液壓挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)總線化設(shè)計(jì)

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摘要：針對(duì)液壓挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)電路線束復(fù)雜,布線及排除故障困難的問題,在分析了電源控制模塊、操作控制模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊、液壓控制模塊、顯示控制模塊、遠(yuǎn)程控制模塊各控制模塊特性的基礎(chǔ)上,提出了一種便于簡(jiǎn)化電路線束、提升挖掘機(jī)智能化水平的總線化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，闡述了各CAN節(jié)點(diǎn)的控制需求，給出了CAN總線網(wǎng)絡(luò)圖，對(duì)電氣控制系統(tǒng)的硬件選型和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，在簡(jiǎn)化了電路線束的同時(shí)，提升了液壓挖掘機(jī)的操控性能、故障診斷性能等智能化水平。

關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī)；CAN總線；電氣控制；PLC

0引言

挖掘機(jī)械作為一種重要的工程機(jī)械裝備，廣泛用于環(huán)境保護(hù)、城市建設(shè)、農(nóng)林水利、建設(shè)和能源工業(yè)建設(shè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸建設(shè)以及國(guó)防建設(shè)工程等領(lǐng)域。根據(jù)資料顯示，液壓挖掘機(jī)承擔(dān)了世界范圍約65%～70%的土方建設(shè)工程。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，土方建設(shè)工程逐漸向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，要求液壓挖掘機(jī)不斷提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高操作舒適性等。為此，本文以液壓液壓挖掘機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用CAN總線對(duì)液壓挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行總線化設(shè)計(jì)，可以簡(jiǎn)化液壓挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)電路線束，提高設(shè)備的操作性、節(jié)能降耗性能、故障的查詢和診斷能力、遠(yuǎn)程控制水平等。

1液壓挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)總線化設(shè)計(jì)分析

液壓挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要由電源管理模塊、操作控制模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊、液壓控制模塊、顯示模塊、遠(yuǎn)程管理模塊和常規(guī)控制模塊組成。

1.1電源管理模塊

液壓挖掘機(jī)的用電設(shè)備由發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池提供電源，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、預(yù)熱、工作燈、控制電源等通常采用繼電器系統(tǒng)，用熔斷器進(jìn)行保護(hù)，線路復(fù)雜，排除故障的專業(yè)化要求較高。對(duì)此進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，采用電源管理總線模塊，對(duì)配電進(jìn)行統(tǒng)一管理，輸出端口具有短路和斷路診斷功能，方便故障的查找和排除。同時(shí)模塊設(shè)計(jì)了IO端口，不僅能對(duì)電源管理模塊，還可作為IO模塊使用，就近采集信號(hào)輸入并進(jìn)行相關(guān)控制輸出。1.2操作控制模塊傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制通常采用油門旋鈕進(jìn)行檔位設(shè)備，空調(diào)控制、刮水洗滌控制、照明系統(tǒng)等功能的操作選用翹板開關(guān)，元件分散。為此，對(duì)這些操作元件進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成總線通訊控制面板，面板操作發(fā)送到總線上，供控制和顯示使用。

1.3發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊

發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、預(yù)熱、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等控制功能，以及工作時(shí)間、水溫和油壓等數(shù)據(jù)的采集功能。本系統(tǒng)選用的發(fā)動(dòng)機(jī)具有總線控制接口，采用總線發(fā)送報(bào)文的方式來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)速等，簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)通過接收發(fā)動(dòng)機(jī)總線數(shù)據(jù)，解析獲取發(fā)動(dòng)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、工作時(shí)間、水溫和油壓等數(shù)據(jù)。

