CN101135902A

CN101135902A - 除雪车用融雪剂智能撒布控制系统

Info

Publication number: CN101135902A
Application number: CNA2006100475665A
Authority: CN
Inventors: 孙威; 石刚; 白占元; 李正; 周侗
Original assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2026-08-30
Also published as: CN100495270C

Abstract

本发明涉及自动控制和工程车辆领域，具体公开一种除雪车用融雪剂智能撒布控制系统，包括中心控制器(PLC)，其输入端与各传感器相连，输出控制电动执行机构，并将实时工作情况传送给人机交互系统；信号采集及转换系统，测量并转换各传感器输出信号至中心控制器；电动执行机构由直线步进电机构成，与除雪车上的闸门相连，接受来自于PLC信号，人机交互系统由触摸屏构成，和中心控制器相连；包括控制算法的控制程序，存贮于中心控制器里，通过控制出料口闸门的提升高度控制融雪剂的撒布量。本发明能比较准确控制撒布量的、能够根据车辆行驶情况和路面情况自动调节融雪剂的撒布量，可以用于工程车辆上的自动控制。

Description

除雪车用融雪剂智能撒布控制系统

技术领域

本发明涉及自动控制和工程车辆领域，具体地说是一种除雪车用融雪剂智能撒布控制系统，它是以中心控制器(PLC)作为控制中心，结合传感器技术、数字电路技术来改造传统的工程车辆的人工手动控制方式，以达到精确控制其施工动作的目的。

背景技术

在工程车辆中融雪剂撒布车是比较常用的一种车辆，在北方的冬天每当下雪以后都会见到它的身影，在清除路面积雪方面发挥了很大的作用。但传统的撒布车辆融雪剂的撒布是人工控制的，是一种粗放型的撒布方式。这样会导致很多问题：一是有可能撒布的量不够、达不到融雪的目的；二是撒布的量比较多，造成资源浪费和环境污染。为了解决这种问题特别需要一种能比较准确控制撒布量的自动控制装置，能够根据车辆行驶情况和路面情况自动调节融雪剂的撒布量。但是，能满足该方面要求的系统至今尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种能比较准确控制撒布量的、能够根据车辆行驶情况和路面情况自动调节融雪剂的撒布量的除雪车用除雪剂智能撒布控制系统，采用本发明，操作人员通过人机界面可以根据下雪量输入需要的融雪剂撒布量，根据路面宽度输入撒布宽度，控制系统会根据车速和输送带的速度来自动控制撒布量，使撒布均匀合理。

为了达到以上目的，本发明的技术方案包括：

—中心控制器，其开关量输入端分别与各个控制参数的传感器输出相连，在获得控制需要的各个参数以后按照内置的控制算法计算出实时的闸门高度，产生输出控制信号给电动执行机构，控制闸门提升到所需高度；并将实时工作情况通过RS-422接口传送给人机交互系统；

—信号采集及转换系统，通过测量输送带转速的输送带转速传感器直接采集输送带转动轴的转动速度、来自物料传感器的监测物料有无的信号、限位传感器的限制闸门板位置的初始位置限位信号、并采集车速传感器的车速信号，用以放大车速信号、确定系统原始位置，将传感器输出信号送入中心控制器来控制融雪剂的撒布量；

—电动执行机构及人机交互系统，电动执行机构由直线步进电机构成，其输出轴与闸门相连，接受来自于PLC的脉冲驱动信号，人机交互系统由触摸屏构成，通过RS-422电缆和中心控制器相连；

—包括控制算法的控制程序，存贮于中心控制器里，通过控制出料口闸门的提升高度控制融雪剂的撒布量；

其中：物料输送带转速传感器输出的脉冲信号和输送带转动轴转速成正比；可在车速传感器和中心控制器之间加设信号转换装置；所述信号转换装置由高输入阻抗的射随前级电路和电压比例放大后级电路构成，用于获得来自电子车速表的车速传感器的微弱的电信号，并将其转换成能满足中心控制器输入需要的电信号；该信号为与车速成正比的电压脉冲信号；在所述直线步进电机上可设置手动控制器；

所述控制程序的具体流程为：上电后进行基本工作参数设置，然后检测闸门板的位置，通过限位传感器来检测闸门板上的挡片是否使限位传感器有信号输出，建立运动的位置参考，且检测限位传感器的表面是否有污物覆盖，如果闸门板不在原点位置，则执行系统工作的首次原点回归，再通过触摸屏人机界面输入撒布密度和撒布宽度，并对人工输入的工作参数进行正确性检查，如果有错误的话要给出必要的提示，要求重新输入；在工作参数输入正确以后开始车速的采集，当没有车速及输送带传感器没有信号输出的时候系统不工作；在取得车速信号和输送带转动速度信号以后闸门提升高度通过公式1来计算获得，将该高度转换为电动执行机构中的驱动脉冲数来驱动电动执行机构动作；

