 5 5 吊篮动作允许 4 6 4 6 本章小结 4 7 第五章行车记录仪设计 4 9 5 1 引言 4 9 5 2 行车记录仪硬件设计 4 9 5 2 1 整体设计 4 9 5 2 2 硬件选型 一5 0 5 2 3s t r 9 1 2 f w 4 4 与i s p l 7 6 1 的接口设计 5 1 5 2 4u s b 端口及过流检测电路 5 2 5 3 任务及其调度 5 2 5 4 本章小结 5 4 结论与展望 5 5 参考文献 5 7 长安大学硕士学位论文 1 1 论文的背景及立题意义 第一章绪论 高空作业平台 简称高空作业车 是指3 米以上 由液压或电动系统支配多支液压 油缸 用来运送工作人员和工作装备到指定高度的一种大型工程机械设备 到目前为止 高空作业车相关产品有 剪叉式高空作业平台 车载式高空作业平台 曲臂式高空作业 平台 自行式高空作业平台 铝合金高空作业平台 套缸式高空作业平台六大类 广泛 应用于在建筑 市政 机场 电力 船舶制造 园林等部门 从事安装 维护 消防 抢险救灾 是当代先进的物种机械设型 高空作业车的作业场所多是在处于一定高度的建筑外围或设备 因此作业人员的安 全存在一定的危险系数 尽管发展到现代 高空作业车的整车安全性已经提高了许多 但在实际应用过程中 由于电气控制系统的稳定性或作业人员操作不当 利用高空作业 车进行高空作业时还是时有安全事故发生 进入2 0 11 年我国多地发生了高空作业车安 全事故 4 月8 日 湛江市徐闻县一位3 0 多岁的林姓男子在约1 0 多米高处拆除旧广告 牌时 不慎坠地受伤 2 1 4 月1 2 日 上海宝山区长江南路一建筑工地 一名工人在高空 作业时不慎坠落 生命垂危 3 4 月1 5 日 山东德州市芦家院小区一名空调安装工人 高空作业时从6 层摔了下去 造成多处骨折伤情严重1 4 l 高空作业事故的出现 表明了 目前我国高空作业车存在的安全隐患 由以上案例可以看出 高空作业车不同于一般的工程机械 虽然其负荷较小 作业 频率不高 但对整车的安全性和可靠性要求很高 因此高空作业车的电气控制系统显得 尤为重要 例如整车应有紧急停止装置 在各执行机构动作的终点位置应有限位装置等 控制要求 此外 高空作业车的一些先进性技术需要电气控制系统的支持与实现 例如 更高的工作高度 更小的车身体积 这些不断进步的技术指标都需要更优秀稳定的电气 控制系统在保证整车安全性的基础上实现 由此可见 电气控制系统不仅是高空作业平 台能够正常运行的根本保证 而且在某种程度上体现了车辆的技术先进性 使用可靠性 和操作方便性 本文在基于对国内外同类产品电气控制系统的分析基础上 根据高空作业平台的功 能和控制要求 设计了更加满足安全性稳定性要求的电气控制系统方案 选取合适的控 制器 检测装置 操作面板 开发设计高空作业平台电气控制系统 第一章绪论 1 2 高空作业平台国内外现状 1 2 1 国外现状 国外高空作业机械起步较早 其前身是工程起重机械 后经过迅速的发展和提高高 空作业车技术水平 现在已经成立了高空作业车国际标准化组织 在形成完整产品研发 和生产体系的基础上 向扩大高空作业范围和满足更多作业需求的目标前进 美国吉尼公司生产的曲臂型高空作业平台z t m 1 3 5 7 0 提供了多种提升功能 可以 向上 向前并且跨越的提升能力 最大工作高度可达4 3 1 5 米 最大水平延伸为2 1 2 6 米 具有2 3 0 1 米的向上和跨越高度 承载能力最重至2 7 2 公斤 可同时装载3 4 个成 年人进行高空作业 具有3 6 6 至6 1 0 米的可伸缩短臂 工作平台长度为0 9 1 米 工作 平台高度为2 4 4 米 离地间隙为o 5 1 米 平台可在1 6 0 0 范围内旋转 平台上的旋转转 盘可进行连续3 6 0 0 旋转 