成品油管道泄漏控制机器人液压传动及控制系统的设计.pdf

2 0 1 5年 5月 第 4 3 卷 第 9期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Ma v 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 9 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 9 。 0 2 4 成品油管道泄漏控制机器人液压传动及控制系统的设计 赵云伟 ，单根立 1 ．山东工业职业学院电气工程系，山东淄博 2 5 6 4 1 4 ； 2 ．河北科技大学机械 电子工程学院，河北石家庄 0 5 0 0 5 4 摘要 根据管道泄漏控制机器人 的功能要求和技术 指标，设计 了液压传动系统原理 图，介绍 了其工作过程。以 S T C 1 5 F 2 K 6 0 S 2单片机为主控制器，通过无线通信模块实现远程操作端的数据交互，并将接收到的数据解码为控制信息， 通过固态继电器控制电磁阀和电机的动作 ，进而实现对液压传动系统的远程控制。 关键词管道泄漏 ；液压传动 ；机器人 中图分类号T P 2 3 文献标志码B 文章编号1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 9 - 0 8 4 - 3 De s i g n o f Hy dr a u l i c Dr i v e a n d Co nt r o l S y s t e m f o r Le a k a g e Co nt r o l Ro b o t o f Re fine d 0i l Pr o d uc t Pi p e l i n e Z HA0 Yu n w e i ．S HAN Ge n i i 1 ． D e p a r t m e n t o f E l e c t ri c E n g i n e e ri n g ， S h a n d o n g V o c a t i o n a l C o l l e g e o f I n d u s t r y ， Z i b o S h a n d o n g 2 5 6 4 1 4 ， C h i n a ； 2 ． Co l l e g e o f Me c ha n i c a l a nd El e c t r o ni c En g i ne e rin g， He b e i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y， S h i j i a z h u a n g He b e i 0 5 0 0 5 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e f u n c t i o n a l r e q u i r e me n t s a n d t e c h n i c a l i n d i c a t o r s o n t h e l e a k a g e c o n t r o l r o b o t o f r e f i n e d o i l p r o d u c t p i p e l i n e ，t h e s c h e ma t i c d i a g r a m o f h y d r a u l i c d ri v e s y s t e m wa s d e s i g n e d，a n d i t s wo r k i n g p r o c e s s w a s i n t r o d u c e d ．D a t a c o mmu n i c a t i o n b e t w e e n t h e S T C 1 5 F 2 K 6 0 S 2 S i n g l e C h i p M i c y o c o S C Ma s a m a i n c o n t r o l l e r a n d r e m o t e o p e r a t i o n p l a t f o r m w a s i m p l e m e n t e d t h r o u g h t h e wi r e l e s s c o mmu n i c a t i o n mo d u l e ． Mo r e o v e r t h e r e c e i v e d d a