公式1：

S＝(K×β×δ×V₁)/V₂

其中：S是闸门提升高度，V₁是车辆行驶速度，V₂是输送带转速，β是撒布密度，δ是撒布宽度，K是与闸门形状有关的比例因子；

在系统的撒布误差允许的范围内，由车速变化而带来的闸门高度的变化不驱动电动执行机构动作。

本发明解决了多个关键技术问题，获得了如下有益效果：

1.本发明解决了从电子车速表的速度传感器直接获取PLC所需要的车速信号而又不影响电子车速表正常显示的信号匹配问题，能够准确测量车辆的行驶速度。

2.本发明采用预置模拟作业现场实际工作参数的方法，提供了模拟控制功能，在没有实际车速等控制参数的情况下也能实现控制功能。

3.本发明提供了步进电机直接手动控制功能(在步进电机驱动器上设置直接手动调节控制器，通过切换开关可以选择自动和手动两种工作方式)，作为自动控制的冗余备份。

4.由于采用控制算法，本发明实现了融雪剂的撒布精确控制。

5.本发明是除雪车融雪剂精确撒布控制系统，它的核心技术是PLC控制技术，传感器应用技术，信号匹配(应用信号转换装置)技术。它具有如下特点：

1)系统架构简单，主要由PLC、传感器、人机界面和电动执行机构四部分组成。

2)系统控制可靠安全性高，PLC控制系统在工业过程控制中应用非常广泛，能够适应复杂恶劣的工作环境。

3)安装应用简单，不需要改动原有车辆的机构。

6.由于采用本发明控制算法，解决了因车速微小变化导致高度的频繁升降的问题，实现了闸门高度的精确控制。

附图说明

图1-1是本发明控制系统框图。

图1-2是本发明控制系统原理图。

图2是反射式物料传感器安装示意图。

图3-1是透射式限位传感器安装示意图(闸门离开原点)。

图3-2是透射式限位传感器安装示意图(闸门处于原点(完全闭合))。

图4是输送带转速传感器示意图。

图5是信号转换装置原理框图。

图6是系统控制算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明将工业过程控制中应用比较广泛的PLC控制系统应用到工程车辆上以实现在恶劣环境中的可靠控制。如图1所示，整个系统的架构是以PLC为核心，传感器采集各个控制参数并输出给PLC，触摸屏接受工作人员输入的控制参数并发送给PLC并将系统的工作状态显示给工作人员。具体包括：

—中心控制器，采用小型可编控制器(PLC)，存有包括控制算法的具体控制程序，其系统连接方式及工作流程为：PLC的开关量输入端分别与各个控制参量的传感器输出相连；PLC在获得控制需要的各个参数以后按照控制算法计算出实时的闸门高度，再转换成脉冲信号从而驱动步进电机动作，使闸门达到需要的高度；在这个过程中还要经物料传感器实时的监测物料的有无，且在没有物料及时报警，并将实时工作情况通过RS-422接口传送给人机交互界面。

—信号采集及转换系统，其构成和工作过程为：共用到3种类型的传感器，测量输送带转速的输送带转速传感器(如光电码盘传感器)，测量物料有无的物料传感器(如光电反射传感器)，限制闸门板位置的限位传感器(如光电透射式传感器)。输送带转速传感器和输送带的转动轴相连，直接采集转动轴的转动速度，输送带转速传感器输出和转速成正比的脉冲信号。物料传感器安装在融雪剂的出料口，用来监测物料的有无，当有物料的时候光线会反射回来，物料传感器能获得反射回来光的信号，物料传感器有电信号输出，否则没有电信号输出。限位传感器安装在闸门板的完全闭合位置，通过闸门板上挡片的遮挡来获得闸门的初始位置，使整个系统有原始的位置参考。由于车速传感器和电子车速表相连，所以为了不影响电子车速表的正常工作，本实施例不将车速传感器和PLC直接相连，在车速传感器和PLC之间增加一个信号转换装置，该信号转换装置由高输入阻抗的射随电路和电压比例放大器构成，能够采集微弱的电压信号并转换成PLC需要的输入信号。该信号为与车速成正比的电压脉冲信号。