从而使工作臂可进行3 6 0 0 水平旋转 工作平台可在水平3 6 0 0 范围内进行作业 爬坡能力为4 5 电气控制系统方面具有工作平台自动调平系统 工 作平台液压旋转系统 霍尔效应的全比例控制器 随机诊断程序和发动机监控显示器 a l c 1 0 0 0 电子控制系统 倾斜报警 行驶确认等功能 动力源为d e u t z 柴油b f 4 l2 0 1 1 4 缸涡轮增压柴油机7 8 马力 1 2 v 直流的辅助电源 该曲臂型高空作业平台特别适用于 大范围的作业 工作场所例如体育馆 码头 机场候机楼 船舶制造 都可以胜任 5 j 意大利p a l a z z a n ir a g n o 系列蜘蛛型伸缩臂式高空作业平台最大工作高度为3 4 米 水平 最长工作距离为2 8 米 整机尺寸为8 6 8 长 1 1 5 宽 x 2 2 5 高 可轻易通过窄门 行驶速度为2 k m h 且具有2 4 的爬坡能力 r a n g n o 装置主要由4 个折叠支腿构成的支 承架组成 安装在它上面的是一个转台 转台在滚珠轴承套圈上回转 钢制的多节伸缩 臂被铰链到转台上 并支撑吊篮 转台可以实现3 6 0 0 水平旋转 固定其上的两节伸缩臂 和吊篮也可以水平3 6 0 0 旋转 吊篮尺寸1 6 0 8 0 厘米 可以实现1 5 0 0 自旋转 r a g n o 系 列高空作业平台的动力源有2 4 v 直流电泵和2 2 0 v 交流电机两种模式 所有动作由液压 液压缸或液压马达驱动 通过控制阀改变液压油的流向 速度和流量 推动液压缸改变 行程和方向 完成各种动作的需求 控制系统采用p l c 作为控制器 与继电器控制相 结合 主要用于安全检测回路的控制 作为动作的约束条件 抗干扰能力强 可靠性高 均采用模块化结构 构成应用系统灵活简便 安装维护方便 6 j 法国h a u l o t t e 公司生产的h a 4 1p x 越野曲臂高空作业车具有4 l 米的工作高度和 3 9 米的平台高度 可最大水平延伸1 9 8 0 米 最大水平跨越高度为1 7 7 5 米 安全载重 2 长安大学硕士学位论文 为2 3 0 k g 工作平台尺寸为2 4 4 米 o 8 8 米 液压平台可水平旋转1 8 0 0 转盘可水平旋 转3 6 0 0 具有4 0 的爬坡能力 行驶速度为5 k m h 转弯半径为5 1 0 米 具有四轮驱动 与四轮转向 电气控制系统具有完全平衡比例控制 配合底部同步功能 过载安全保护 4 0 倾斜报警 1 2 伏平台平衡式控制系统 电动紧急下降系统 自由转向装置 定位装置 移动警报器 旋转指示灯 h a 4 1p x 越野曲臂高空作业车特点如下 1 越野四轮驱动保证更强劲的动力和爬坡度 即使在野外恶劣的地面环境也能运 行自如 2 独特的液压差速锁控制能锁住一个打滑的轮子 从而使车辆在泥泞 打滑地面 上也能保证正常行驶状态 3 四轮转向极大缩小了车辆转弯半径 在狭小空间也能操作运行 4 全电子比例阀精确平稳控制 实现无级调速 可以使任何2 个作业动作同时 进行 5 平台超载和倾斜感应装置最大限度保证安型引 叠 由此可见 在结构上 国外高空作业车以臂式结构为主 这样的优点是不工作和行 驶时可将伸缩臂收回或折叠 大大减小了整车体积并方便移动和停驻 当需要进行高空 作业时 整车停住 将伸缩臂伸长 展开 再结合灵活的地盘旋转便可进行大范围的高 空作业 另外 在作业范围上 国外的高空作业车在垂直方向 水平方向上达到了3 0 米以上的工作范围 先进的工作性能使其在市场上非常具有竞争力 在安全性上 随帮 计算机技术的发展以及机械 电子 液压一体化研究的发展 国外高空作业车的液压控 制系统和电气控制系统也不断发展 例如电液比例控制 c a n 总线技术 总之 国外 高空作业平台的发展趋势是致力于扩大工作范围使功能更加强大 