t a we r e d e c o d e d a s c o n t r o l l i n g me s s a g e s ，a n d t h e s o l e n o i d v a l v e an d mo t o r a c t i o n we r e c o n t r o l l e d t h r o u g h s o l i d s t a t e r e l a y ． F i n all y ，t h e r e mo t e c o n t r o l o f h y d r a u l i c d r i v e s y s t e m i s i mp l e me n t e d ． Ke y wo r d s P i p e l i n e l e a k a g e；Hy d r a u l i c d ri v e ；R o b o t 0前言 成品油输送管道发生泄漏后 ，由于管道内的静压 很大，油品会从管道内喷射而出，并在空气中发生雾 化 ，对周边人民的生产生活构成严重威胁。针对上述 问题 ，课题组研制开发了一种管道泄漏控制机器人。 该机器人可以实现在上述工况环境下 ，通过远程控制 机 城臂 电缆 图 1 机器人组成结构 器 其前进、后退、转弯，安全行驶到泄漏处 ，通过调节 机械臂和漏油回收装置的位置实现喷射口的准确定位 ， 并通过回收装置实现油品的雾化控制和简单回收。该 机器人主要 由行走机构、机械臂、液压传动系统、电 气控制系统、电缆收放系统等部分组成，如图 1 所示。 液压传动系统及其电气控制系统是机器人的核心。 1 液压系统整体方案设计 功能性要求 能够保持 良好的直线行驶性 ，能够 前进 与后退 行驶 ，并 能够根据路况 自动 调速 ；能够左 右转向，并能够实现原地转动；能够实现可靠的限速 和刹车；能够实现大臂、小臂、收油器的稳定旋转 ， 实现收油器的准确定位。 技术 要 求 整 机 质 量 3 ． 7 k g ；行 走 速 度 0 ． 6 7 m ／ s ；最大爬坡角 度 2 5 。 ，收油器 最大承载力 2 2 ． 2 k N；满足 0区、I I a 爆炸环境工作要求。 按照对机器人的功能性要求，绘制了液压系统原 理 图，如图 2 所示 。 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 3 - 2 6 作者简介赵云伟 1 9 8 1 一 ，男，硕士研究生，讲师，研究方向为机电控制技术的科研与教学。E m a i l z h a o y u n 2 0 9 0 s i n a ． c o rn。 第 9期 赵云伟 等成品油管道泄漏控制机器人液压传动及控制系统的设计 8 5 动臂 小动臂 止 2 收油器L 3 后支撑 r I 剿 口 2昌] 5[ 一 ]L j - s 目 l } 铬 i I圈 i 山 ] 一 “ 口 山 西 ⑦ I L ． ⋯ 。。 1 I ； L 2 6 U _J 2 5 龆 图 2 机器人 液压系统原理 图 1 设备直线行走的实现。三联齿轮泵中 B l 、B 2 性能参数完全相 同，左右两个 马达性能参数也 完全相 同，一个泵单独为一个马达供油，保证 了机器人在不 要求转弯时的直线行走。当 1 1 Y A、1 2 Y A断电，1 3 Y A 、 1 5 Y A通电，左右马达正转 ，机器人直线前行 ；1 4 Y A、 1 6 Y A通 电，左右马达反转 ，机器人直线后退 。 2 设备左右转向的实现。电磁铁 1 1 Y A通 电， 1 2 Y A断电，液压油只能经节流阀 1 7进入左马达，左 马达的转速降低 ，机器人前行左转弯或后退右转弯； 反之，如果 1 1 Y A断电，1 2 Y A通电，机器人可实现 前行右转弯或后退左转 弯。当电磁铁 1 3 Y A、1 4 Y A 断电时，通过控制电磁铁 1 5 Y A、 1 6 Y A的通断电，可 实现机器人绕左履带向前逆时针转弯或向后顺时针转 弯 。电磁铁 1 3 Y A 通 电 ，左马 达正 转 ，电磁铁 1 6 Y A 通电，右马达反转 ，机器人绕 中心顺时针旋转 ；同 理 ，电磁铁 1 4 Y A 通 电 ，电磁铁 1 5 Y A通 电，机器 人 绕中心逆 时针旋 转。电磁铁 1 3 Y A、1 4 Y A、1 5 Y A、 1 6 Y A 断 电，左 、右马达停转 ，机器人停止 。 3 高低速实现。