液壓挖掘機電氣控制系統總線化設計
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摘要：針對液壓挖掘機電氣控制系統電路線束復雜,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、發動機控制模塊、液壓控制模塊、顯示控制模塊、遠程控制模塊各控制模塊特性的基礎上,提出了一種便于簡化電路線束、提升挖掘機智能化水平的總線化控制系統設計方案，闡述了各CAN節點的控制需求，給出了CAN總線網絡圖，對電氣控制系統的硬件選型和軟件進行了設計。最后進行了測試，結果表明，該系統運行可靠，在簡化了電路線束的同時，提升了液壓挖掘機的操控性能、故障診斷性能等智能化水平。
關鍵詞：液壓挖掘機；CAN總線；電氣控制；PLC
0引言
挖掘機械作為一種重要的工程機械裝備，廣泛用于環境保護、城市建設、農林水利、建設和能源工業建設生產、交通運輸建設以及國防建設工程等領域。根據資料顯示，液壓挖掘機承擔了世界范圍約65%～70%的土方建設工程。隨著科學技術的發展，土方建設工程逐漸向自動化、智能化方向發展，要求液壓挖掘機不斷提高生產效率、降低生產成本、減輕勞動強度、提高操作舒適性等。為此，本文以液壓液壓挖掘機為研究對象，運用CAN總線對液壓挖掘機電氣控制系統進行總線化設計，可以簡化液壓挖掘機電氣控制系統電路線束，提高設備的操作性、節能降耗性能、故障的查詢和診斷能力、遠程控制水平等。
液壓挖掘機電氣控制系統主要由電源管理模塊、操作控制模塊、發動機控制模塊、液壓控制模塊、顯示模塊、遠程管理模塊和常規控制模塊組成。
1.1電源管理模塊
液壓挖掘機的用電設備由發動機和蓄電池提供電源，發動機啟動、預熱、工作燈、控制電源等通常采用繼電器系統，用熔斷器進行保護，線路復雜，排除故障的專業化要求較高。對此進行集成設計，采用電源管理總線模塊，對配電進行統一管理，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。同時模塊設計了IO端口，不僅能對電源管理模塊，還可作為IO模塊使用，就近采集信號輸入并進行相關控制輸出。1.2操作控制模塊傳統液壓挖掘機對發動機轉速控制通常采用油門旋鈕進行檔位設備，空調控制、刮水洗滌控制、照明系統等功能的操作選用翹板開關，元件分散。為此，對這些操作元件進行集成設計，設計成總線通訊控制面板，面板操作發送到總線上，供控制和顯示使用。
1.3發動機控制模塊
發動機控制模塊主要實現發動機的啟動、停止、預熱、轉速調節等控制功能，以及工作時間、水溫和油壓等數據的采集功能。本系統選用的發動機具有總線控制接口，采用總線發送報文的方式來控制發動機的啟動、停止、轉速等，簡化了機構設計，同時通過接收發動機總線數據，解析獲取發動的實時轉速、工作時間、水溫和油壓等數據。
1.4液壓控制模塊
液壓挖掘機一般采用全液壓驅動方式，動臂、斗桿、鏟斗、整車行走、回轉等動作的實現都是通過液壓系統控制實現的，通過控制相應先導閥來控制動作的快慢，先導控制有液壓和電比例閥兩種形式，為了提高操控性能，本系統選電比例閥，為了簡化電氣線路，減少電氣故障，比例閥具有總線通訊功能，控制器通過發送總線數據對液壓系統進行控制，主要包括以下幾個控制部分：（1）功率匹配控制：依據發動機、液壓系統的性能參數，控制器以當前轉速、轉速降及負載情況為控制依據，實時調節主泵的比例電磁閥，實現液壓系統需求功率和發動機輸出功率的最佳匹配，達到提高生產效率，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的操作意圖，根據擋位、功率模式和發動機狀況等確定主閥的開度，提高了系統的可操控性，大大簡化了液壓控制管路和線路。（3）電磁閥的控制：包括行走高低速轉換閥、自動增力閥的控制等。（4）液壓信號采集：包括液壓油液位、液壓油溫度等信號的采集，用于報警控制。液壓挖掘機的主控制器安裝在司機室，如果將燃油液位、液壓油液位、液壓油溫度、泵和閥等信號的采集和控制接入主控器，會增加線路的復雜性。因此，為了簡化電氣線路，將電源管理模塊安裝在機身上，利用電源管理模塊的IO端口將這些控制線路直接接入，通過總線信號進行數據傳輸。