提高整车安全性和可 靠性 使工作人员操作更加便捷与安全 1 2 2 国内现状 与国外高空作业机械发展相比 我国由于起步较晚 发展还不成熟 尤其是技术和 零部件的生产还比较落后 甚至有些需要一款从国外进口 目前我国高空作业平台以剪 叉式高空作业平台 车载式高空作业平台 套缸式高空作业平台为主 功能上大部分只 能实现在垂直范围 小幅度水平范围内工作 工作范围较小 例如锦州重型机械股份有 限公司的5 0 米工作高度作业车 沈阳北方交通重工集团的5 3 米工作高度作业车 徐州 重型机械有限公司的6 8 米工作高度作业车 虽然工作高度有显著提高 但水平范围工 作能力仍比较有限 另外 在高空作业平台产品中 国内最大的2 0 家工程机械制造商 3 第一章绪论 中以生产自行式高空作业平台为主要产品的企业非常少 只有徐工集团 杭州赛奇和中 联重科生产少量的车载式高空作业平台 而且车载式高空作业平台的销售量很小 几乎 可以忽略不计 国内生产高空作业平台的厂商很多 但是多数规模很小 生产规模比较 大的有杭州赛奇 浙江鼎力 京城重工等 但整体规模与国际厂商无法相比 1 8 一 1 0 l 杭州赛奇公司2 0 0 5 年生产的自行走四桅柱式平台g t w z l 2 4 0 1 2 采用高强度优 质铝合金材料 结构紧凑 整车尺寸为1 7 6 5 8 7 0 m m 液压驱动行走 可进入一般电梯 的轿厢以及能顺利通过门洞和狭小通道进行工作 平台最大高度为1 3 7 米 最大工作高 度为1 2 米 平台水平可延伸8 米 额定载荷3 0 0 k g 可同时承载l 2 人进行作业 自 重2 5 0 0 k g 4 8 v 直流电源供电 电气控制系统的安全检测回路采用p l c 控制系统 当 高空作业平台处于停电状态下 通过应急下降装置 放置升降台超载的安全装置 漏电 保护装置和缺相保护装置 从而保证整车的安全可靠l l 浙江鼎力公司生产的供应臂式高空作业平台g t b z l 6 a 最大工作高度为1 6 米 跨 越高度7 6 7 米 最大水平伸距为7 4 7 米 整车尺寸为6 9 4 米x2 3 0 米 2 3 3 米 最长 离地间隙为0 3 0 米 转台可3 6 0 0 连续回转 小臂变幅角度为1 3 0 0 7 0 0 6 0 0 伸缩 臂处于收拢状态时 机器最大行驶速度为6k 米 l l 伸缩臂处于起升 延伸状态时 机 器最大行驶速度为1 1k 米m 拥有4 0 的最大爬坡能力和5 0 的爬坡角度 整车重量为 7 5 0 0 k g 最大安全载荷为2 3 0 k g 可供1 人进行高空作业 在液压系统和电气系统方面 有c a n 总线智能控制 比例控制 应急泵 喇叭 倾斜保护与报警 自动调平平台 电路故障代码显示 平台液压摆动 发动机重启保护 超载限制 确保高空作业平 台在安全可靠的状态下运行 保证操作人员的安全 除此之外 还有一些选配装置 如 液压发电机 液压空气压缩机 液压高压水泵 液压油散热器 连接到平台的a c 电源 平台称重限制功能 e n 2 8 0 标准 平台工作灯 4 x 4 驱动和发泡轮胎1 2 x 1 6 5 1 1 2 与国外高空作业平台相比 近年来我国高空作业机械虽然进步很快 但仍有较大差 距 要想提高作业性能 缩短与国外的差距 应从以下这些明显落后的方面进行改进 1 作业范围有限 作业高度不够 大部分生产高空作业平台的厂家都是生产 l 牝5 米的高空作业产品 除了杭州爱知和徐州海伦哲公司 独立自主研发生产工作高 度在3 5 米以上并拥有主知识产权的高空作业机械企业非常少 而工作高度在3 5 米以上 的高空作业车基本依靠进口 2 安全性不够高 除了在前面提到的今年到现在为止各地出现的一些高空作业 事故 每年因为吊篮倾斜失衡 操作不当 伸缩臂断裂等原因 