1.3　现场总线在液压智能控制中的应用

现场总线（Fieldbus）是用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。

1.3.1　现场总线的概念

现场总线作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通信等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。

现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通信网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点：具有一定的时间确定性和较高的实时性要求，还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。现场总线系统从网络结构到通信技术，都具有不同于上层高速数据通信网的特色。

一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS现场总线控制系统。人们一般把20世纪50年代前的控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统。一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通信是现场总线系统最显著的特征。

现场总线引入到电液系统的目的在于其主控模块特别适用于复杂的工业现场，具有电磁干扰低、抗干扰能力强、可以直接驱动多片电液比例阀等优点。由于总线上传输的信号是数字量，这样就大大地提高了电液系统的精度以及系统的抗干扰能力，从而改善了电液系统的性能与可靠性。

智能液压元件的基本功能之一是为液压元件服务的总线及其通信功能。

1.3.2　基于嵌入式控制器与CAN总线的智能监控系统

CAN总线是现场控制总线之一，它属于总线式串行通信网络，建立在国际标准化组织的开放系统互连模型OSI（open system interconnection）上。OSI由物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层7个层次组成，CAN总线实际只使用OSI底层的物理层和数据链路层。由于OSI的开放性、流行性和可靠性，使得以其为基础的CAN总线成为现场控制总线的首选类型。

嵌入式PLC系统具有体积小、成本低、抗干扰性强和可靠性高等特点，在现场控制中得到广泛应用。尤其是PLC所采用的开放式模块化体系结构与所具有的网络通信能力，使其能够完成复杂的机械装备现场监控任务，比较好地满足了现场控制系统的柔性化和开放性要求。在此，将嵌入式PLC和CAN总线技术应用于挖掘机电液控制系统。

（1）挖掘机电液控制系统的组成与工作原理

挖掘机是一种多用途工程机械，兼具军用与民用等功能，可以实施轻型工程装备牵引、救援作业，具有挖掘、起重、破碎、外孔等多种作业功能。其工作及行走装置主要是由铲斗、斗杆、大臂、行走履带及相应的操纵油缸、马达等组成的多自由度系统。挖掘机的操作比较复杂、安全性要求较高，导致驾驶作业人员的劳动强度很大。挖掘机向智能化发展是必然趋势。智能化工程机械通过各种传感器获取作业过程中的状态参数。挖掘机的智能化主要包含有3个方向，即挖掘机的智能监控、故障检测与预报、故障的远程诊断与维护技术，挖掘机单机智能化操控技术，以及基于网络的机群智能化控制与管理技术。将CAN局域网控制总线技术和嵌入式PLC技术应用于挖掘机的电液控制系统中，提高了电控系统的标准化和可扩充性，为今后的升级换代和走向国际市场打下良好的基础。

挖掘机电控系统由操控箱、显示器（虚拟仪表）、指示盒、信号中继盒、前悬臂中继盒、功率输出盒及安装在挖掘机作业机构和发动机上的传感器等组成，从功能上分为以下几个部分：

① 传感器部分　主要用来采集挖掘机工程过程中的状态信息参数，如液压缸极限位置检测，油缸的直线位移检测，左右回转马达的回转位移检测，液压系统压力、温度检测，滤清器堵塞状态检测，发动机转速、机油压力、水温等参数的检测。传感器的输出信号类型有开关量信号、模拟量信号、计数脉冲信号和压差信号，直接送入PLC控制器SPT-K-2023和SPT-K-2024中。

② 控制器部分　接收位置检测传感器、油缸位移传感器和马达计数传感器等的开关信号、模拟信号和脉冲信号，由控制器中的CPU处理后，数据分两部分输出：一部分数据送往到显示器（虚拟仪表），显示油缸等的位置信息、发动机状态信息、挖掘机作业状态报警信息等；另一部分数据送往电液比例阀等执行元件，控制油缸、马达等的动作，完成挖掘机的挖掘作业。

③ 显示器部分（虚拟仪表）　虚拟仪表采用显示器与主机集成设计，主要用来显示系统状态参数、挖掘作业的视频输入显示、挖掘向导功能及行驶导航功能。

④ 操作控制部分　操作控制面板上设置有液压系统的操作控制手柄、切换旋钮、拨挡开关、自锁按钮和指示灯等。操作人员通过这些按钮，控制挖掘机的挖掘、装卸载作业、短距行驶等。操作控制部分所产生的模拟信号和开关信号调制为CAN总线信号格式后输入到控制器，由其进行处理转换后输出到控制执行元件。

⑤ 执行元件部分　采用PSL型电控比例多路阀，该阀为德国哈威公司生产，可控制液压执行元件的运动方向和无级调节独立于负载的运动速度。控制器输出PWM信号至电磁阀线圈，通过激励电流大小控制阀的流量大小，控制液压元件的执行速度。

PLC控制系统的原理如图1-37所示。

（2）PLC控制系统的实现

挖掘机作业时，驾驶人员主要通过操作左侧位的斗杆/回转控制手柄和右侧位的动臂/铲斗控制手柄，产生4路模拟量控制信号，通过CAN总线传入到控制柜，控制相关的电液比例负载敏感控制阀，使斗杆油缸、回转马达、动臂油缸和铲斗油缸动作，完成挖掘作业功能。挖掘机行驶时，通过操作装置产生电信号，控制左右行走马达的电液比例阀动作，使马达正转或反转以及变速，实现挖掘机的行进和转向等功能。由此可见，挖掘机的电液控制系统是比较复杂的，输入参数和输出控制参数较多，因此采用了2台嵌入式软PLC控制器，一台作为主控制器，PLC控制器通过采集传感器的信号和操作人员的操纵控制信号，实现挖掘机的挖掘作业。主、辅控制器及主控盒之间通过CAN总线互连，数据通信采用CANOPEN协议，如图1-37所示。

① PLC的特点与选型　控制系统采用SPT-K系统控制器，该控制器为一种嵌入式的高性能工程机械专用软控制器，集成PLC、比例放大电路、数模/模数转换模块、继电器输出和PWM输出驱动为一体，特别适合在恶劣的环境条件下工作，该系列控制器的特点如下：

内置的嵌入式比例放大器，将多片阀的放大器集成为一体，输出可直接驱动电液比例阀，减少了外围辅助电路，有效提高了系统的可靠性；

模拟信号输入端子具备处理不同输入信号的能力，可连接电位计、热敏电阻、电流/电压信号变送器等多种工程信号，并可使用软件编程进行灵活设定；

基于CAN总线开发，提供了CANOPEN与CAN2.0两种总线接口，便于使用多个控制器组网。

由于挖掘机的液压系统比较复杂，共有15个模拟量输入、4个脉冲量输入、4个开关量输入、7个PWM输出，另有主控盒上的控制手柄和操作开关的信号输入，控制点多，控制逻辑复杂，因此采用2台控制器SPT-K-2023和SPT-K-2024构成主从式结构。另设置了作业显示终端进行状态参数的显示和导航、报警等参数的显示。各个部分之间通过CAN总线连接。

