dsp全液压数字化协同联控吊管机应用技术研究
摘 要摘 要随着天然气、石油等便于通过管道运输的能源在国家经济中的作用愈加扩大，且石油、天然气管道输送工程开始向长距离、大管道方向发展。由此管道施工领域加入了各种中大型管道施工专业设备以提高施工效率，其中最具代表性的设备就是吊管机（铺管机）。我们期望通过自动化控制技术达到类似吊管机等起重作业的设备可以脱离“红旗法”，更加自动化、智能化的自我完成起吊行走、下沟铺设等动作的目的。同时，由于单台吊管机在管道铺设施工中是很难发挥预计作用的，所以通常情况下至少需要3台进行协同作业，为了提高作业效率，通常在5台以上的履带式全液压吊管机构线进行作业，又由于每台全液压吊管机所处的位置，和作业要求不同，负荷以及环境影响也不一样，因此，需要根据作业实时情况需要进行多机协同联控。多机协同联控的重点在于单台吊管机之间的实时吊装工位标志信号的互相传递，由于作业环境的客观条件限制，需要采用无线通信，以此，本文研究的重点是建立基于无线通信模块的各吊管机控制核心DSP芯片之间实现实时工况信号传递的无线通信网络，论文首先就全液压吊管机作详细系统结构分析介绍；对全液压吊管机的工作装置部分的液压系统作了研究和分析；基于吊管机单机控制的电气系统图对单台吊管机的作业动作机制有了较为详实的了解；选用TI公司旗下F28335型DSP芯片作为系统用数字信号处理器做控制核心处理器开发研究，文章对无线通信网络的搭建提出来原理性的设计以及完成了部分硬件电路的设计和通信部分相关算法的设计；对多机协同控制也进行了原理性分析介绍。关键词：全液压吊管机；DSP；无线通信；协同联控目 录
第一章 绪论 1
1.1 全液压吊管机多机协同联控应用技术的研究背景 1
1.2 吊管机国内外发展历史和研究现状 2
1.3 研究多机协同控制应用技术的意义 2
1.4 本论文研究的主要内容 3
第二章 全液压吊管机具体形状结构介绍 4
2.1 底盘 4
2.2 工作装置 4
2.2.1 液压卷扬机 5
2.2.2 配重 5
2.2.3 其余工作装置 5
2.3 安全保护装置 5
2.3.1 全自动力矩限制器 5
2.3.2 其他保护装置 6
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
论文研究的主要内容 3
第二章 全液压吊管机具体形状结构介绍 4
2.1 底盘 4
2.2 工作装置 4
2.2.1 液压卷扬机 5
2.2.2 配重 5
2.2.3 其余工作装置 5
2.3 安全保护装置 5
2.3.1 全自动力矩限制器 5
2.3.2 其他保护装置 6
第三章 全液压吊管机工作装置液压系统分析 7
3.1 液压系统原理图介绍 7
3.2 液压系统原理分析 7
3.3液压系统控制 8
3.3.1吊管机电气系统原理图简介 8
3.3.2 液压系统控制原理介绍 9
第四章 多机协同联控系统硬件设计 10
4.1系统硬件元件选型 10
4.1.1 数字信号处理器简介 10
4.1.2TMS320F28335型DSP简介 11
4.1.3射频芯片选择及介绍 13
4.2多机协同联控无线通信网络原理分析 14
4.2.1典型DSP系统和典型移动通信终端原理 14
4.2.2无线发送接收模块电路设计 14
4.2.3协同控制原理介绍 15
第五章 多机协同联控系统软件设计 18
5.1 CCS开发环境简介 18
5.2协同联控无线通信部分软件体系结构图 18
5.3 关于串口通信模块SPI部分算法 19
5.4 主程序部分算法 23
结 论 22
致 谢 24
参考文献 26
第一章 绪论
1.1 全液压吊管机多机协同联控应用技术的研究背景
随着国家南水北调与西气东输等一系列大工程的开展与近些年来更加深入的建设，其中水流、天然气、石油都适合于运用管道输送，以此各种型号与材质的管道在上述国家工程中被广泛应用，同时由此引进了吊管机这一专业用铺管的工程机械设备。吊管机按照提升能力大致可分为20t、40t、70t、100t四个级别。吊管机大多以全液压推土机为底盘承载工作装置工作。吊管机的发展过程中，产生了多种多样的驱动系统工作装置，本文主要研究全液压吊管机[13]。
