主动式铲运车控制系统研究

摘　要：本文首先以主动铲运车的设备为研究对象，根据现有已投入实际应用的成熟设备控制系统对设备控制系统进行了简介，并从几个主要方面进行了系统分析，最后从该套系统的特色出发对其在控制系统工程机械领域的发展前景作了探讨

关键词：CAN总线； 变速箱； 铲运车
一、设备介绍
　　主动式铲运车是集挖土、运土、卸土、摊铺、平整、压实等一系列功能于一体的重型土石作业工程机械设备，在城市发展中大型场地的建设与其它工程机械相比具备鲜明的优势和特色，在短距离转场作业，可以单台设备迅速完成一系土方作业。该设备于2010年由欧洲引入国内，经过2年的试制研发，其控制系统已达到国内工程机械先进水平。
二、控制系统概述
　　该车采用德国芬兰EPEC的PLC控制器，配备真彩显示器，采集双操作手柄CAN指令信息，通过J1939采集实时发动机的相关信息和ZF变速箱的信息，根据实时逻辑实现了发动机CAN控制、变速箱CAN控制、车体行驶转向，动作功能控制等几大主要功能。
　　该车控制系统主要采用芬兰的EPEC控制器和显示器，经过多年在工程机械行业的广泛实用证明，该系列控制器和显示器成熟可靠，基于支持IEC61131-3标准多种标准PLC编程语言的codesys平台，与发动机和变速箱的CAN控制编程简单易用，适用于国内工程机械的恶劣工作环境，同时满足欧洲各项严苛电气标准，被广泛用于各种出口欧美的高端工程机械设备控制系统之中。通过29bit的CAN2.0B接口号发动机和变速进行CAN通讯，调用其中标准的J1939和变速箱软件模块可以轻松实现发动机的各种油压、水温、电压等数据及故障号的读取，控制油门平滑工作，变速箱的输入、输出转数和转矩，为合理进行功率配置、,工作时提供大功率扭矩输出，平时节油降速，大幅降低油耗提供基础。
　　整体控制系统见下图：
　　
　　各种传感器采集压力，油门位置等信号后转换为4-20mA或0-5V的电信号通过控制器的信号输入端子进入控制器，同时控制器也通过CAN总线采集CAN手柄指令，发动机或变速箱的相关信息，经过逻辑判断后发送指令给发动机、变速箱，并通过24V电信号来控制液压开关阀和比例来实现设备整体的协调动作，在操作员的辅助下的完成挖土、运土、卸土、摊铺、平整等一系作业；如果有故障和报警信息产生，则通过人机界面告知操作员，并提供相关信息来指导其迅速排除故障。
　　下面将分述各主要电控元器件：
手柄。采用工程机械业内常用的P+G手柄，带顶部功按钮和使能按钮，人体工程学设计，通过手柄，操作人员可以轻松完主动式铲运车的一系列作业，左手柄为双轴，各控制刮斗和车架动作，右手柄单轴控制车体行走的前进和后退；通过两个手柄的功能开关和拇指轮可以轻松方便的实现主动式铲运车的连续作业动作。在有上述操作时，通过CAN总线输出，控制器通过CAN总线解析相关CAN指令后作出处理。
　　与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。比如1、采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果；2采用非破坏性总线仲裁技术，正因为有这些特点，目前发动机，变速箱普遍采用CAN总线进行互相通讯，因此采用CAN总线对以上器件进行联接，可以有效的减少驾驶室、车架部分、控制箱之间的走线、降低故障率
2.控制器
　　控制器在整车中担当大脑的作用，采集传感器、选择开关的信息，通过CAN的J1939协议对发动机和变速箱实现交互通信，使发动机和变速箱工作在最佳的功率与油耗比之间，根据当前的的工况和需要完成的工作任务，合理通过输出PWM信号来调节各液压比例阀的开度，使铲运车工作起来更加平顺、稳当。目前正在试验摆脱依靠电控输出换档的传统方式而采用直接使用CAN通讯来对变速箱直接进行变档等控制操作。
　　3.人机界面-显示器
　　人机界面包括下面几个界面：
主画面：显示发动机转速、当前档位、工作时间、燃油油位、系统温度、刮斗位置等设备常用和重要数据，便于操作人员从该画面对整个被控系统有大至的了解；
实时报警画面：显示当前设备的非正常状态的原因和何种故障原因，便于操作人员查找和判断故障的原因；
历史报警画面：记录可能出现的设备损坏的报警和故障信息，依据时间进行逐条排序供操作人员随时查阅；
发动机数据画面：显示发动机各相关数据，包括空压温度、发动机故障代码等其它常用发动机信息；
变速箱数据画面：显示输入转速、油底壳油温、变速箱故障代码、变速箱AEB模式相关住处等；
传感器信息画面：各模拟量和开关量传感器状态，便于在传感器或线路发生故障时，通过简单的操作就可以判断出故障原因；
设置画面：设置当前画面语言显示，显示屏亮度，日期时间，刮斗参数，等设备相关参数；
4.液压系统
　　采集各传感器电信号，获取油缸位置等信息、在控制器内部直接调用相关手柄动作曲线、比例阀特性曲线等模块，经过运算后现给出PWM信号控制比例阀开度和开关阀的动作时机来协调设备各液压阀完成动作。
5.与发动机和变速箱ECU的通讯
　　由于发动机和变速箱均有自己独立的控制器(ECU)，通过CAN总线联结，依据通用标准J1939协议可以轻松实现信息采集和控制，可靠性、先进性、高效性与传统电控方式或液控方式不可同日而语。
三、应用前景
　　目前主动式铲运车面临着如何更多地降低油耗的问题，这对于该车的控制系统提出了更加严苛细致的节能控制要求，可以展望在不久的将来，随着中国及其它发展中国国家城市化群和大型水利等设施的不断建设，对于设备的节能标准和混合动力控制要求会越来越高，车辆CAN标准电气控制的集中控制日趋成熟和标准化，该车所采用的先进动力发动机和变速箱节能控制技术将为被其它设备采纳和借鉴。
参考文献:
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