② 控制器资源配置　控制器的I/O资源配置如表1-6所示。

③ 电液比例阀的驱动方式　挖掘机的所有电磁阀的工作电压均为24V，负载敏感多路换向阀每联电磁阀的工作电流小于3A，可由PLC直接驱动阀芯动作。SPT-K-2023嵌入式PLC的PWM输出采用大功率MOS管图腾柱结构的推动级方式，输出引脚的特性为“正向电流输出型”。

嵌入式PLC的PWM输出口可以直接驱动电液比例阀，控制手柄操作电磁阀时，PLC采集角度传感器信号，经处理后改变PWM的输出驱动电流值，从而达到调整电液比例换向阀开度大小的目的。在控制过程中，PLC通过内置采样电阻来获取驱动电流的反馈信息，因此双向电液比例阀电磁线圈的驱动电路接线需采用2个输出引脚。由于双向电液比例阀的2个电磁线圈不会同时通电工作，所以对其驱动可采用3个引脚的接线方式，2个引脚接线圈的驱动输入接头，而第3引脚的电流返回线由2个驱动引脚共用。每个PWM电流返回引脚都具有单独的地址，能够与8个PWM输出端口的任何一个配合。为保护PLC输出级的CMOS功率管，在电液比例阀的电磁线圈端口上必须并联续流二极管，其接线方式如图1-38所示。

（3）嵌入式PLC的操作系统软件

① SPT-K控制器的初始化　基于CANOPEN协议的网络为主从式结构，网络中的节点号最小的控制器设置为主模式（MASTER），其他的节点设置为辅助（SLAVE）模式，这是因为节点号越小，控制器的优先级越高。系统使用标准的CAN数据格式，ID为11位，有效数据长度为8个字节，CANOPEN数据结构为：“CAN ID，DLC，D0，D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7”。

如果控制器需向CAN总线上发送数据，那么在初始化完成后，控制器从虚拟节点往总线上发送4帧TPDO：（CANOPEN_START_INIT、CANOPEN_END_INIT），第1帧PDO数据的ID为“0X180+控制器的节点号”，随后3帧依次为“0X280”“0X380”和“0X480”与控制器的节点号相加。

如果发送时数据没有变化，则每隔300ms控制器向总线发送一次数据。如数据变化了，则控制器会立即将更新后的数据发送到总线上。

② 操作系统软件　操作系统程序基于CoDeSys开发环境编写，按功能块结构进行程序设计：

a. 模块之间的通信程序的编写，包括CAN总线的初始化、PDO数据的发送、PDO数据的接收和参数设定等。根据系统需求与特点，将EPEC2023的节点ID定义为1，EPEC2024的节点ID定义为4，主控盒节点定义为3，由于显示器只需要从总线上接收信号而无输出信号，因而不需要定义节点ID。

b. 标度变换功能块、故障处理与报警功能块、逻辑功能调用模块和数据显示模块，主要完成坐标参数、状态参数的变换，故障的处理和报警、挖掘作业、行走作业的正常操作与防误操作等，以及发动机状态参数、液压系统状态参数、车体倾斜、GPS导航等信息的显示等功能。

通过功能模块调用，在挖掘机的行走、作业、导航等工况下，根据系统要求，保证电控系统的正常运行，控制液压系统按要求实现作业功能和车外远程操作功能等。

1.3.3　基于CAN总线的液压混合动力车智能管理系统

（1）液压混合动力车驱动系统的构成及工作原理

液压混合动力车驱动系统由车辆原有驱动系和液压辅助驱动单元构成，结构简图如图1-39所示。图中的虚线方框内为液压辅助驱动单元，主要由变量泵/马达、高低压蓄能器、电磁阀等元件组成，实现储存和释放能量的目的。

在液压混合动力驱动系统中，当车辆处于制动状态时，辅助驱动单元中的变量泵/马达以液压泵的方式工作，为车辆提供制动转矩，并将车辆的惯性能转换成液压能，低压蓄能器中的液体以高压的形式存储到高压蓄能器中；当车辆起步时，变量泵/马达以液压马达的方式工作，将高压蓄能器中的压力能转换成机械能并驱动车辆行驶，当行驶到一定速度时启动发动机，车辆开始正常行驶；当车辆爬坡时，液压辅助驱动单元与发动机经过动力耦合装置共同驱动车辆，以平衡发动机的功率，实现节能和减少尾气有害物排放的目的。

（2）液压混合动力车智能管理系统

智能管理系统包括：液压辅助驱动单元智能节点，制动、油门踏板智能节点，发动机智能节点和附件节点等。系统采用主从式结构，上位机采用车载工控机CTN-B0202GA，具有体积小、运算速度快、能耗低的优点；发动机和液压辅助驱动单元智能节点ECU采用ARM控制器，核心芯片为LPC2294，LPC2294具有运算速度快、可靠性高的优点。系统结构如图1-40所示。

（3）系统的硬件

液压辅助驱动单元节点与发动机节点设计思想和采用的控制器相同。

① 液压辅助驱动单元智能节点设计　液压辅助驱动单元采用图1-39的液压回路，其控制主阀为伺服比例阀，具有响应速度快、控制精度高等特点，电磁阀控制高压蓄能器的通断，达到释放和回收制动能量的目的。该智能节点具有信号采集检测和驱动的功能。检测功能是指回路中蓄能器的压力、变量泵/马达的转速、变量缸的位置，实现对变量泵/马达转速的精确控制，最终很好地完成与另一动力源发动机转速的耦合，使发动机处在最佳的工作区间，实现能源的最佳匹配。驱动功能是接受指令并输出信号，驱动电磁阀和伺服比例阀动作。液压辅助驱动单元ECU负责单元的管理，并实时与车辆驱动系统的上位机进行通信，接受其指令，并实时将节点采集的数据上传给上位机以保证单元控制和运行的可靠性。液压辅助驱动单元智能节点的电路原理如图1-41所示。节点采用ARM控制器，其核心是LPC2294，它是一款基于16/32位ARM7TDM1核，既可以执行32位的ARM指令，也可以执行16位Thumb指令，支持实时仿真和跟踪的CPU。LPC2294内部有16KB静态RAM和256KB的FlashROM，有高速I2C接口400kbit/s，8路10位A/D转换器、2个32位定时器、4路捕获和4路比较通道，晶振频率范围为1～30MHz；6个PWM输出、2个CAN通道；通过片内PLL可以实现最大60MHz的CPU操作频率。