我国各地均发生过人伤 4 长安大学硕士学位论文 人死的高空作业事故 这说明我国生产的高空作业机械在电气控制系统上不给力 如吊 篮水平检测与调平装置 平台防碰撞系统 支腿平衡检测装置 自动限幅装置 在可靠 性上还有待提高 3 液压系统技术发展缓慢 没有及时应用新的液压技术 如今年来比例控制在 国外高空作业车液压系统上得到广泛应用 国内还停留在传统电液控制的层次 这就致 使国内高空作业机械在功能上得不到突破 只有拿出勇气和信心应用新技术新事物 自 己的产品才能不断完善功能 赢得市场 超越对手 4 机械系统 如同我国自主汽车受制于机械系统的限制 国内高空作业平台产 品在机械系统上也比较落后 比如底盘 我国目前还没有高空作业车专用底盘 只能选 择一般货车底盘 由于选择范围比较窄 给设计 造型带来许多困难 同样高度的高空 作业平台往往比国外产品的底盘大一个档次 造成车身宽 轴距长 使整车外形又大又 高 行驶也不灵活 1 3 1 4 1 1 2 3 控制系统现状 高空作业平台电气控制系统包括强电系统和弱电系统 强电系统包括照明灯 转向 灯 报警灯等 弱电系统主要是控制系统以及各种显示仪表 几年来我国一些企业和高 校在电气控制系统 尤其是弱电系统上进行了大量的研究与创新 杭州爱知工程车辆公 司开发了由微处理编程控制器 电液比例多路换向阀 双调压力传感器 双轴倾角传感 器组成的支腿电液调平系统 当四个支腿压力失衡时 位于其上的压力传感器检测到失 衡信号 进而使调平系统启动自动调平 将下车支腿的倾斜信号通过双轴传感器输入微 机控制系统 支腿调平程序根据倾斜的方向进行比例调平 燕山大学的马玉良同志设计 的基于c a n 总线的电气控制系统 作为电气控制系统核心的s p t k 2 0 2 3 控制器 通 过c a n 总线型网络进行通信 实现多任务协同控制高空作业车工作 上海派芬有限公 司开发出了以t t c 2 0 0 控制器作为主控制器的电气系统 主控制器t t c 2 0 0 具有开关量 模拟量输入 开关量 模拟量输出 p w m 信号输出 c a n 总线通信端口 通过将控制高 空作业车进行动作的电磁阀信号 安全回路的信号输入主控制器t t c 2 0 0 经t t c 2 0 0 处理后 输出控制高空作业平台执行相应动作和安全运行 综合来看 目前高空作业机械多采用以p l c 为核心控制器的控制系统 如吉尼 z t m 1 3 5 7 0 高空作业平台通过p l c 和继电器共同控制整车的动作执行与安全运行 作 业人员通过开关 操作手柄直接控制电磁阀得电或失电 高空作业平台进而做出动作 5 第一章绪论 p l c 主要通过接收整车各部位传感器的数据 判断并限制各部位动作机构是否在允许的 范围内进行工作 作为高空作业车动作的约束条件 如果出现不正常工作状态 做出相 应调整动作 从而实现安全检测和自动调整 第二 一直广泛应用于乘用轿车的c a n 总线技术开始进入高空作业机械的电气控制系统 c a n 总线的优势在于其超强的抗干 扰能力 可直接驱动电液比例阀 这样就使得控制系统可以通过c a n 总线进行实时通 讯从而协同多任务允许 1 3a r m 嵌入式系统 根据i e e e 国际电气和电子工程师协会 的定义 嵌入式系统是用于控制 监视或 者辅助操作机器和设备的装置 简单来说 就是嵌入到对象体中的计算机系统 具有嵌 入性 专用性 计算机的特点 嵌入性是指嵌入到对象体系中 有对象环境要求 专用 性指软 硬件按对象要求裁减 计算机指实现对象的智能化控制 一个典型的嵌入式系 统结构如下 输出 图1 1 嵌入式系统结构 其中 嵌入式系统硬件包括嵌入式处理器 各种类型存储器 电源 接口控制器及接插 件 软件包括板级支持包 b s p 实时操作系统 i 淝s 设备驱动 d e v i c ed r