1.4液壓控制模塊

液壓挖掘機(jī)一般采用全液壓驅(qū)動(dòng)方式，動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、整車行走、回轉(zhuǎn)等動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)都是通過液壓系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)的，通過控制相應(yīng)先導(dǎo)閥來控制動(dòng)作的快慢，先導(dǎo)控制有液壓和電比例閥兩種形式，為了提高操控性能，本系統(tǒng)選電比例閥，為了簡(jiǎn)化電氣線路，減少電氣故障，比例閥具有總線通訊功能，控制器通過發(fā)送總線數(shù)據(jù)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，主要包括以下幾個(gè)控制部分：（1）功率匹配控制：依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)的性能參數(shù)，控制器以當(dāng)前轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速降及負(fù)載情況為控制依據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)主泵的比例電磁閥，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)需求功率和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的最佳匹配，達(dá)到提高生產(chǎn)效率，降低能耗的目的。（2）總線式操作手柄和主閥的電比例控制：采用總線操作柄采集司機(jī)的操作意圖，根據(jù)擋位、功率模式和發(fā)動(dòng)機(jī)狀況等確定主閥的開度，提高了系統(tǒng)的可操控性，大大簡(jiǎn)化了液壓控制管路和線路。（3）電磁閥的控制：包括行走高低速轉(zhuǎn)換閥、自動(dòng)增力閥的控制等。（4）液壓信號(hào)采集：包括液壓油液位、液壓油溫度等信號(hào)的采集，用于報(bào)警控制。液壓挖掘機(jī)的主控制器安裝在司機(jī)室，如果將燃油液位、液壓油液位、液壓油溫度、泵和閥等信號(hào)的采集和控制接入主控器，會(huì)增加線路的復(fù)雜性。因此，為了簡(jiǎn)化電氣線路，將電源管理模塊安裝在機(jī)身上，利用電源管理模塊的IO端口將這些控制線路直接接入，通過總線信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.5顯示控制模塊

使用具有總線接口的多功能顯示器，不但可采用虛擬儀表進(jìn)行集中顯示發(fā)動(dòng)轉(zhuǎn)速、燃油量等重要工況參數(shù)，對(duì)IO狀態(tài)、設(shè)備信息、當(dāng)前故障、操作指導(dǎo)進(jìn)行查詢，對(duì)操作和歷史故障進(jìn)行記錄和查詢，對(duì)操作模式和參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。還可集成收音機(jī)、播放MP3音樂、播放視頻、連接藍(lán)牙設(shè)備，WIFI上網(wǎng)等功能。這些功能節(jié)省了收音機(jī)等設(shè)備的安裝空間，提高了作業(yè)人員的舒適性和便捷性。1.6遠(yuǎn)程控制模塊液壓挖掘機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由車載終端、無線通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)組成。車載終端采集、處理液壓挖掘機(jī)工況信息并通過無線模塊把工況信息發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)。平臺(tái)則進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、處理分析，故障診斷、存入數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、遠(yuǎn)程控制液壓挖掘機(jī)等。無線通信網(wǎng)絡(luò)則負(fù)責(zé)建立遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)與車載終端間通信連接。車載終端的無線模塊選用具有總線接口的遠(yuǎn)程控制模塊，由遠(yuǎn)程控制模塊負(fù)責(zé)液壓挖掘機(jī)本機(jī)與遠(yuǎn)程平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻操作、遠(yuǎn)程故障報(bào)警、養(yǎng)護(hù)提示等功能。

2總線網(wǎng)絡(luò)圖及關(guān)鍵件選型設(shè)計(jì)

控制器局域網(wǎng)(ControllerAreaNetwork，CAN)是目前在車輛應(yīng)用上最廣泛的通信網(wǎng)絡(luò)，具有高性能、高可靠性、易開發(fā)和低成本的優(yōu)點(diǎn)。本文選用CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，總線網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。該CAN總線系統(tǒng)由CAN1和CAN2兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成。

2.1CAN1網(wǎng)絡(luò)