LPC2294提供了8路的10位精度A/D转换模块，该模块的电压测量范围是0～3.3V。而传感器信号传出的模拟电压信号的电压范围是0～5V，所以信号采集及处理模块还要对其输出电压进行转化。传感器信号调理电路原理如图1-42所示。系统采用两级反向比例运算电路，把传感器的输出信号范围由0～5V按比例转换成0～3.3V；同时使用容阻滤波网络对传感器输出信号滤波，去除外部干扰得到稳定的输出电压信号。

② 油门踏板、制动踏板智能节点　油门踏板、制动踏板节点主要负责采集油门、制动踏板位置信号，并实时传递给上位机，以保证其对节点的实时监控。节点控制器运算要求不高，因此，本节点控制器采用单片机8051兼容芯片P89C54UFPN。节点电路如图1-43所示。车辆的制动踏板行程分为制动能量回收行程和紧急制动行程，为了防止驾驶员误操作，当制动行程接近紧急制动行程时节点控制器会发出报警，同时保证了制动能量最大限度地回收。智能节点选用SJA1000作为CAN控制器，SJA1000是一种基于单片机的独立CAN总线控制器，大量应用在汽车和普通的工业。CAN模块通过驱动器8X250与总线相连，它可以提供对CAN总线的差动发送与接受能力。SJA1000的TX1脚悬空，RX1引脚的电位必须维持在0.5VCC上，否则将不能形成CAN协议所要求的电平逻辑。由于传输距离较远，车辆环境复杂、干扰大，采用光电隔离，保证了节点通信的可靠性。

（4）系统的软件

液压混合动力车的智能管理系统主要作用是根据车辆运行的工况控制发动机、液压泵/液压马达和液压蓄能器的能量分配；协调发动机和液压辅助驱动单元（液压泵/液压马达）两动力源的动力耦合的精准性。由于控制系统具有复杂的动力分配控制策略和算法，并要求系统能够实时、快速地完成整车的动力分配，故在选定CTN-B0202GA工控机为上位机的同时，还结合了实时嵌入操作系统平台来完成控制策略的运算。制动踏板节点或油门踏板节点在其踏板被踏下时，向上位机发送踏板变化角度的数据。上位机接收到该数据后，向压力、转矩、转速等测量参数节点请求数据。上位机收到这些参数数据后，用这些参数运算动力分配策略，然后向液压泵/液压马达节点送出改变其排量的数据。液压泵/液压马达节点收到上位机的数据信号后，经过平滑运算处理，再向其I/O输出改变液压泵或液压马达排量的模拟电压信号，从而达到对液压混合动力车辆的控制的目的。CAN接口完全兼容SAE J1939/71协议，按照SAE J1939协议进行设计。智能管理系统运行主程序流程如图1-44所示。液压混合动力车辆的智能管理系统软件功能划分如图1-45所示。

（5）小结

对智能管理系统进行通信试验CAN总线波特率设为80k，通信距离为20m，数据更新周期为50ms，主要节点全部工作，系统连续工作48h未出现通信错误。车辆采用液压辅助驱动模式进行实车试验，系统正常工作24h无错误发生；同时，由于系统采用ARM控制器作为系统主要节点的控制器，其强大的运算能力，能够迅速地对节点故障进行查询和处理，实时保证了车辆的安全，有效地监控运行状态及协调驱动模式保证了车辆处于最佳的能源匹配。

1.3.4　CAN总线在平地机液压智能控制系统中的应用

平地机是一种以铲刀为主，配以其他多种可换作业装置，进行土地平整和整形作业的施工机械。

（1）系统总体方案

静液压全轮驱动PY200H型平地机行走智能控制系统采用微电子技术、智能控制技术和通信技术以及静液压驱动技术，实现平地机的恒速作业控制以及整机在线参数检测和故障诊断报警功能。其中恒速作业控制包括两个环节：自动换挡控制和恒速控制。自动换挡控制首先是根据行驶速度的设定值确定变速器按设定速度行驶所需的最佳工作挡位，然后自动变换变速器的挡位使其工作在最佳挡位；恒速控制是指平地机工作在最佳工作挡位后，采用PID（proportional，integral and derivative比例、积分和微分）调节控制方式保证平地机行驶速度按设定值恒速行驶。

控制系统总体方案如图1-46所示。该系统主要由前轮1、前马达2、电喷发动机3、前进挡电磁阀4、后退挡电磁阀5、驱动泵6、前马达电磁阀7、后驱动马达8、后马达电磁阀9、变速器一速电磁阀10、变速器11、变速器二速电磁阀12、后桥13、平衡箱14、后轮15以及发动机控制器、主控制器、换挡控制器和显示器组成。

控制系统采用了集散型计算机体系结构，即将整个控制系统功能分化为4个模块：电喷发动机控制器、主控制器、换挡控制器和显示器。其中，电喷发动机控制器根据发动机实际工况实现发动机转速控制等功能；主控制器实现整车状态参数检测和行驶挡位选择等功能；换挡控制器实现行驶挡位的实际控制等功能；显示器实现整车状态参数和故障报警信息的人机界面显示等功能。考虑到CAN总线通信技术在通信过程中具有的可靠性、实时性和灵活性等特点，系统中各控制模块通信采用CAN总线技术。

（2）系统硬件

静液压全轮驱动平地机行走智能控制系统硬件原理如图1-47所示，其核心模块主控制器和换挡控制器采用EPEC控制器，显示器采用自主开发的工程机械智能监视器，发动机控制器由电喷发动机自带。

发动机控制器、主控制器、换挡控制器和显示器之间采用CAN总线实现数据的双向通信，其中主控制器、换挡控制器和显示器之间采用CAN2.0B协议，电喷发动机控制器与主控制器之间采用J1939协议。

换挡控制器根据手动、自动选择开关输入的状态信号确定整车行驶控制模式为手动控制模式或自动控制模式。

主控制器检测车速电位器、车速传感器等整车状态传感器的输入信号，并根据车速电位器和车速传感器的输入信号确定自动控制模式下整车的行驶挡位。换挡控制器根据手动模式下换挡手柄输入的挡位信号或自动模式下由主控制器通过CAN总线发送过来的挡位信号向变速器输出挡位电磁阀控制信号，实现行驶挡位的变换。该系统能够实现后轮驱动和前后轮同时驱动两种驱动方式。后轮驱动时，前马达电磁阀7断电，变速器一速电磁阀10或变速器二速电磁阀12通电，电喷发动机3的动力经驱动泵6、后驱动马达8、变速器11、后桥13、平衡箱14最后到达后轮15。前后轮同时驱动时，前马达电磁阀7通电，同时变速器一速电磁阀10或变速器二速电磁阀12通电，电喷发动机3的动力同时传给前轮和后轮。