由于吊管机等起重吊运机械设备在工作的时候不能做到始终的圆转如意，图11所示吊管机驾驶人员在起吊、行走、下沟、变幅、对口等各系列动作中，时常需要现场工作人员人工通过实施“红旗法”来进行引导、纠正和指挥，大大降低了吊管机等起吊机械的作业效率，人工实施也可能影响工作质量与精度，同时一定程度上存在安全隐患。为了可以更加高效快捷并且保质保量的完成吊管机施工任务，并将施工人员从枯燥繁杂的工作中一定程度的解放出来，所以提出了对全液压吊管机进行基于DSP数字化技术的多机协同联控的应用技术研究这一课题。文章主要针对多台吊管机之间的实时吊装工况信号传递的实现进行研究。
图11 吊管机指挥作业
自数字控制器产生以来就被各国工程技术人员逐步应用到工程机械的电气化自动控制之中，但也仅仅常被应用于单台工程机械的液压或者电气系统控制，本文研究的多机的协同联控应用技术在当前尚属少见，在吊管机作业控制领域称得上是突破性的创新[16]。
1.2 吊管机国内外发展历史和研究现状
吊管机在起重机的基础上发展而来，在管道铺设作业方面显得相对专业。吊管机一般都由液力系统结构的装载机、推土机或者挖掘机等设备的底盘搭载工作装置而组成[3]。自吊管机应用于石油、天然气管道运输工程的管道铺设中，各国家地区的工程技术人员都对它做出了许多的结构改进和性能优化。世界上生产吊管机的厂家算是不少，国内厂家主要有三一重工、山推工程机械、泰山泰安工程机械等公司。
目前的吊管机产品单机控制都引入了较为先进的控制技术，比如反馈负载信号，过载保护系统的设计，全液压吊管机工作装置部分的液压系统多采用液压先导式控制，如此方便驾驶员能够灵活操控吊臂吊钩，同时机体的保护措施也做得日渐全面，考虑的方向也更加多向性，比如防车身倾覆、防侧翻等。
目前对全液压吊管机的研究主要集中在平衡重与液压系统的优化设计上，例如吊管机配重机构设计研究、配重装置动力学仿真与优化设计、配重机构强度分析及结构改进，在液压系统方面有对单泵作用和双联泵作用下液压系统的分析优化，以及对液压系统回路的进一步分析优化改进等。
图12 多功能吊管机
由于吊管机只是作为管道吊运行走、下沟铺设的专用设备，作用较为单一，不符合人们对施工设备向多元化智能化的诉求，催生了国内对多功能吊管机的研究，让其同时具有起吊与焊接的功能。将吊管机与移动电站有机结合，图12所示吊管机可满足吊管、焊接、供气的多功能作业要求[17]。
1.3 研究多机协同控制应用技术的意义
由于吊管机作业环境的复杂性，吊管机在管道铺设作业中遇到的困难颇多，吊管机驾驶员需要通过与外界工作人员的沟通接收吊装信息和实时工况，从而操作吊管机完成指定作业任务，大大降低了管道铺设作业效率，浪费了时间与人力资源。多机协同联控应用技术的提出一定程度上缓解了这个问题，通过工况信息的实时传递，经数字处理器迅速完成对吊装工位的信息处理，自动发出吊装驱动指令，与之前人工交流指挥作业效率上有了很大改善。
1.4 本论文研究的主要内容
本论文的主要课题是基于DSP数
第一章 绪论 1
1.1 全液压吊管机多机协同联控应用技术的研究背景 1
1.2 吊管机国内外发展历史和研究现状 2
1.3 研究多机协同控制应用技术的意义 2
1.4 本论文研究的主要内容 3
第二章 全液压吊管机具体形状结构介绍 4
2.1 底盘 4
2.2 工作装置 4
2.2.1 液压卷扬机 5
2.2.2 配重 5
2.2.3 其余工作装置 5
2.3 安全保护装置 5
2.3.1 全自动力矩限制器 5
2.3.2 其他保护装置 6
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论文研究的主要内容 3
第二章 全液压吊管机具体形状结构介绍 4
2.1 底盘 4
2.2 工作装置 4
2.2.1 液压卷扬机 5
2.2.2 配重 5
2.2.3 其余工作装置 5
2.3 安全保护装置 5
2.3.1 全自动力矩限制器 5
2.3.2 其他保护装置 6
第三章 全液压吊管机工作装置液压系统分析 7
3.1 液压系统原理图介绍 7
3.2 液压系统原理分析 7
3.3液压系统控制 8
3.3.1吊管机电气系统原理图简介 8
3.3.2 液压系统控制原理介绍 9
第四章 多机协同联控系统硬件设计 10
4.1系统硬件元件选型 10
4.1.1 数字信号处理器简介 10