—电动执行机构及人机交互系统(指触摸屏人机界面)，其构成和工作过程为：电动执行机构由直线步进电机够成，经电机控制器接受来自于PLC的脉冲驱动信号，设：输入一个脉冲使步进电机轴移动的距离为一个步长，步进电机轴和货箱的闸门相连，步进电机轴的上下进出带动闸门的开启和闭合，步进电机轴的移动量由控制算法获得，步进电机轴的移动速度和驱动脉冲的频率成正比；选用直线步进电机的优点是不需要位置反馈就知道电机轴的实际移动位置；在步进电机上可设置手动调节控制器，该调节控制器为一方波脉冲发生器，通过切换开关可以选择自动和手动两种工作方式。人机交互系统由触摸屏构成，通过RS-422电缆和PLC相连。所有和控制系统的交互(包括：参数输入界面，工作情况监控界面)都在触摸屏上实现(包括撒布参数的输入，系统工作状态的显示等)。

—控制算法(控制算法内置于PLC里)，整个控制系统的架构以及控制过程的基础都是根据这个控制算法实现的。融雪剂装载在车载的漏斗货箱中，通过输送带将融雪剂经过一个控制闸门输送到货箱外并漏到撒布转盘中。通过控制出料口闸门的提升高度控制融雪剂的撒布量，理论和实际证明融雪剂的撒布量遵循以下简单的方程关系：

公式1：

S＝(K×β×δ×V₁)/V₂

其中：S是闸门提升高度(单位为m)，V₁是车辆行驶速度(单位为m/s)，V₂是输送带转速(单位为m/s)，β是撒布密度(单位为g/m²)，δ是撒布宽度(单位为m)，K(单位为m²/g)是与闸门形状有关的比例因子。

从以上的方程式中可以看出，有两个参数是要实时采集的，一个是车辆行驶速度V₁，二是输送带转速V₂。所以安装两个速度采集传感器。撒布密度β和撒布宽度δ为人工输入。K是和闸门形状有关的比例因子，在闸门形状一定的情况下K为常数。在得到这五个参数以后就可以实时的得到闸门所需要的提升高度，举例如下：

本系统中K＝7.2×10^-7m²/g

车辆行驶速度V1＝5.56m/s(20Km/h)

输送带转速V2＝0.1m/s

撒布密度β＝50g/m²

撒布宽度δ＝10m

由公式1可得S＝(7.2×10^-7×50×10×5.56)/0.1＝0.02(m)。

为了避免车速的微小变化造成提升高度的频繁变化，在控制算法程序里要采用必要的措施，即撒布误差在允许范围内的实时闸门高度变化，PLC不对执行机构输出驱动命令，从而避免出现不必要的提升高度的频繁调节。

如图2所示，物料传感器1(本实施例采用反射式传感器)安装在融雪剂的出料口，用来监测物料2的有无，当有物料的时候光线会反射回来，则物料传感器1能获得反射回来光的信号，物料传感器1有电信号输出，否则没有电信号输出。其中3为输送带。

如图3所示，限位传感器5安装在闸门板4的完全闭合位置，通过闸门板4上挡片的遮挡来获得闸门的初始位置，使整个系统有原始的位置参考。

如图4所示，测量输送带转速的输送带转速传感器8和输送带的转动轴7相连，直接采集转动轴7的速度，输送带转速传感器8输出和转速成正比的脉冲信号。

如图5所示，电子车速表与车速传感器并联，在采集车速传感器信号的时候，为了不影响电子车速表的正常显示，本实施例安装一个信号转换装置，该装置由高输入阻抗的射随前级电路和电压比例放大后级电路构成，能够获得微弱的电信号，并将其转换成满足PLC输入需要的电信号，该满足PLC输入需要的信号为和车速成正比的电压脉冲信号。

如图6所示，包括控制算法的具体控制程序流程为：在系统上电的时候，首先要进行系统运行的初始参数设置；检测闸门板也就是步进电机轴的位置以作为初始控制的位置参考等。具体流程如下：

在系统上电以后要进行控制系统的基本工作参数设置(工作状态初始化)，包括电动执行机构中步进电机的启动速度、加减速时间、工作速度等；工作参数设置完成后要检测闸门板的位置(限位传感器检测)，就是通过限位传感器来检测闸门板上的挡片是否使限位传感器有信号输出，其中有两个目的，一是进行电动执行机构(闸门板)原点的标定，建立运动的位置参考；另一个目的是检测限位传感器的表面是否有污物覆盖影响正常工作；在这里使用了一个PLC内部的标志寄存器M1，如果在10秒钟的时间内(本实施例10秒)连续检测到限位传感器有输并且标志寄存器M1处于置位状态，则闸门板处于完全闭合状态即原点位置；如果在10秒钟的时间内连续检测到限位传感器有输并且标志寄存器M1处于复位状态，则闸门板不在原点位置，并且限位传感器已经被污物覆盖。