（3）系统软件

平地机行走智能控制系统软件包括整机状态参数检测及其控制模块和整机状态参数人机界面显示模块。整机状态参数检测及控制模块主要完成平地机作业过程中的自动换挡控制和恒速控制。根据手动、自动选择开关状态，平地机作业过程可选择为手动或自动控制模式。图1-48为自动控制模式下的自动换挡控制流程。自动控制模式下，首先根据设定车速计算所需最低工作挡位。如果所需最低工作挡位等于当前实际挡位，则首先根据设定速度调整发动机转速，待到设定速度同实际速度的误差小于设定误差范围后，采用PID调节方式对行驶速度进行恒速控制。如果所需最低工作挡位高于当前实际挡位，则需要结合发动机实际负载率大小确定平地机行驶状态。若发动机实际负载率低于负载率下限值，允许变速器自动升挡；若发动机实际负载率高于负载率下限值，则直接进入设定速度过高处理环节。

如果所需最低工作挡位低于当前实际挡位，则首先判断当前挡位下通过调整发动机转速是否能够保证平地机按设定速度恒速行驶。如果能够满足，采用PID调节方式对行驶速度进行恒速控制，否则对变速器自动降挡。

整机状态参数人机界面显示程序主要实现平地机整机状态参数的多语言显示、故障报警以及控制参数的在线标定等功能，取代了传统控制系统中的诸多仪表，使得参数显示准确、实时、明了。整机状态参数监控界面如图1-49所示，图中上部为平地机换挡方式、行驶方向和挡位的图文显示区域。中部区域为平地机实时状态参数显示区域。如有报警信息则显示在屏幕的左下角区域，并以红色字体显示。若有多条报警信息则采用分时循环显示的方式加以显示。在故障排除后，报警信息自动消失。

基于微电子技术、智能控制技术和CAN总线的平地机行走智能控制系统，可以实现平地机作业过程中的恒速行驶和自动换挡控制功能；具有友好的人机交互界面，可实现平地机整机运行状态参数的图文、汉字显示；可以实现平地机整机运行状态参数的实时监控和故障报警。该系统在实际施工过程中表现出了很高的控制精度。

1.3.5　液压驱动四足机器人控制系统

控制系统是四足机器人运动控制的核心部分，要求其能够实时地对四足机器人内外部环境信息进行采集和处理并对自身运动状态进行协调控制。在此依据液压四足机器人实验平台，开发出一套适合于四足机器人运行特点的控制系统，该系统具有工作性能稳定、可靠性高、实时性强、开放性好等特点。

（1）控制系统总体方案

液压驱动四足机器人属于复杂的多自由度机器人，要达到稳定运行的目的，不仅要对单腿的各个驱动关节进行精准控制，还要保证四条腿的协调控制能力，使得控制较为复杂。传统的单处理器和主从二级处理器结构，已经无法满足复杂控制策略对控制系统的实时性要求。在液压驱动四足机器人控制系统的研发过程中，按系统整体规模、驱动器个数、信息的采集和处理、各模块间通信方式和多任务实时处理等方面的要求，结合整机的实际结构，将控制系统设计为以CAN总线通信为主，以移植了实时操作系统QNX的PCI/104工控机为核心，以DSP为执行单元控制器的分层式控制系统。控制系统整体结构设计如图1-50所示，分为远程监控层、规划控制层、执行控制层三层。

① 远程监控层　远程监控层主要由监控计算机和操作手柄构成，监控机通过无线WIFI接收传感器获得的运动状态信息和外界环节信息并进行存储备份，用以检测机器人的运行状态。操作手柄通过无线方式将控制指令发送给机器人主控器，对机器人进行远程遥控。

② 规划控制层　主控制器用以接收操作手柄发来的指令，并负责机器人腿部和躯干上传感器的信息采集和处理，进行姿态解算、运动状态估计，进而根据相应的控制策略完成机器人任务规划、轨迹规划以及四足的协调控制，然后将指令信息通过CAN总线发送给各机器人腿部各控制器。为保证信息和处理的有效性和机器人运动的可靠性，系统对规划控制层的实时性要求较高。

③ 执行控制层　执行控制层采用分布式结构，机器人的每条腿都对应一个伺服控制器，控制器通过接收上层指令，并结合从液压缸上采集的力、位移传感器信息，利用控制器内部控制算法，计算得到控制输出，并将指令信息发送给各液压缸伺服阀，从而完成对液压缸的伺服控制。

四足机器人通过以上3个层次的任务完成对机器人运动的控制，各层之间采用不同的通信方式。远程监控层和规划控制层通过无线射频模块进行数据传输和控制，实现了对机器人的远程操控，规划控制层和执行控制层采用CAN总线的方式进行通信，相比于其他总线，CAN总线具有实时性高、数据传输可靠、连接方便、功能扩展性好等特点，实现了两层之间信息的可靠传递。

（2）控制系统硬件

① 主控制器硬件　主控制器选用研华公司生产的PCI104单板机PCM3363，处理器为Intel Atom D525，最高频率可达1.8GHz，在板内存高达1G，具有功耗低、尺寸小（96mm×90mm）、运算速度快等特点，另外可满足机器人在低温环境下工作的要求，并支持Win7、Win XP、Win CE、LINUX、QNX等多种操作系统，提供IIC、PCI104、RS232等接口，可外接鼠标、键盘、显示器等，满足系统需求。主控器主要硬件框图如图1-51所示。

PCI104-CAN板选用研华公司生产的PCM-3680，具有两个CAN口，波特率可达1Mbps，并具有自动检错功能。A/D板卡和PCI104-CAN板采用PCI104总线的方式与单板机进行通信，PCI104总线具有性能好、数据传输率高、兼容性好等特点，并且其堆栈式结构减小了主控制器系统的占用体积，使结构更加紧凑。其中，PCI104-CAN板用来实现与液压缸控制器的数据收发功能；A/D板卡选用研华公司的PCM38107，支持PCI104总线连接，该板卡有12个通道，用来对机器人腿部各个三维力传感器共12路信号数据进行采集；无线通信模块负责与监控层进行信息交换。

② 执行控制层硬件　执行控制层的硬件系统以TI公司生产的数字信号处理器DSP28335为核心芯片，该微处理器片内和外设含有许多模块如eCAN模块、A/D转换模块、串口通信、事件管理器等。芯片上含两个增强型CAN总线控制器，支持CAN2.0B协议，最高波特率可达1Mpbs。芯片上的两个eCAN模块分别用于接收上层指令和发送实时反馈。接口电路主要由收发器PCA82C250和CAN控制器组成，为提高数据通信的可靠性和抗干扰性，收发器需接入一个阻值为120Ω的电阻，以匹配总线阻抗。机器人每条腿上含有一套执行系统，其结构如图1-52所示，通过A/D芯片将力/位移传感器信息发送给微处理器，并结合上级发送的CAN指令信息解析出系统输出，通过D/A芯片和信号调理电路处理，将微处理器计算得到的信息发送给伺服阀，以控制腿部运动。