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行集中顯示發動轉速、燃油量等重要工況參數，對IO狀態、設備信息、當前故障、操作指導進行查詢，對操作和歷史故障進行記錄和查詢，對操作模式和參數進行設置。還可集成收音機、播放MP3音樂、播放視頻、連接藍牙設備，WIFI上網等功能。這些功能節省了收音機等設備的安裝空間，提高了作業人員的舒適性和便捷性。1.6遠程控制模塊液壓挖掘機遠程監控系統由車載終端、無線通信網絡、遠程監控管理平臺組成。車載終端采集、處理液壓挖掘機工況信息并通過無線模塊把工況信息發送到遠程監控管理平臺。平臺則進行數據的接收、處理分析，故障診斷、存入數據庫、數據實時顯示、遠程控制液壓挖掘機等。無線通信網絡則負責建立遠程監控管理平臺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程控制模塊，由遠程控制模塊負責液壓挖掘機本機與遠程平臺的數據通信，從而實現遠程視頻操作、遠程故障報警、養護提示等功能。
2總線網絡圖及關鍵件選型設計
控制器局域網(ControllerAreaNetwork，CAN)是目前在車輛應用上最廣泛的通信網絡，具有高性能、高可靠性、易開發和低成本的優點。本文選用CAN總線網絡通信協議，總線網絡如圖1所示。該CAN總線系統由CAN1和CAN2兩個網絡組成。
2.1CAN1網絡
由主控制器、顯示器、遠程控制模塊、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。用于整個系統的數據處理和控制，采集外部開關及傳感器信號，通過CAN網絡接收來自發動機、顯示器、遠程控制模塊、操作手柄、電源管理模塊的數據，由控制器對這些數據進行運算處理，輸出控制指令。為滿足液壓挖掘機振動、防水、防塵要求高的工況要求，工程車輛專用PLC，主要參數如下：防護等級：IP67電源：9～36VDC工作溫度：-40℃～85℃編程軟件：CODESYS2.1.2多功能顯示器。顯示器的主要參數如下：尺寸：7.0"防護等級：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網絡CAN2網絡由主控制器和發動機ECU組成，采用J1939協議。
3軟件設計
液壓挖掘機的行走、平臺回轉、動臂、斗桿、鏟斗等動作都由PLC軟件進行控制，編程平臺采用CODESYS，CODESYS是德國3S公司開發的一款工控軟件，是一種基于IEC61131－3國際標準的開發環境。控制程序由主程序和子程序組成，主程序功能是系統初始化和調用子程序。系統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數據接收子程序、CAN2數據接收子程序、數據采集子程序、參數設置子程序、遠程控制子程序、發動機控制子程序（啟動、停止、預熱和轉速控制等）、液壓控制子程序（泵控制、閥控制等）常規控制子程序、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試驗與測試
液壓挖掘機電氣控制系統完成設計后，選用PcanView模擬發動機、操作手柄等進行CAN數據的發送和接收，在試驗室進了模擬操作測試。完成測試后在某公司液壓挖掘機上裝機進行實際的作業測試。經測試，本電氣控制系統實現了液壓挖掘機的發動機啟動、停止及轉速控制，行走、轉轉、動臂、鏟斗等挖掘作業控制，照明、預熱等常規控制，顯示控制。操作過程中，顯示器實現了對液壓挖掘機的工況顯示、參數設置、故障報警、操作記錄等功能，液壓挖掘機控制系統顯示主界面如圖6所示。5結論根據液壓挖掘機自動化、智能化技術的發展需求，對液壓挖掘機電氣控制系統進行了CAN總線化設計,對總線系統總體結構和各CAN節點進行了分析，對關鍵元件進行了選型分析，并對控制軟件進行設計。結果表明:液壓挖掘機總線化電氣控制系統簡化了線束，減少了故障率，故障報警及記錄功能方便查找和解決故障；提高了設備的操作性能，提升了操作舒適性，減輕了操作強度；增加了收音、MP3、藍牙等智能體驗，有利于減緩操作者的疲勞,對液壓挖掘機的自動化發展具有一定的積極意義。
作者:劉道壽 周志紅 徐娟 單位:湖南工業職業技術學院
