液压挖掘机电气控制系统总线化设计

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摘要：针对液压挖掘机电气控制系统电路线束复杂,布线及排除故障困难的问题,在分析了电源控制模块、操作控制模块、发动机控制模块、液压控制模块、显示控制模块、远程控制模块各控制模块特性的基础上,提出了一种便于简化电路线束、提升挖掘机智能化水平的总线化控制系统设计方案，阐述了各CAN节点的控制需求，给出了CAN总线网络图，对电气控制系统的硬件选型和软件进行了设计。最后进行了测试，结果表明，该系统运行可靠，在简化了电路线束的同时，提升了液压挖掘机的操控性能、故障诊断性能等智能化水平。

关键词：液压挖掘机；CAN总线；电气控制；PLC

0引言

挖掘机械作为一种重要的工程机械装备，广泛用于环境保护、城市建设、农林水利、建设和能源工业建设生产、交通运输建设以及国防建设工程等领域。根据资料显示，液压挖掘机承担了世界范围约65%～70%的土方建设工程。随着科学技术的发展，土方建设工程逐渐向自动化、智能化方向发展，要求液压挖掘机不断提高生产效率、降低生产成本、减轻劳动强度、提高操作舒适性等。为此，本文以液压液压挖掘机为研究对象，运用CAN总线对液压挖掘机电气控制系统进行总线化设计，可以简化液压挖掘机电气控制系统电路线束，提高设备的操作性、节能降耗性能、故障的查询和诊断能力、远程控制水平等。

1液压挖掘机电气控制系统总线化设计分析

液压挖掘机电气控制系统主要由电源管理模块、操作控制模块、发动机控制模块、液压控制模块、显示模块、远程管理模块和常规控制模块组成。

1.1电源管理模块

液压挖掘机的用电设备由发动机和蓄电池提供电源，发动机启动、预热、工作灯、控制电源等通常采用继电器系统，用熔断器进行保护，线路复杂，排除故障的专业化要求较高。对此进行集成设计，采用电源管理总线模块，对配电进行统一管理，输出端口具有短路和断路诊断功能，方便故障的查找和排除。同时模块设计了IO端口，不仅能对电源管理模块，还可作为IO模块使用，就近采集信号输入并进行相关控制输出。1.2操作控制模块传统液压挖掘机对发动机转速控制通常采用油门旋钮进行档位设备，空调控制、刮水洗涤控制、照明系统等功能的操作选用翘板开关，元件分散。为此，对这些操作元件进行集成设计，设计成总线通讯控制面板，面板操作发送到总线上，供控制和显示使用。

1.3发动机控制模块

发动机控制模块主要实现发动机的启动、停止、预热、转速调节等控制功能，以及工作时间、水温和油压等数据的采集功能。本系统选用的发动机具有总线控制接口，采用总线发送报文的方式来控制发动机的启动、停止、转速等，简化了机构设计，同时通过接收发动机总线数据，解析获取发动的实时转速、工作时间、水温和油压等数据。

1.4液压控制模块

液压挖掘机一般采用全液压驱动方式，动臂、斗杆、铲斗、整车行走、回转等动作的实现都是通过液压系统控制实现的，通过控制相应先导阀来控制动作的快慢，先导控制有液压和电比例阀两种形式，为了提高操控性能，本系统选电比例阀，为了简化电气线路，减少电气故障，比例阀具有总线通讯功能，控制器通过发送总线数据对液压系统进行控制，主要包括以下几个控制部分：（1）功率匹配控制：依据发动机、液压系统的性能参数，控制器以当前转速、转速降及负载情况为控制依据，实时调节主泵的比例电磁阀，实现液压系统需求功率和发动机输出功率的最佳匹配，达到提高生产效率，降低能耗的目的。（2）总线式操作手柄和主阀的电比例控制：采用总线操作柄采集司机的操作意图，根据挡位、功率模式和发动机状况等确定主阀的开度，提高了系统的可操控性，大大简化了液压控制管路和线路。（3）电磁阀的控制：包括行走高低速转换阀、自动增力阀的控制等。（4）液压信号采集：包括液压油液位、液压油温度等信号的采集，用于报警控制。液压挖掘机的主控制器安装在司机室，如果将燃油液位、液压油液位、液压油温度、泵和阀等信号的采集和控制接入主控器，会增加线路的复杂性。因此，为了简化电气线路，将电源管理模块安装在机身上，利用电源管理模块的IO端口将这些控制线路直接接入，通过总线信号进行数据传输。