（3）软件系统

四足机器人软件框架亦采用模块化思想进行构建，分为监测控制层软件系统、规划控制层软件系统和执行控制层软件系统3个模块。其中规划控制层软件系统模块是整个软件系统的核心。

规划控制层软件系统的功能包括：接收遥控操作的命令（机器人的启停和步态选择等）；进行内外部传感器信息的采集，并根据相关控制策略，解算出控制代码；将控制指令通过CAN总线发送给执行控制层；发送运行状态数据到监控层。采用实时操作系统QNX作为该层软件系统的开发平台，QNX是真正的微内核实时操作系统，上下文切换和中断反应都在微秒级，属于强实时性操作系统。QNX下共有32个调度优先级，采用抢占式的、基于优先级的上下文切换和可选调度策略，保证了系统的实时性。规划控制层软件系统结构采用多线程的方式构建，与进程相比，线程具有占用空间小、上下文切换速度快、抢占式等优点。另外，线程可以与同进程中的其他线程共享数据，从而提高程序运行效率和响应时间。考虑到控制软件的实时性和可靠性，对各任务模块进行优先级的设计，如图1-53所示。传感器模块负责为系统提供输入数据，是控制算法解算的基础，故传感器模块拥有很高的优先级。模块内部的线程具有相同的优先级，采用轮转的方式进行调度，这样可以同时进行多个传感器数据的采集和控制算法通道的解算，又避免了由于多个线程频繁切换引起的执行效率降低等问题。

规划控制层软件由主线程和各任务子线程构建，主线程负责系统初始化和各任务线程的实现，任务线程负责在各自运行周期内具体任务的实现。规划控制层软件实现的总体流程如图1-54所示，控制软件各线程是无限循环任务，执行任务期周期按照控制软件的实时性和可靠性的要求进行设定，设置时要注意各任务的执行周期小于传感器的数据更新周期，以保证不会出现丢帧现象，另外要确保控制算法解算模块的速度，以保证液压机器人稳定运行。

（4）实验结果与分析

为验证控制系统软件及硬件设计的合理性和可靠性，现以实验室液压缸测试平台为控制对象，进行控制系统对液压缸控制的测试实验。

指令通过上位机生成，经CAN总线传输至下位机，下位机依据指令信号进行液压缸闭环控制，信号采用正弦信号，数据采样周期为1ms，将采集到的实时位置信息导入到Matlab中进行绘图，得到系统响应曲线，测试结果如图1-55所示。

图1-55中曲线R代表指令信号，曲线P代表跟踪信号，可以看出两条曲线的轨迹基本一致，经过相应计算可知，液压缸在实际运行中，幅值衰减小于5%，相位衰减小于10°，满足精度要求。实验过程中液压缸运行稳定，无冲击现象，满足液压四足机器人控制系统的要求。

1.3.6　基于双RS485总线的液压支架运行状态监测系统

煤矿综采工作面环境恶劣，众多电气设备引起很强烈的电磁干扰，装配的液压支架数量多，这使得液压支架电液控制过程极为复杂。原液压支架电液控制系统缺乏远程集中监测功能，液压支架的运行参数和状态信息不能实时传递给端头控制器及防爆计算机，很大程度上影响了液压支架电液控制系统的自动化水平。实现对液压支架运行状态的远程监测不仅可以确保液压支架电液控制系统的安全稳定运行，而且可以为液压支架电液控制系统的智能化分析和预警提供可靠的数据支撑和保障。

鉴于高产高效综采工作面的控制要求以及远程监测的重要作用，开发了基于双RS485总线的液压支架运行状态监测系统。该系统通过安装在液压支架上的间架控制器、装配在工作面终端的端头控制器以及远端防爆计算机之间的紧密配合，将采集到的液压支架状态信息进行存储及分析，生成故障预警信号和故障标志位，从而实现液压支架运行状态的远程监测。

（1）系统结构

液压支架运行状态监测系统是由防爆计算机、端头控制器、间架控制器组成的三级网络监控系统，如图1-56所示。

间架控制器是系统基础，通过阀线驱动电磁阀导通，同时与位移传感器和压力传感器相连接，将传感器采集到的电信号转换为数字信号，然后将液压支架立柱压力、推溜位移等运行参数上传给端头控制器。端头控制器通过存储巡检回来的液压支架运行参数，分析判断故障标志位和运行状态，并及时向防爆计算机发送故障预警信号和状态信息，实现远程监测。防爆计算机接收端头控制器发送的液压支架运行参数，经过判断筛选后将故障标志位等状态信息发送给采煤机控制系统和地面集控室。

（2）双RS485总线通信方案

RS485总线通信距离长，网络节点数多，通信稳定且容易实现，系统采用RS485通信模式和Modbus通信协议。由于既要考虑防爆计算机、端头控制器和间架控制器三者之间通信的稳定性和主从性，又要兼顾在线监测和远程控制，所以设计了一种双RS485总线通信方案。整个监测系统采用树枝状结构，所有的间架控制器并行连接在端头控制器的2条RS485总线上。一条RS485总线用于在线监测液压支架运行状态（称为巡检总线），另一条RS485总线根据巡检结果实现远程控制（称为控制总线）。2条总线并行运行，其中在线监测是远程控制的基础。只有端头控制器通过巡检总线接收到液压支架的运行参数（立柱压力、推溜位移、支架故障标志位以及间架控制器通信状态），对参数进行存储和分析，判断支架工作状态稳定、工作面顶板压力正常后，才可通过控制总线向间架控制器发送动作命令，实现自动化控制，同时将这些参数上传给防爆计算机及地面集控室，协调采煤机运行速度和乳化液泵站的液压，从而实现闭环控制。

（3）系统硬件

系统硬件主要包括端头控制器和间架控制器中的监测模块，由中央控制单元、电源电路、外部存储器电路、RS485通信电路组成。

① 中央控制单元　中央控制单元以C8051F020单片机为核心。C8051F020是一款8位定点运算单片机，时钟频率可达25MHz，能够满足实时性要求。C8051F020具有快速的指令执行速度（25MIPS）以及灵活的外设配置功能，通过设置交叉开关可达到灵活选择系统所需外部设备的目的。C8051F020配置2组UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）接口，满足系统多个异步串行通信接口的要求。

② 电源电路　电源电路结构如图1-57所示。C8051F020和外部存储器的工作电压均为+3.3VDC。为了提高通信的抗干扰性能，RS485通信电路的输入电压为+5VDC。

③ 外部存储器电路　外部存储器电路由地址锁存器和RAM存储器组成。控制总线分别与C8051F020的片选线、读/写线相连接，共15根地址选通线，能寻址RAM存储器64KB数据空间，满足稳定存储综采工作面所有液压支架运行参数的要求。