i v e r 协议栈 p r o t o c o ls t a c k 应用程序 a p p l i c a t i o n 嵌入式系统应用涉及金融 航天 电信 网络 信息家电 医疗 工业控制 军事 等各个领域 如图1 2 所示 6 长安大学硕士学位论文 图l 2 嵌入式系统应用领域 随着互联网的普及 半导体技术的改善 3 c 技术的快速融合和信息服务应用生活 化 嵌入式系统必将成为后p c 时代的主宰 必将刺激许多新的应用需求 例如信息家 电 医疗电子病历 微小型智能武器 其中信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域 只有按钮 开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求 具有用户界面 能远程控制 智能管理的电器是未来的发展趋势 如冰箱 空调等的网络化 智能化等 在工程机械领域 还没有以a r m 嵌入式系统作为电气控制系统的高空作业平台产 品量产 2 0 0 9 年 杭州爱知工程车辆有限公司和中国电子科技集团第5 2 研究所开发出 了以n x p l p c 2 3 7 8 a r m 7 构架 为核心控制器的嵌入式电气控制系统 2 4 j 该系统主要由 r s 2 3 2 4 8 5 及c a n 通信模块 模拟量输入模块 p w m 信号输出模块 开关量输出模块 开关量输入模块 电源模块等组成 设计完成后对各种控制功能和控制精度进行了长时 间的实车测试 在测试中 与没有采用a r m 嵌入式电气控制系统的车辆相比 操作人 员明显感觉现有系统对速度控制精度有显著提高 当超出作业范围时 控制系统能够自 动禁止会发生危险方向的动作输出 相比单纯依靠操作人员反馈 安全性和精度都有较 大提高 在嵌入式系统中 处理器是整个系统的硬件核心 实现整个系统的各路数据输入 数据处理 数据输出 基于a r m 架构的刚s c 微处理器芯片具有高性能 低功耗 低 价格 出色的实时中断响应 并且占用硅片面积极少 因此a r m 芯片在嵌入式系统中 作为核心控制芯片应用极广 比如手机 p d a m p 3 k m p 4 和种类繁多的便携式消费产 品 a r m 嵌入式系统广泛的应用也形成了基于a r m 的嵌入式系统开发成为嵌入式技 7 第一章绪论 术的主流 基于a r m 的嵌入式系统开发流程如下 1 确定硬件平台 2 建立软件开发环境 3 操作系统的选择 裁剪和移植 4 设备驱动程序的开发 5 应用程序的开发 6 系统调试 1 4 课题来源 研究内容及主要工作要求 本课题来源于 十一五 国家科技支撑计划项目2 0 0 8 b a j 0 9 8 0 6 高大空间建筑工程 安装维护设备技术与产业化开发 该课题的任务是设计开发具有自主知识产权 用于高 大空间建筑工程安装维护的蜘蛛型高空作业平台 主要包括对自行伸缩臂式高空作业平 台的机械系统 液压系统 电气控制系统进行设计 并在此基础上实现产业化 本论文的研究内容主要包括如下三项 1 通过查找高空作业机械发展与应用现状 尤其通过调查现代高空作业机械存 在的功能不足与安全问题 分析自行伸缩臂式蜘蛛型高空作业平台需要实现的功能和需 要达到的技术参数 在此基础上介绍蜘蛛型高空作业平台的机械结构和液压系统 2 根据蜘蛛型高空作业平台的安全控制要求和可靠性要求 设计基于a r m 嵌入 式系统的高空作业车电气控制系统 包括整个控制系统结构 硬件实现 硬件选型 操 作系统 应用程序 3 设计高空作业平台电气控制系统行车记录仪 包括硬件设计 软件设计 它 可以对高空作业车的工作状态进行实时记录 并对故障数据进行特殊记录 论文的内容及章节组织安排如下 第一章 绪论 论述了高空作业平台电气控制系统研究的背景 必要性 