在低速大扭矩马达内设计了 两个马达 ，当通过三位 四通换向阀 1 9 、2 2液压油流 入左右马达时，若 电磁阀 1 7 Y A通电，从齿轮泵 B 3 中流出的液压油经两位四通的换 向阀 2 4使左右马达 串联，实现高速小扭矩输出，装置高速前行 ；若电磁 铁 1 7 Y A断 电 ，左右 马达 中的两个马达并 联 ，实现低 速大扭矩输出，装置低速前行。 4 定位调整系统。通过三位四通 电磁换 向阀 控制大臂 、小臂 、收油器驱动油缸的伸缩 ，实现收油 器上下行或旋转动作 。在油缸的进出油 口连接了单向 节流阀和溢流阀。单 向节流阀用来限制各部件下行的 速度 ，保证设备的稳定和安全。连接在油口的溢流阀 用做超载 阀 ，当喷射力 过大时 ，限制 驱动收油器的运 动部件继续运动，避免对机器人的破坏。 2 电气控制 系统设计 2 ． 1 硬 件 设计 电气控制系统的主要任务是接收远程操作端发来 的控制信息，驱动 2台防爆 电机、1 6只电磁阀等执 行相应的动作 ，主要由单片机、无线通信模块、驱动 电路 、继 电器接 触器电路组成 ，如图 3 所示 。 驱动 电 路 F 2 1 D L l - - q S S R 1 l 琶 警 I S S R 2 l ∞ _ _ 叫 l 0 I S S R 3 ln S S R4 U lS S R 1 8 ∞ 图 3 电气控制系统组成结构示意图 S T C 1 5 F 2 K 6 0 S 2 单片机带有 2 0 4 8 字节片内数据存 储 器 ，6 0 K程序存储器 ，1 T时间周期 ，不需 外部复 位、晶振电路，可设置为掉电和空闲两种节电方式 ， 非常适合于移动设备。根据机器人的通信距离和工作 环境要求，选用了北京捷麦通信器材有限公司研制的 F 2 1 D L 无线数传电台。该电台传输距离 2 4 k m；频 率范围 2 2 8 ～ 2 3 2 MH z ，无需申请频段 ，且收发一体 ， 发射功率 5 0 0 m w，发射 电流 ≤3 0 0 m A；有 T T L 、 R S 2 3 2 、R S 4 8 5等多 种 电 平接口；功耗低，抗干扰 能力 强，可 满 足 要 求。 S T C 1 5 F 2 K 6 0 8 2单 片机与 F 2 1 D L无线数传 电台的硬 件 连线 如图 4 所示 。 S TC1 5 F2 K6 0 8 2 F2 1 DL 图4 单片机与电台通信 的硬件连线 防爆 电磁阀的工作电压为交流 2 2 0 V，启动时电 流为 0 ． 5 9 A，停 留时电流 0 ． 2 1 A，按照负载电压 的 安全系数为 2 ，负载 电流安全系数为 5 ，选取了湖州 市菱湖兴菱电力电子厂生产的J G J 1 1 型单相固态继电 器 ，其最 大负载 电压 为 4 4 0 V，额定 电流为 3 A，控 制 电压 3 ～ 9 V，触发 电流 6 ～ 2 8 mA 。为防止 固态继 电 器内部元件击穿和过电流，在固态继电器的输出端并 联 R C吸收 回路 R2 0 0 Q，C0 ． 5 F 和 4 3 0 V 的压敏 电阻 ，并 串 联快速熔断器 ，具 体 电路 图见 图 5 。 当P 1 ． 0 输出高电平 时 ，三 极 管 导 通， P L 。 S S R输入端有输入 电压 ，输出端接通 。 图 5 电磁阀控制电路图 8 6 机床与液压 第 4 3 卷 防爆电机的工作 电压为 3 8 0 V，额定功率为 2 2 k W，电机的额定电流为 5 7 ． 8 9 A。考虑 电流 3 倍 的安 全 系数 ，选择 固态继 电器 的额定 电流 约为 1 8 0 A 。一 般的，固态继电器通态电流大于等于 2 0 A需加风扇 强冷 ，增加了产生火花的可能性，因此放弃使用 固态 继电器，采用继电器接触器电路实现电机的启动。通 过 固态继 电器驱动继 电器进而实现对 电机的控制 。 2 ． 2软 件设 计 软件设计 的主要任务是通过无线数传 电台把远程 端的控制信息接收下来 ，并对控制信息进行解码，获 取相应的控制信号 ，通过固态继电器驱动不同的防爆 通信，自定义通信协议。该协议 由起始符 、数据类 型、数据 、C R C 4个部 分组 成。起始 符 为 “ O x E B 0 x 9 0 ” ；数据类型主要 包括通 信操作 0 x 0 1 和动作 编码 0 x 0 2 ；数据主要指动作编码数据和通信操作 标识 。S T C 1 5 F 2 K 6 0 S 2串行 口有 4种工 作方 式。该 系 统采用方式 1 ，一桢数据含 1 0 位 一 个起始位 0 ， 8 个数据位和一个停止位 1 ；同时将数传 电台设置 为统一 的数据帧格式 。 