④ RS485通信电路　RS485通信电路采用MAX3088芯片作为RS485通信协议的收发器。端头控制器中央控制单元发出的通信指令经光耦隔离电路及MAX3088转换成通信信号，进而控制MAX3088的输出驱动器向RS485总线发送通信代码，与间架控制器通信。MAX3088能够驱动256个节点，驱动性能强，满足系统多节点驱动要求。MAX3088抗干扰性能卓越，其输出驱动器采用限斜率方式设计，使输出信号边沿不过陡，有效抑制了信号传输过程中产生的高频分量以及电磁干扰和终端反射，保障了端头控制器通信的稳定性和可靠性。端头控制器和间架控制器之间为一对多通信，通信过程如图1-58所示。采用重复发送机制来诊断通信故障，如果连续发送3次均无应答则进入等待状态，并认为该次通信失败。

⑤ 硬件抗干扰措施　综采工作面现场环境恶劣，通信干扰强，对通信的实时性和抗干扰性要求较高，因此端头控制器和间架控制器电路采取了抗干扰措施，主要包括光耦隔离电路、故障保护电路以及防高压侵入电路。

图1-59虚线框内电路为光耦隔离电路。该电路由光耦器件、限流电阻、上拉电阻等组成，连接C8051F020和MAX3088，实现了C8051F020工作电压3.3V与MAX3088工作电压5V之间的转换。由于光耦器件内部耦合电容很小，所以共模抑制比很高，消除了共模电压干扰。

为了消除RS485总线上的信号毛刺，吸收通信过程中产生的反射信号，采用故障保护电路。该电路在MAX3088输出端A、B之间跨接一个匹配电阻，并在A端接一个上拉电阻，在B端接一个下拉电阻，可在RS485总线没有信号传输时增大输出端A、B间的电压差，防止受到干扰而错误接收数据，有效提高了通信的可靠性、稳定性和故障保护能力。

防高压侵入电路如图1-60虚线框部分所示。在MAX3088输出端A、B间跨接防雷管和TV（transient voltage suppressor，瞬态抑制二极管），可有效消除浪涌干扰，起到共模防护的作用。经过TVS二次限压后，MAX3088两端电压被限制在6.8V左右，极大地削弱了高电压对RS485通信电路造成的危害。

（4）系统软件

① 开发环境　采用IDE（integrated development environment，集成开发环境）进行系统软件开发与调试。与L语言相比，选用汇编语言编程能够直接控制C8051F020的最底层资源，编程效率较高，可提高系统实时运行速度。

② 软件程序　软件包括主程序、中断处理程序、串口通信程序3部分。首先进行系统初始化设置和C8051F020管脚资源的配置。针对系统一对多通信的特点，端头控制器与间架控制器之间采用增强型串口通信模式，增加了硬件识别液压支架编号功能，在相同的串口通信波特率下，各间架控制器分频同时工作，不会发生冲突，提高了通信稳定性。

端头控制器可根据防爆计算机发送的采煤机位置分区段巡检参数，即巡检采煤机对应支架号的左右各15个液压支架间架控制器参数。

端头控制器接收到间架控制器返回的液压支架运行参数后，先将参数存储到临时存储区，进行CRC校验无误后，再存入外部存储器中的固定区域，如图1-61（a）所示。

当端头控制器接收到防爆计算机发送的通信命令后，进入串口。中断子程序，将存储在外部存储器的液压支架运行参数上传给防爆计算机，如图1-61（b）所示。

（5）抗干扰能力测试

在实验室环境下对系统进行抗干扰能力测试。大部分井下供电系统容易混入浪涌脉冲，因此主要进行幅值为2kV的浪涌抗扰度测试。

浪涌抗扰度测试是模拟电气设备在开关切换过程中产生的超过正常工作时的峰值电压和过载电流对设备电源线、输入/输出线、通信线路造成的影响。测试采用GB/T 17626.5—2008《电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验》（等同于IEC 61000-4-5）的方法，测试结果见表1-7。

（6）系统调试

① 实验室调试　为检验系统的可靠性和实时性，在实验室环境下进行系统通信性能测试。图1-62为通信波形，可见当端头控制器向RS485总线发送数据时，RS485总线电平由高电平跃变为低电平，提高了RS485总线的抗干扰能力。通信信号进入C8051F020之前由施密特触发器对其进行整形，保障了有效信号具有较高的陡峭度。每个尖峰脉冲即为端头控制器与RS485总线中的1个间架控制器通信，可看出通信稳定，时间间隔短，抗干扰能力强。

端头控制器发送完巡检命令后，间架控制器根据接收命令顺序将运行参数返回。运行参数存储在端头控制器外部存储器的0X0400～0X1400存储区域中，存储形式为支架号+前立柱压力+后立柱压力+推溜位移+伸缩压力+状态位。部分运行参数存储结果见表1-8。

当收到防爆计算机的上传参数命令后，端头控制器将运行参数从外部存储器指定区域中调出来发送给防爆计算机。实验得到的端头控制器上传运行参数见表1-9，数据存储格式为支架号+对应的参数。

　　从表1-9可看出，端头控制器上传给防爆计算机4个液压支架的运行参数。其中状态位有8个标志位，包括工作面间架控制器急停、闭锁状态，支架推溜到位状态，支架前后压力是否正常状态等，准确显示出工作面间架控制器和液压支架的运行状态。

② 工业现场调试　在山西某矿对系统进行现场安装调试，如图1-63所示。间架控制器安装在液压支架上，连接压力传感器和位移传感器，可采集立柱压力、推溜位移等液压支架运行参数并上传至端头控制器。防爆计算机接收到端头控制器发送的液压支架运行参数后，可显示采煤机位置及各液压支架立柱压力、推溜位移等信息。

（7）小结

① 液压支架运行状态监测系统采用增强型RS485串口通信方式，以MAX3088为主通信芯片，建立了一套快速稳定的通信网络，数据传输速率可达10Mbit/s，远高于普通RS485总线2Mbit/s的通信速率，为实时、稳定地监测液压支架运行状态提供了保障。

② 建立双RS485总线通信模型，提出在线监测和远程控制并行执行的方案。在线监测是远程控制的基础，确保了控制的安全性和准确性；远程控制与在线监测形成闭环过程。二者互相补充，互相依靠。

③ 系统硬件设计中采用光耦隔离电路、防高压侵入电路和故障保护电路的抗干扰措施。该系统通过了GB/T 17626.5—2008中的浪涌（冲击）抗扰度试验。

1.3.7　数控液压板料折弯机控制系统

折弯是将各种金属毛坯弯成具有一定角度、曲率半径和形状的加工方法。折弯机是板料折弯的专用装备，由于其操作简单、工艺通用性好，在钣金加工行业中得到广泛的应用。数控液压板料折弯机（简称折弯机）在国内市场占据着绝对的优势。