1.5显示控制模块

使用具有总线接口的多功能显示器，不但可采用虚拟仪表进行集中显示发动转速、燃油量等重要工况参数，对IO状态、设备信息、当前故障、操作指导进行查询，对操作和历史故障进行记录和查询，对操作模式和参数进行设置。还可集成收音机、播放MP3音乐、播放视频、连接蓝牙设备，WIFI上网等功能。这些功能节省了收音机等设备的安装空间，提高了作业人员的舒适性和便捷性。1.6远程控制模块液压挖掘机远程监控系统由车载终端、无线通信网络、远程监控管理平台组成。车载终端采集、处理液压挖掘机工况信息并通过无线模块把工况信息发送到远程监控管理平台。平台则进行数据的接收、处理分析，故障诊断、存入数据库、数据实时显示、远程控制液压挖掘机等。无线通信网络则负责建立远程监控管理平台与车载终端间通信连接。车载终端的无线模块选用具有总线接口的远程控制模块，由远程控制模块负责液压挖掘机本机与远程平台的数据通信，从而实现远程视频操作、远程故障报警、养护提示等功能。

2总线网络图及关键件选型设计

控制器局域网(ControllerAreaNetwork，CAN)是目前在车辆应用上最广泛的通信网络，具有高性能、高可靠性、易开发和低成本的优点。本文选用CAN总线网络通信协议，总线网络如图1所示。该CAN总线系统由CAN1和CAN2两个网络组成。

2.1CAN1网络

由主控制器、显示器、远程控制模块、操作手柄、电源管理模块和液压阀组模块组成。2.1.1主控制器。用于整个系统的数据处理和控制，采集外部开关及传感器信号，通过CAN网络接收来自发动机、显示器、远程控制模块、操作手柄、电源管理模块的数据，由控制器对这些数据进行运算处理，输出控制指令。为满足液压挖掘机振动、防水、防尘要求高的工况要求，工程车辆专用PLC，主要参数如下：防护等级：IP67电源：9～36VDC工作温度：-40℃～85℃编程软件：CODESYS2.1.2多功能显示器。显示器的主要参数如下：尺寸：7.0"防护等级：IP65电源：9～36VDC工作温度：-30℃～70℃编程软件：CODESYS2.1.3操作手柄和操作面板。用来获取操作意图，要求操作性好、可靠性高，操作面板如图2所示。2.1.4电源管理模块。集成了熔断器、继电器等功能，具有端口故障诊断，IO等功能，如图3所示。2.2CAN2网络CAN2网络由主控制器和发动机ECU组成，采用J1939协议。

3软件设计

液压挖掘机的行走、平台回转、动臂、斗杆、铲斗等动作都由PLC软件进行控制，编程平台采用CODESYS，CODESYS是德国3S公司开发的一款工控软件，是一种基于IEC61131－3国际标准的开发环境。控制程序由主程序和子程序组成，主程序功能是系统初始化和调用子程序。系统初始化主要包括硬件输入输出端口、CAN通信、断电保存、历史记录等初始化功能。子程序主要包括CAN1数据接收子程序、CAN2数据接收子程序、数据采集子程序、参数设置子程序、远程控制子程序、发动机控制子程序（启动、停止、预热和转速控制等）、液压控制子程序（泵控制、阀控制等）常规控制子程序、显示控制子程序。控制器主程序流程图和液压控制子程序控制流程图如图4和图5所示。

4试验与测试

液压挖掘机电气控制系统完成设计后，选用PcanView模拟发动机、操作手柄等进行CAN数据的发送和接收，在试验室进了模拟操作测试。完成测试后在某公司液压挖掘机上装机进行实际的作业测试。经测试，本电气控制系统实现了液压挖掘机的发动机启动、停止及转速控制，行走、转转、动臂、铲斗等挖掘作业控制，照明、预热等常规控制，显示控制。操作过程中，显示器实现了对液压挖掘机的工况显示、参数设置、故障报警、操作记录等功能，液压挖掘机控制系统显示主界面如图6所示。5结论根据液压挖掘机自动化、智能化技术的发展需求，对液压挖掘机电气控制系统进行了CAN总线化设计,对总线系统总体结构和各CAN节点进行了分析，对关键元件进行了选型分析，并对控制软件进行设计。结果表明:液压挖掘机总线化电气控制系统简化了线束，减少了故障率，故障报警及记录功能方便查找和解决故障；提高了设备的操作性能，提升了操作舒适性，减轻了操作强度；增加了收音、MP3、蓝牙等智能体验，有利于减缓操作者的疲劳,对液压挖掘机的自动化发展具有一定的积极意义。

作者:刘道寿 周志红 徐娟 单位:湖南工业职业技术学院