为了更高效进行数据传输 ，对远程控制面板 上的 按钮和摇杆对应机器人动作进行编码 ，将其分为 定位 调整控制、行走控制、动力电机控制 3 个部分，用高 电机或 防爆 电磁 阀动作 。 四位 0 0 0 0 、0 0 0 1 、0 0 1 0分别加 以标识 ，用低 四位 标识 为使远程操作端和无线数传电台能够进行可靠的 各部分按钮和摇杆的具体编号，具体编号如表 1 所示。 表 1 动作编码明细表 动作名称 编号 控制的阀或电机 动作名称 编号 控制的阀或电机 启动 0 0 H M1 快速前进 2 0 H 1 1 Y A～1 7 Y A， M 2 停止0 1 H M1 、M 2 慢速前进 2 1 H 1 1 Y A～1 7 Y A， M 2 大臂放出 1 0 H I Y A、2 Y A、M1 原地左转 2 2 H l 1 YA 1 6 Y A， M 2 大臂收回 1 1 H 1 Y A、2 Y A、M1 原地右转 2 3 H 1 1 Y A～1 6 Y A， M2 小臂放 出 1 2 H 3 Y A、4 Y A、M1 慢左转 2 4 H 1 1 Y A一 1 6 Y A， M2 小臂收回 1 3 H 3 Y A、4 Y A、M1 慢右转 2 5 H 1 1 Y A～1 6 Y A， M2 收油器放出 1 4 H 5 Y A、6 Y A、M1 急左转 2 6 H 1 1 Y A一1 6 Y A， M2 收油器收回 1 5 H 5 Y A、6 Y A、M1 急右转 2 7 H 1 1 Y A一 1 6 Y A， M2 清障 1 6 H 7 Y A、8 Y A、M1 后退 2 8 H 1 1 Y A一1 6 Y A， M2 支撑 1 7 H 7 Y A、8 Y A、M1 运动停止 2 9 H 1 1 Y A1 6 Y A， M2 接 收器接 收到数据后 ，唤醒数传模块 ，从缓 冲区 内取出数据，并对数据进行 C R C运算 和验证，如果 效验正确，则根据数据类型判定是输出动作指令还是 执行通信操作指令；如果效验不正确则发送 0 X B B请 求重发。程序流程图如图 6 所示 。 厂 ] 初 始 化 数据 读取 完 毕 起始符正确 字 节数 是 否 正确 ＼／ L C RC 运算 巫圃 r_ L l 兰 苎 图 6 主程序流程图 3 结束语 管道泄漏控制机器人液压传动及其控制系统选用 防爆电磁阀、防爆电机等防爆器件，设计了基于本安 技术的单片机控制系统，并将电气控制电路安装于防 爆箱 内 ，实现整机 防爆 。机器人具备直线行走 、左右 转弯 、找管定位 等功 能 ，能够准确将 回收器定位 到泄 漏点 ，减少 了油品泄漏带来 的环境 污染 ，降低 了抢修 人员的风险 ，满足成 品油管道泄漏控制 的要求 。 参考文献 [ 1 ]刘文学， 单根立 ， 商国娟． 成品油管道泄漏装置液压系统 设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 1 4 6 0 6 1 ． [ 2 ]曹玉平， 阎祥安． 液压传动与控制[ M] ． 天津 天津大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ]赵云伟， 单根立， 商国娟． 输油管道维抢机器人无线控制系 统的设计实现[ J ] ．工业控制计算机， 2 0 0 6 ， 1 9 8 2 3 2 4 ． [ 4 ]国家技术监督 局． G B ／ T 7 8 6 ． 1 - 9 3 ， 液压 与气动 图形符 号 [ s ] ． 北京 中国标准出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 5 ]赵云伟， 单根立 ， 商国娟． 输油管道维抢设备无线电液控 制系统 的设计 [ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 6 1 1 1 5 1 6 ． [ 6 ]程德发， 孙强， 刘洪， 等． 兰成渝成品油管道泄漏监测系 统[ J ] ． 石油仪器， 2 0 0 9 1 0 1 0 1 2 ． [ 7 ]赵云伟 ， 单根立， 商国娟． 隔爆兼本安型无线控制系统的 设计[ J ] ． 电气开关 ， 2 0 0 6 6 2 O 一 2 1 ． [ 8 ]张海鸥． 防爆电气设备电缆引入装置设计探讨[ J ] ． 电气 防爆 ， 2 0 1 2 1 l 1 1 4 ． [ 9 ]艾克木 尼牙孜． 电路设计与电气防爆问题探讨[ J ] ． 电 气 防爆 ， 2 0 1 1 3 8 1 0 ．