一种基于PC的开放式折弯机控制系统，硬件平台基于华中数控公司的华中8型系统，采用模块化设计思想，具有良好的可扩展性，提供基本的I/O、A/D、D/A、编码器反馈等硬件资源。控制系统软件运行在Windows平台下，人机交互界面和工艺规划计算模块等采用C++语言开发运行在操作系统的用户态，核心控制算法基于WDM（Windows Driver Model）设备驱动程序开发运行在其核心。

（1）折弯机的工作原理

折弯机的工作原理如图1-64所示。折弯机的数控轴分为如下几类：①Y1、Y2轴，液压缸驱动滑块上下运动，实现折弯机的主要工作行程；②X1、X2、Z1、Z2、R轴，均为后挡料定位控制轴；③V轴，控制下工作台沿折弯线方向的加凸量；④A1、A2轴，随动托料轴。折弯机支持自由折弯、压平折弯、压底折弯、压平和压底折弯4种折弯方式，其中应用最多、最复杂的是自由折弯。对于通用的“3+1”轴标准配置的折弯机，即仅有Y1、Y2、X1和V轴（其余数控轴用户可以根据需要选配），具体实现过程为：V轴首先达到数控系统设定值控制下工作台的加凸量（存在液压油缸补偿和机械楔块补偿两种方式），然后后挡料挡指移至数控系统设定值，确定工件折弯线的位置，滑块根据数控系统计算的Y轴下压量下降至下模内一定深度进行折弯，然后回程，重复以上过程直至工件加工完毕。

（2）折弯机控制系统架构

① 概况　控制系统架构如图1-65所示。该系统分为2个部分：工艺规划部分和系统控制部分。

硬件平台基于华中数控公司的华中8型系统，数控装置HNG818C与HIO-1000A型总线I/O单元通过具有自主知识产权的NCUC现场总线通信。NCUC现场总线的强实时性、高同步性和高可靠性，使得其在自动化工业控制领域，尤其是数控领域，得到了广泛的应用，在高档数控机床、数控系统IPC单元等硬件平台如华中8型总线式数控系统上，都取得了很好的效果。在此，IPC单元是数控装置HNG818C的核心控制单元，属于嵌入式工业计算机模块，采用CF卡程序存储方式，具有USB、RS232、LAN和VUA等PC机标准接口。

Y1和Y2轴通过轴控制模块分别获取2套光栅尺的位置信息，反馈给控制系统进行比较，再由控制系统分别计算出比例阀的控制电压，通过D/A模块输出给比例阀放大器调整阀口开度，来实现两轴的同步和下死点的定位，属于全闭环控制。X1轴伺服系统工作在速度控制模式下，通过轴控制模块获取伺服电机尾部光电编码器的位置信息，反馈给控制系统计算出控制电压，通过D/A模块输出给伺服驱动器，来实现后挡料挡指的定位，属于半闭环控制。V轴根据机械结构不同，分为两种情况（图1-65中描述的是机械楔块补偿方式）：液压油缸补偿方式通过D/A模块输出给比例阀放大器，控制比例减压阀的压力；机械楔块补偿方式通过I/O模块控制继电器，实现三相交流异步电动机正反转运动，达到直线位移传感器（通过A/D模块采集电压，换算成位移）的设定值停比运动。另外，通用的I/O模块获取接近开关、按钮等状态，输出控制指示灯、继电器等。

② 折弯机工艺规划部分　控制系统软件运行在Windows XP平台下，人机交互界面和工艺规划计算模块等采用C++语言开发运行在操作系统的用户态，如图1-66所示，主要功能包括：材料数据库、机床建模、模具设计（支持图形绘制模具和参数化模具两种方式）、图形编程、数据编程、自动工序规划、干涉检测、3D几何仿真、系统参数等，支持全触摸屏操作模式和多语言实时切换等高级功能。另外，工艺计算模块也内嵌于其中，包括：Y轴下压量（考虑回弹补偿和减薄），X1轴目标位移和退让距离、折弯力、毛坯展开长度、V轴挠度补偿计算、角度校正数据库等。

同时，考虑普通用户和主机厂商对参数修改的权限差异，提供专家模式界面及其权限体系，防止低权限的普通用户错误修改核心参数导致设备无法正常运行。现场折弯机操作提供两种操作模式：手动模式和自动模式。手动模式灵活性较大，用户可以自由选择折弯方式、输入折弯角度、模具类型等参数。自动模式的折弯数据经过图形编程、自动工序规划、数据编程等过程，针对用户的需求给出优化的折弯方案和数据，内部还支持单次和连续两种方式。

③ 折弯机系统控制部分　控制系统的核心算法基于WDM设备驱动程序开发，运行在操作系统的核心态，如图1-67所示。系统实现了1ms的硬件中断，在每个中断周期处理过程中，先经过NCUC现场总线在上行数据区获取HIO-1000A型总线I/O单元的编码器反馈、数字量输入、模拟量输入等信息，经过计算处理后，将控制指令写入到下行数据区的数字量输出和模拟量输出区域中，再次经过总线发送到HIO-1000A型总线I/O单元执行。

设备开机实际加工之前，首先必须机床回零，建立机床坐标系。系统下达回零指令，同时获取系统参数，主要包括：编码器计数方向、回零速度、参考点位置、回零方式（Y轴支持撞缸点回零和Z脉冲回零两种方式）等，通过IRP（I/O request packet）传递到核心态的回零管理器。回零管理器处理回零操作，主要包括：将Y1和Y2轴比例伺服阀模拟量电压、X轴伺服驱动器控制电压等，写入到下行数据区，经过总线发送，同时还需要获取上行数据区数据，判断回零是否成功。回零成功后，停比回零操作，写特定标志位。

设备在实际加工过程中，在用户态获取人机交互界面上的折弯数据，如：夹紧点、速度转换点、下死点、快下速度、工进速度、保压时间、回程距离、回程速度等，经过运动插补器，插补成离散数据点，写入到共享内存区。在每个中断周期处理过程中，控制器从共享内存区获取目标值，上行数据区获取实际反馈值，同时从系统参数中获取PID和前馈增益参数，经过内部计算，结果最终写入到下行数据区。同时，把每次Y1、Y2、X1轴的实际位置、输入D/A等信息，写入到另外1个共享内存区。由于驱动层不支持浮点数计算，核心态控制器中仅支持整形数计算，写入到共享内存区中的数据必须经过数据解析器，最终在界面上显示，及存储到文件中便于后续分析。