分析对比 了国内外高空作业平台的发展 应用 技术水平 电气控制系统 对a r m 嵌入式系统 进行了概述 第二章 对高空作业平台整车结构进行介绍 分析了其功能 结构 安全控制要求 并结合高空作业平台油路图分析了各部位的液压回路实现 第三章 基于a r m 嵌入式系统的高空作业平台电气控制系统硬件设计 在总结高 空作业平台的功能和动作要求的基础上 根据电气控制系统的控制要求确定基于a r m 3 长安大学硕士学位论文 的分布式控制方案 对主要的电气元件如检测装置 操作手柄以及控制器进行选型 第四章 高空作业平台控制系统软件设计 介绍了嵌入式操作系统g c o s i i 以及它 如何各应用程序进行调度 通过c a n 总线如何实现分布式a r m 控制器s t r 9 1 2 f w 4 4 间的通信实现 设计了实现高空作业平台各部位动作约束条件的应用程序 第五章 高空作业平台电气控制系统扩展行车记录仪设计 它可以对高空作业车的 工作状态进行实时记录 并对故障数据进行特殊记录 操作者可以查看任意时刻高空作 业车的完整工作状态数据 发生故障后 可以通过行车记录仪存储的数据进行事故分析 结论与展望 对全文进行总结 9 第二章蜘蛛型高空作业平台 2 1 引言 第二章蜘蛛型高空作业平台 高空作业平台 简称高空作业车 是指3 米以上 由液压或电动系统支配多支液压 油缸 用来运送工作人员和工作装备到指定高度的一种大型工程机械设备 到目前为止 高空作业车相关产品有 剪又式高空作业平台 车载式高空作业平台 曲臂式高空作业 平台 自行式高空作业平台 铝合金高空作业平台 套缸式高空作业平台六大类 广泛 应用于在建筑 市政 机场 电力 船舶制造 园林等部门 从事安装 维护 消防 抢险救灾 是当代先进的物种机械设备u 6 1 高空作业平台一般载荷较小 作业频率不高 但对整车的安全性 可靠性 自动化 程度要求较高 本章将分析蜘蛛型高空作业车的结构 功能 控制要求和液压控制系统 2 2 蜘蛛型高空作业平台概述 2 2 1 蜘蛛型高空作业平台的结构与功能 蜘蛛型高空作业平台如图2 1 所示 整车为车轮独立驱动行走 不需要额外车辆运 送或牵引 属于自行式高空作业平台 当到达工作场所时 酷似蜘蛛腿的四条支腿将整 车支撑起进行作业 支腿上方为可3 6 0 0 旋转的转台 转台连接伸缩臂 小臂的一端固定 连接着吊篮 高空作业平台通过转台回转 大臂小臂的伸缩与变幅实现在一定垂直范围 水平范围内进行作业 图2 1 蜘蛛型高空作业平台的外观简图 l o 长安大学硕士学位论文 如图2 1 所示 自行伸缩臂式蜘蛛型高空作业平台整体构造上分为上车部分和下车 部分 上车部分包括转台 大臂 小臂 吊篮 下车部分包括支腿 行走装置 车体 各部分功能如下 1 行走机构 蜘蛛型高空作业平台的行走装置为车轮独立驱动行走 不需要额外 车辆运送或牵引 通过自身提供的动力即可实现工作场所的转移 另外 通过操作手柄 可实现高低速二级变换和行走速度调节 上车部分完全收回归位时 高空作业平台才能 行走 2 支腿 支腿是整车的工作支撑机构 四条支腿保持平衡对整车的工作至关重要 因此在四条支腿上都装有压力传感器和微动开关 以实现支腿的空撑与平衡检测 并可 通过操作手柄调节支腿的提升下降 从而达到支腿平衡 支腿平衡后 方可进行上车作 业 3 转台 蜘蛛型高空作业平台的转台为左右3 6 0 0 可旋转平台 安全倾斜角度为士3 0 配合上面的伸缩臂动作可以使吊篮内的工作人员在垂直方向水平方向的很大范围内进 行作业 4 大臂 钢板焊制的箱型结构 共有三节 基本臂 二节臂 三节臂 全动力同 步伸缩 大臂全部伸出时为2 8 米 全部缩回时为9 米 这三部分伸出时臂长2 8 米 全 部缩回时臂长9 米 大臂除了可以实现长度的调节 还可以实现幅度的变化 大臂与水 平面的夹角 