如果通过上面的过程判断出闸门板不在原点位置就要执行系统工作的首次原点回归，在系统原点回归完成以后执行接下来的工程；由工作人员通过触摸屏人机界面输入撒布密度(如：50克到200克)和撒布宽度(如：2米到12米)，对人工输入的工作参数进行正确性检查，如果有错误的话要给出必要的提示，要求重新输入；在工作参数输入正确以后开始车速的采集，车速的采集是通过连续5次采样车速累加以后取平均值的方法来实现，这样可以滤除车速的瞬间变化；整个控制系统的工作条件对车速的要求是限制在50Km/h以内的，当没有车速的时候系统不工作，当车速大于上限的时候系统默认车速为50Km/h并且通过人机界面提示驾驶员降低车速；输送带传感器的有效输出也是系统工作的必要条件，驱动辊的转动带动输送带转速传感器，输送带转速传感器的输出脉冲和驱动辊的转速成正比，如果输送带传感器没有信号输出则系统不工作同时提示工作人员检查输送带；物料传感器检测物料的有无，在没有物料的情况下系统不动作，并进行无物料的报警提示；在取得车速信号和输送带转动速度信号以后闸门提升高度通过公式1来计算获得，将该高度转换为电动执行机构中步进电机的驱动脉冲数来驱动电动执行机构动作；车速的变化有的时候是很微小的，由车速变化引起的闸门的高度变化也是很微小的，为了避免因为车速的微小变化而使电动执行机构中的步进电机频繁的动作，在系统的撒布误差允许的范围内，由车速变化而带来的闸门高度的变化PLC不驱动电动执行机构动作。

Claims

1.一种除雪车用融雪剂智能撒布控制系统，其特征在于包括：

-中心控制器，其输入端分别与各个控制参数的传感器输出相连，在获得控制需要的各个参数以后按照内置的控制算法计算出实时的闸门高度，产生输出控制信号给电动执行机构，控制闸门提升到所需高度；并将实时工作情况传送给人机交互系统；

-信号采集及转换系统，通过测量输送带转速的输送带转速传感器直接采集输送带转动轴的转动速度、来自物料传感器的监测物料有无的信号、限位传感器的限制闸门板位置的初始位置限位信号、并采集车速传感器的车速信号，用以放大车速信号、确定系统原始位置，将传感器输出信号送入中心控制器来控制融雪剂的撒布量；

-电动执行机构及人机交互系统，电动执行机构由直线步进电机构成，其输出轴与闸门相连，接受来自于中心控制器的脉冲驱动信号；人机交互系统由触摸屏构成，和中心控制器相连；

-包括控制算法的控制程序，存贮于中心控制器里，通过控制出料口闸门的提升高度控制融雪剂的撒布量。

2.按照权利要求1所述除雪车用融雪剂智能撒布控制系统，其特征在于：物料输送带转速传感器输出的脉冲信号和输送带转动轴转速成正比。

3.按照权利要求1所述除雪车用融雪剂智能撒布控制系统，其特征在于：可在车速传感器和中心控制器之间加设信号转换装置。

4.按照权利要求3所述除雪车用融雪剂智能撒布控制系统，其特征在于：所述信号转换装置由高输入阻抗的射随前级电路和电压比例放大后级电路构成，用于获得来自电子车速表的车速传感器的电信号，并将其转换成能满足中必控制器输入需要的电信号；该信号为与车速成正比的电压脉冲信号。

5.按照权利要求1所述除雪车用融雪剂智能撒布控制系统，其特征在于：在所述直线步进电机上可设置手动控制器。

6.按照权利要求1所述除雪车用融雪剂智能撒布控制系统，其特征在于：所述控制程序的具体流程为：上电后进行基本工作参数设置，然后检测闸门板的位置，通过限位传感器来检测闸门板上的挡片是否使限位传感器有信号输出，建立运动的位置参考，且检测限位传感器的表面是否有污物覆盖，如果闸门板不在原点位置，则执行系统工作的首次原点回归，再通过触摸屏人机界面输入撒布密度和撒布宽度，并对人工输入的工作参数进行正确性检查，如果有错误的话要给出必要的提示，要求重新输入；在工作参数输入正确以后开始车速的采集，当没有车速及输送带传感器没有信号输出的时候系统不工作；在取得车速信号和输送带转动速度信号以后闸门提升高度通过公式1来计算获得，将该高度转换为电动执行机构中的驱动脉冲数来驱动电动执行机构动作；

公式1：

S＝(K×β×δ×V₁)/V₂

其中：S是闸门提升高度，V₁是车辆行驶速度，V₂是输送带转速，β是撒布密度，δ是撒布宽度，K是与闸门形状有关的比例因子。

7.按照权利要求6所述除雪车用融雪剂智能撒布控制系统，其特征在于：在系统的撒布误差允许的范围内，由车速变化而带来的闸门高度的变化不驱动电动执行机构动作。