其中PLC执行器，专门负责处理外部实际IO触点和内部虚拟IO触点，经过与或非逻辑运算、延时处理后，写入到下行数据区。

（3）折弯机系统Y轴同步控制方案

系统采用全闭环电液伺服控制技术，滑块位置信号由两侧光栅尺反馈给控制系统，再由控制系统控制比例伺服阀的阀口开度，调节油缸进油量的多少，从而实现Y1和Y2轴的同步运行。Y轴同步控制方案采用交叉耦合控制策略。如图1-68所示，将Y1和Y2轴的位置信息进行比较，从而得到一个差值经过调节器，作为附加的反馈信号。这个附加的反馈信号作为跟踪信号，系统能够反映出任何一根轴上的负载变化，从而获得良好的同步控制精度。实际测试：系统在快下段的同步偏差在0.5mm以内，在关键的工进段同步偏差在0.03mm以内。图1-69是自主开发的Y轴分析软件界面，专门用于辅助分析Y轴同步情况和调整控制器参数。

（4）小结

基于PC与现场总线的开放式折弯机控制系统，具有使用方便、成本低廉、性能可靠、扩展性好等优点。系统在PPEB100T-3M的数控液压板料折弯机上实际测试，Y轴定位精度达到±0.01mm，X1轴定位精度达到±0.1mm，并且能够很好地满足Y轴同步控制的要求。系统运行稳定可靠，性能与荷兰Delem公司DA65W系统基本一致。

1.3.8　现场总线型液压阀岛

就电液一体化的控制元器件而言，液压阀岛可以成为小型液压集成单元与控制器的集成化设备。

（1）阀岛的控制技术

在机电液一体化的控制系统中，控制器通过传感器获取系统状态信息，同时基于传感器信息按照一定的程序控制输出信号给相应的驱动器，从而实现预定的机械动作。随着机器设备功能的越来越强大，与之相配套的控制过程也越来越复杂，这样，控制器输出的信号也就随之越来越多。因此，这类系统中存在大量电磁阀和信号、能量的连线，对于成套自动化制造设备来说则尤其如此，这导致电控系统的故障率高，设备的维修和管理也带来诸多不便。因此，简化电路连接，提高系统组建柔性，一直是阀岛技术的重要改进内容。

阀岛技术产生以来，其控制技术已经从多针接口式阀岛发展成为现场总线型阀岛。采用多针接口后，可编程控制器与电磁阀、传感器电信号输入端之间的接口简化为只有一个多针插头和一根多股电缆。与传统方式实现的控制系统比较可知，采用多针接口型阀岛后系统不再需要接线盘。节省了电控回路的设计、安装、维护时间，使机械制造和维护过程大为简化。而进一步发展到现场总线型阀岛后，每个阀岛均带有一个总线输入接口和一个总线输出接口。这样，当系统中有多个带现场总线阀岛或其他带现场总线设备时可以由近至远串联连接。与带多针插件的阀岛组成的系统比较可知，带现场总线阀岛与外界的数据交换只需通过一根4股或2股的屏蔽电缆实现，大幅度节省了接线时间。由于连线的减少使设备所占的空间减小，维护也更为方便。

从发展趋势而言，阀岛应发展成为标准的现场总线第三方设备（如PROFIBUS总线、CAN总线等），在利用总线技术及设备（如PLC、PAC等）构建控制系统时，阀岛可以作为系统模块直接组态进入现场总线控制系统（与变频器、智能传感器等第三方设备类似），成为总线系统的独立节点（图1-70），由上位机统一组态及监控。就进一步发展而言，阀岛应成为传感器、控制、液压（气动）的机电液（气）一体化模块，高度集成化的模块本身具有编程设定能力，可以进行所需要的子系统程序开发，从而进一步提高系统构建的柔性，减少控制系统组建时间，提高控制性能。

（2）PROFIBUS-DP现场总线

现场总线式应用在现场的控制设备之间，实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点。在各种现场总线的标准中，PROFIBUS是由SIEMENS等公司组织开发的一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准，是目前国际上通用的现场总线标准之一。

在PROFIBUS现场总线中，用于传感器和执行器高速数据传输的PROFIBUS-DP应用最广。PROFIBUS总线作为工业现场广泛使用的总线，具有通信速率高、配套设施完善等特点，成为阀岛使用总线的首选。考虑到系统的开放性和可靠性，选用了PROFIBUS-DP通信协议构建液压阀岛控制系统。

（3）现场总线液压阀岛系统应用实例

① 电控系统结构　液压压砖机是集机、电、液、气、控制和材料工艺技术高度一体化的专用设备，也是墙体砖生产线上最关键装备，决定着整条生产线的生产效率和产品质量。因此，将KDQ-100墙体材料实验压机作为实验对象，进行液压阀岛控制系统的设计。

PROFIBUS是一个令牌网络，一个网络中有若干个被动节点（从站），而它的逻辑令牌只含有一个主动节点（主站），这样的网络为纯主-从系统。典型的PROFIBUS-DP总线配置是以此种总线存取程序为基础的，一个主站轮询多个从站。PROFIBUS-DP在整个PROFIBUS应用中，应用最多，也最广泛，可以连接不同厂商符合PROFIBUS-DP协议的设备。在DP网络中，一个从站只能被一个主站所控制。如图1-71所示，采用了主站+多从站的PROFIBUS-DP总线控制系统。

系统基于SIEMENS的S7-300PLC构建，采用CPU315-2DP作为PROFIBUS-DP主从系统的主站，以IM153-1通信模块作为从站的通信接口与功能模块结合作为阀岛的控制器。

对于墙体砖压机而言，其需要控制的执行机构包括三个液压油缸，分别为上油缸、浮动油缸和下油缸，而油缸的运行由电液比例阀驱动控制。每个油缸安装了输出标准模拟量信号（4～20mA）的位置传感器，同时油缸的进油油路安装有压力传感器，用于检测油缸的进油压力。控制系统包含三个从站，从站1作为液压阀岛模块的控制器，从站2用于采集油缸传感器，从站3是SIEMENS触摸屏，用于输出传感器采集的液压系统的状态数据，总体方案如图1-72所示。

传感器数据由总线传送至主站，主站再将数据经总线传送给触摸屏用于状态显示，同时基于主站内的控制程序和反馈回的油缸状态值（包括位置信号和进油压力信号），经总线输出控制信号给从站1，由从站1的模拟量功能输出模块输出控制信号给电液比例阀的放大器，驱动液压油缸的运行，实现油缸的位置和压力控制。

② 液压阀岛模块　从压机的液压控制系统而言，对于三个液压油缸的驱动控制分别由三个电液比例阀的液压回路实现。即上油缸液压回路、浮动油缸液压回路和下油缸液压回路，图1-73所示为上油缸液压回路。

将每个液压子回路的所有控制阀以插装阀的安装形式集成设计成阀岛模块，图1-74是上油缸液压阀岛模块。

以PROFIBUS-DP现场总线通信模块与模拟量采集和输出模块结合作为液压阀岛模块的控制器（图1-75），为电液比例阀提供控制电信号。将控制器与液压阀岛模块进行集成安装（图1-72液压站），构成控制与检测一体化的液压阀岛集成块，初步实现现场总线型液压阀岛。