变幅角度为 1 5 0 8 0 0 5 小臂 小臂能够实现变幅即小臂的提升与下降 当高空作业平台通过转台旋转 和大臂伸缩到达目标工作地点范围内时 可通过小臂的变幅实现精确定位作业地点 大 臂和小臂的工作范围见图2 2 6 吊篮 装载工作人员进行高空作业 其安全载荷为2 0 0 k g 且可以进行左 右 7 0 0 旋转 为了保证吊篮不超载和保持平衡 在其部安装了称重传感器和双轴倾角传感 器进行重量和水平度得检测 吊篮的安全倾斜角度为士5 0 当其倾斜在士5 0 范围内时 吊 篮调平系统会启动电液自动调平整使其在1 5 0 范围内 若超出士5 0 可通过操作手柄进 行手动调平使吊篮恢复到小于5 0 范围之内 自行伸缩臂式蜘蛛型高空作业平台技术参数如表2 3 所示 第二章蜘蛛型高空作业平台 雁 广一 n f f i 耳j 1 挫 材 r j f 一f f f j r 弋s f l口 j r 1 广t 图2 2 伸缩臂的工作范围 表2 3自行伸缩臂式蜘蛛型高空作业平台主要技术参数 额定装载质量 l o o k g 载重质量最大装载质量 2 0 0 k g 车辆自身质量 6 2 0 0 k g 最大工作高度 3 0 m 工作臂高度 2 8 m 伸缩臂长度 9 2 8 m 变幅角度 15 0 8 0 0 作业性能 回转角度3 6 0 0 连续 吊篮旋转角度赳 亳7 0 0 最高车速o v 2 5 k m h 允许工作风速 4 k m h 车体全长 6 9 0 0 r a m 车体全宽 l6 0 i d 2 0 0 0 m m 车体全高 2 0 0 0 m m 车体尺寸车体轴距 2 0 0 0 r a m 吊篮尺寸 1 每2 0 0 8m 电池 4 8 0 k w 2 4 v 1 2 长安大学硕士学位论文 2 2 2 蜘蛛型高空作业平台控制要求 1 高空作业平台行走时 需首先使大臂小臂完全收回 吊篮归位 方可进行下车 行走操作 2 达到工作地点后 应首先使四条支腿将高空作业平台完全撑起 并使各支腿对 地面的压力相等达到整车平衡后 方可进行上车转台 伸缩臂 吊篮的操作 四条支腿 应具有压力检测与报警装置 并可通过操作手柄进行人工支腿平衡调节 3 转台上应有倾斜检测与报警装置 使转台在4 3 0 范围内工作 这时底盘为平衡 状态 方可进行伸缩臂与吊篮的操作 4 大臂 小臂应装有幅度限位装置 保证伸缩臂在规定的工作曲线内工作 防止 其进行变幅时超出角度安全范围 5 吊篮上应装有幅度限位装置 保证吊篮只能在左 右7 0 0 范围内旋转 6 吊篮上应装有称重 水平检测装置 并有相应的自动调平系统 除此之外 还 应可以通过操作手柄对吊篮进行水平调节 从而使吊篮在安全倾斜角度士5 0 范围内工作 防止侧翻 保证人员安全 7 吊篮上应有防碰撞检测与报警系统 可以自动检测附近有无障碍物及其距离 防止作业时发生高空碰撞 保证人员安全 高空作业平台进行作业时 如果周围发生意外情况或自身出现重大故障 动力丢失 液压泵停止工作等 应通过相应的紧急停止装置马上停止平台的所有动作 并通过应 急装置使工作人员安全返回地面 2 3 蜘蛛型高空作业平台的液压系统 高空作业车液压系统的动力源为柴油机或电动机 电动机驱动液压泵正常运行将 机械能转化成压力进而推动液压油流动 通过控制阀改变液压油的流向 速度和流量 推动液压缸改变行程和方向 最终完成各装置的动作需要 2 3 1 高空作业平台液压驱动回路 蜘蛛型高空作业车液压控制系统见图2 4 整个液压油路分为控制下车动作的油路 a 和控制上车动作的油路b 这两条油路由中心回转接头连接 油路a 为下车动作即整 车行走 四轮转向 支腿调节提供液压驱动 油路b 为上车动作即整车回转 大臂伸缩 大臂变幅 小臂变幅 吊篮回转 吊篮水平调节提供液压驱动 液压系统的动力源配置为柴油机 电