由主控制器、顯示器、遠(yuǎn)程控制模塊、操作手柄、電源管理模塊和液壓閥組模塊組成。2.1.1主控制器。用于整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制，采集外部開關(guān)及傳感器信號(hào)，通過CAN網(wǎng)絡(luò)接收來自發(fā)動(dòng)機(jī)、顯示器、遠(yuǎn)程控制模塊、操作手柄、電源管理模塊的數(shù)據(jù)，由控制器對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，輸出控制指令。為滿足液壓挖掘機(jī)振動(dòng)、防水、防塵要求高的工況要求，工程車輛專用PLC，主要參數(shù)如下：防護(hù)等級(jí)：IP67電源：9～36VDC工作溫度：-40℃～85℃編程軟件：CODESYS2.1.2多功能顯示器。顯示器的主要參數(shù)如下：尺寸：7.0"防護(hù)等級(jí)：IP65電源：9～36VDC工作溫度：-30℃～70℃編程軟件：CODESYS2.1.3操作手柄和操作面板。用來獲取操作意圖，要求操作性好、可靠性高，操作面板如圖2所示。2.1.4電源管理模塊。集成了熔斷器、繼電器等功能，具有端口故障診斷，IO等功能，如圖3所示。2.2CAN2網(wǎng)絡(luò)CAN2網(wǎng)絡(luò)由主控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)ECU組成，采用J1939協(xié)議。

3軟件設(shè)計(jì)

液壓挖掘機(jī)的行走、平臺(tái)回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂、斗桿、鏟斗等動(dòng)作都由PLC軟件進(jìn)行控制，編程平臺(tái)采用CODESYS，CODESYS是德國(guó)3S公司開發(fā)的一款工控軟件，是一種基于IEC61131－3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)環(huán)境?？刂瞥绦蛴芍鞒绦蚝妥映绦蚪M成，主程序功能是系統(tǒng)初始化和調(diào)用子程序。系統(tǒng)初始化主要包括硬件輸入輸出端口、CAN通信、斷電保存、歷史記錄等初始化功能。子程序主要包括CAN1數(shù)據(jù)接收子程序、CAN2數(shù)據(jù)接收子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、參數(shù)設(shè)置子程序、遠(yuǎn)程控制子程序、發(fā)動(dòng)機(jī)控制子程序（啟動(dòng)、停止、預(yù)熱和轉(zhuǎn)速控制等）、液壓控制子程序（泵控制、閥控制等）常規(guī)控制子程序、顯示控制子程序。控制器主程序流程圖和液壓控制子程序控制流程圖如圖4和圖5所示。

4試驗(yàn)與測(cè)試

液壓挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)后，選用PcanView模擬發(fā)動(dòng)機(jī)、操作手柄等進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，在試驗(yàn)室進(jìn)了模擬操作測(cè)試。完成測(cè)試后在某公司液壓挖掘機(jī)上裝機(jī)進(jìn)行實(shí)際的作業(yè)測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，本電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了液壓挖掘機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停止及轉(zhuǎn)速控制，行走、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)、動(dòng)臂、鏟斗等挖掘作業(yè)控制，照明、預(yù)熱等常規(guī)控制，顯示控制。操作過程中，顯示器實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓挖掘機(jī)的工況顯示、參數(shù)設(shè)置、故障報(bào)警、操作記錄等功能，液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)顯示主界面如圖6所示。5結(jié)論根據(jù)液壓挖掘機(jī)自動(dòng)化、智能化技術(shù)的發(fā)展需求，對(duì)液壓挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了CAN總線化設(shè)計(jì),對(duì)總線系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和各CAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了分析，對(duì)關(guān)鍵元件進(jìn)行了選型分析，并對(duì)控制軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)果表明:液壓挖掘機(jī)總線化電氣控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化了線束，減少了故障率，故障報(bào)警及記錄功能方便查找和解決故障；提高了設(shè)備的操作性能，提升了操作舒適性，減輕了操作強(qiáng)度；增加了收音、MP3、藍(lán)牙等智能體驗(yàn)，有利于減緩操作者的疲勞,對(duì)液壓挖掘機(jī)的自動(dòng)化發(fā)展具有一定的積極意義。

作者:劉道壽 周志紅 徐娟 單位:湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院