公務員期刊網(wǎng) 論文中心 正文

液壓挖掘機電氣控制系統(tǒng)總線化設計

前言:想要寫出一篇引人入勝的文章?我們特意為您整理了液壓挖掘機電氣控制系統(tǒng)總線化設計范文,希望能給你帶來靈感和參考,敬請閱讀。

液壓挖掘機電氣控制系統(tǒng)總線化設計

摘要:針對液壓挖掘機電氣控制系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)設計方案,闡述了各CAN節(jié)點的控制需求,給出了CAN總線網(wǎng)絡圖,對電氣控制系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)境保護、城市建設、農林水利、建設和能源工業(yè)建設生產、交通運輸建設以及國防建設工程等領域。根據(jù)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(fā)展,土方建設工程逐漸向自動化、智能化方向發(fā)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(tǒng)進行總線化設計,可以簡化液壓挖掘機電氣控制系統(tǒng)電路線束,提高設備的操作性、節(jié)能降耗性能、故障的查詢和診斷能力、遠程控制水平等。

1液壓挖掘機電氣控制系統(tǒng)總線設計分析

液壓挖掘機電氣控制系統(tǒng)主要由電源管理模塊、操作控制模塊、發(fā)動機控制模塊、液壓控制模塊、顯示模塊、遠程管理模塊和常規(guī)控制模塊組成。

1.1電源管理模塊

液壓挖掘機的用電設備由發(fā)動機和蓄電池提供電源,發(fā)動機啟動、預熱、工作燈、控制電源等通常采用繼電器系統(tǒng),用熔斷器進行保護,線路復雜,排除故障的專業(yè)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(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(tǒng)液壓挖掘機對發(fā)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(tǒng)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(fā)送到總線上,供控制和顯示使用。

1.3發(fā)動機控制模塊

發(fā)動機控制模塊主要實現(xiàn)發(fā)動機的啟動、停止、預熱、轉速調節(jié)等控制功能,以及工作時間、水溫和油壓等數(shù)據(jù)的采集功能。本系統(tǒng)選用的發(fā)動機具有總線控制接口,采用總線發(fā)送報文的方式來控制發(fā)動機的啟動、停止、轉速等,簡化了機構設計,同時通過接收發(fā)動機總線數(shù)據(jù),解析獲取發(fā)動的實時轉速、工作時間、水溫和油壓等數(shù)據(jù)。

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(xiàn)都是通過液壓系統(tǒng)控制實現(xiàn)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(tǒng)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(fā)送總線數(shù)據(jù)對液壓系統(tǒng)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(jù)發(fā)動機、液壓系統(tǒng)的性能參數(shù),控制器以當前轉速、轉速降及負載情況為控制依據(jù),實時調節(jié)主泵的比例電磁閥,實現(xiàn)液壓系統(tǒng)需求功率和發(fā)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(jù)擋位、功率模式和發(fā)動機狀況等確定主閥的開度,提高了系統(tǒng)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(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行集中顯示發(fā)動轉速、燃油量等重要工況參數(shù),對IO狀態(tài)、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(shù)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(wǎng)等功能。這些功能節(jié)省了收音機等設備的安裝空間,提高了作業(yè)人員的舒適性和便捷性。1.6遠程控制模塊液壓挖掘機遠程監(jiān)控系統(tǒng)由車載終端、無線通信網(wǎng)絡、遠程監(jiān)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(fā)送到遠程監(jiān)控管理平臺。平臺則進行數(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)實時顯示、遠程控制液壓挖掘機等。無線通信網(wǎng)絡則負責建立遠程監(jiān)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(shù)據(jù)通信,從而實現(xiàn)遠程視頻操作、遠程故障報警、養(yǎng)護提示等功能。

2總線網(wǎng)絡圖及關鍵件選型設計

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

2.1CAN1網(wǎng)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(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制,采集外部開關及傳感器信號,通過CAN網(wǎng)絡接收來自發(fā)動機、顯示器、遠程控制模塊、操作手柄、電源管理模塊的數(shù)據(jù),由控制器對這些數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)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(wǎng)絡CAN2網(wǎng)絡由主控制器和發(fā)動機ECU組成,采用J1939協(xié)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(fā)的一款工控軟件,是一種基于IEC61131-3國際標準的開發(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)設置子程序、遠程控制子程序、發(fā)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(guī)控制子程序、顯示控制子程序??刂破髦鞒绦蛄鞒虉D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(tǒng)完成設計后,選用PcanView模擬發(fā)動機、操作手柄等進行CAN數(shù)據(jù)的發(fā)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(yè)測試。經測試,本電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)了液壓挖掘機的發(fā)動機啟動、停止及轉速控制,行走、轉轉、動臂、鏟斗等挖掘作業(yè)控制,照明、預熱等常規(guī)控制,顯示控制。操作過程中,顯示器實現(xiàn)了對液壓挖掘機的工況顯示、參數(shù)設置、故障報警、操作記錄等功能,液壓挖掘機控制系統(tǒng)顯示主界面如圖6所示。5結論根據(jù)液壓挖掘機自動化、智能化技術的發(fā)展需求,對液壓挖掘機電氣控制系統(tǒng)進行了CAN總線化設計,對總線系統(tǒng)總體結構和各CAN節(jié)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(tǒng)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(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)技術學院