4.1.2TMS320F28335型DSP简介 11
4.1.3射频芯片选择及介绍 13
4.2多机协同联控无线通信网络原理分析 14
4.2.1典型DSP系统和典型移动通信终端原理 14
4.2.2无线发送接收模块电路设计 14
4.2.3协同控制原理介绍 15
第五章 多机协同联控系统软件设计 18
5.1 CCS开发环境简介 18
5.2协同联控无线通信部分软件体系结构图 18
5.3 关于串口通信模块SPI部分算法 19
5.4 主程序部分算法 23
结 论 22
致 谢 24
参考文献 26
第一章 绪论
1.1 全液压吊管机多机协同联控应用技术的研究背景
随着国家南水北调与西气东输等一系列大工程的开展与近些年来更加深入的建设，其中水流、天然气、石油都适合于运用管道输送，以此各种型号与材质的管道在上述国家工程中被广泛应用，同时由此引进了吊管机这一专业用铺管的工程机械设备。吊管机按照提升能力大致可分为20t、40t、70t、100t四个级别。吊管机大多以全液压推土机为底盘承载工作装置工作。吊管机的发展过程中，产生了多种多样的驱动系统工作装置，本文主要研究全液压吊管机[13]。
由于吊管机等起重吊运机械设备在工作的时候不能做到始终的圆转如意，图11所示吊管机驾驶人员在起吊、行走、下沟、变幅、对口等各系列动作中，时常需要现场工作人员人工通过实施“红旗法”来进行引导、纠正和指挥，大大降低了吊管机等起吊机械的作业效率，人工实施也可能影响工作质量与精度，同时一定程度上存在安全隐患。为了可以更加高效快捷并且保质保量的完成吊管机施工任务，并将施工人员从枯燥繁杂的工作中一定程度的解放出来，所以提出了对全液压吊管机进行基于DSP数字化技术的多机协同联控的应用技术研究这一课题。文章主要针对多台吊管机之间的实时吊装工况信号传递的实现进行研究。
图11 吊管机指挥作业
自数字控制器产生以来就被各国工程技术人员逐步应用到工程机械的电气化自动控制之中，但也仅仅常被应用于单台工程机械的液压或者电气系统控制，本文研究的多机的协同联控应用技术在当前尚属少见，在吊管机作业控制领域称得上是突破性的创新[16]。
1.2 吊管机国内外发展历史和研究现状
吊管机在起重机的基础上发展而来，在管道铺设作业方面显得相对专业。吊管机一般都由液力系统结构的装载机、推土机或者挖掘机等设备的底盘搭载工作装置而组成[3]。自吊管机应用于石油、天然气管道运输工程的管道铺设中，各国家地区的工程技术人员都对它做出了许多的结构改进和性能优化。世界上生产吊管机的厂家算是不少，国内厂家主要有三一重工、山推工程机械、泰山泰安工程机械等公司。
目前的吊管机产品单机控制都引入了较为先进的控制技术，比如反馈负载信号，过载保护系统的设计，全液压吊管机工作装置部分的液压系统多采用液压先导式控制，如此方便驾驶员能够灵活操控吊臂吊钩，同时机体的保护措施也做得日渐全面，考虑的方向也更加多向性，比如防车身倾覆、防侧翻等。
目前对全液压吊管机的研究主要集中在平衡重与液压系统的优化设计上，例如吊管机配重机构设计研究、配重装置动力学仿真与优化设计、配重机构强度分析及结构改进，在液压系统方面有对单泵作用和双联泵作用下液压系统的分析优化，以及对液压系统回路的进一步分析优化改进等。
图12 多功能吊管机
由于吊管机只是作为管道吊运行走、下沟铺设的专用设备，作用较为单一，不符合人们对施工设备向多元化智能化的诉求，催生了国内对多功能吊管机的研究，让其同时具有起吊与焊接的功能。将吊管机与移动电站有机结合，图12所示吊管机可满足吊管、焊接、供气的多功能作业要求[17]。
1.3 研究多机协同控制应用技术的意义
由于吊管机作业环境的复杂性，吊管机在管道铺设作业中遇到的困难颇多，吊管机驾驶员需要通过与外界工作人员的沟通接收吊装信息和实时工况，从而操作吊管机完成指定作业任务，大大降低了管道铺设作业效率，浪费了时间与人力资源。多机协同联控应用技术的提出一定程度上缓解了这个问题，通过工况信息的实时传递，经数字处理器迅速完成对吊装工位的信息处理，自动发出吊装驱动指令，与之前人工交流指挥作业效率上有了很大改善。
1.4 本论文研究的主要内容
本论文的主要课题是基于DSP数
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