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基于CAN总线嵌入式工程机械控制系统研究

   摘 要:通过 CAN总线实现对各传感器信号的采集以及输出装置的控制,使得系统容易构建,布线安装方便;同时系统抗干扰能力强、可靠性高、实时响应性好。而且通过CAN总线的应用,使该起重力矩控制系统能够作为一个子系统嵌入到其他工程机械的控制系统中。
   关键词:CAN总线;嵌入工程机械;控制系统
   中图分类号:T-1 文献标志码:A 文章编号:1673-291X(2012)04-0336-02
  
   随着嵌入式技术、网络技术、自动控制技术逐步应用到工程机械控制系统中,其性能和集成度也随之得到了很大的提高,这使得其操作更便利、安全性更高。工程机械采用基于集中控制方式的方案,使用多个ECU 单元并行工作,各ECU 之间的通讯越来越复杂,必然导致了更多的信号连接线,使控制系统安装、维护烦琐,运行的可靠性、应用的灵活性降低,维修难度增大。为提高系统中信号的利用率,要求有大量的数据信息在不同的控制单元中共享,大量的控制信号也需要实时交换。因此,工程机械控制中传统的集中控制式系统已不能满足现代工程机械对通讯功能的要求。如何提高系统的性能,开发通讯应用的灵活性和方便性,降低使用和维护的成本不仅是现代工程机械必须解决的问题,也正是 CAN总线在工程机械控制系统中的应用能够有效解决这些问题。
   一、CAN系列功能模块简介
   CAN系列功能模块主要针对工业应用设计,适用于各种工业控制领域。CAN 系列功能模块通过隔离电源供电,在模块内部输入输出单元与控制单元之间采用光电隔离,并对输入信号采取滤波措施,极大地降低了工业现场干扰对模块正常运行的影响,使模块具有良好的可靠性,完全符合工业应用的需要。此外CAN 系列功能模块采用表面安装工艺,大大提高了系统在恶劣环境中使用的可靠性。将CAN系列功能模块、ZLG系列CAN接口卡组建成一个可靠控制、易于开发的CAN总线应用网络以及在工程机械控制网络中快速应用的方法。通过 CAN总线实现对各传感器信号的采集以及输出装置的控制,使得系统容易构建,布线安装方便;同时系统抗干扰能力强、可靠性高、实时响应性好。而且通过CAN总线的应用,使该起重力矩控制系统能够作为一个子系统嵌入到其他工程机械的控制系统中。
   二、工程机械控制系统的国内外发展现状
   在20世纪工程机械诞生和发展的五十年中,它在人类改造自然的过程中发挥了巨大的作用,从二战以后的经济恢复期、经济高速增长期到现在的经济平稳发展期间,工程机械在能源开发、交通建设、建筑等方面发挥了巨大的作用。特别是改革开放以来,中国工程机械行业目前已经逐步走向规模化发展方向。各种各样的设备生产及零部件加工基本能够满足国内外一般市场需求,但由于中国许多的生产厂家至今没有掌握当今世界工程机械制造领域里最顶尖的核心技术,如挖掘机等设备里必不可少的大流量泵、阀、缸、变速箱、过桥等产品的精密制造技术和热处理技术,使绝大部分产品在国际主流市场上处于二、三流产品的地位,价格仅为世界一流产品的1/2或1/3。与日本企业生产的各类工程机械每年出口量为全国总产量的60%,韩国为70%,美国和德国差不多为50%相比,我们的差距是显而易见。因此,有必要进行对工程机械等设备的研究与开发。
   中国的工程机械行业总体水平与国际先进水平相比,要落后大约15年,但是中国的工程机械行业也具备了相当的规模,可以生产16大类,219个系列,1 000多个型号,3 000多个品种的各类机械工程产品,产品主要供应国内市场。国外进口的工程机械在中国工程应用中,占40%,国产的产品占60%。
   “十一五” 期间,虽然国内企业新产品开发和老产品更新速度加快但是借鉴国际先进产品进行技术移植或重新“克隆”的较多。虽然改变了机型其中核心技术、关键零部件自主开发的少造成这种现象的主要原因是技术开发力量薄弱投入的开发资金有限。目前只有少数几个企业集团技术开发水平达到或接近发达国家水平但产品总体技术水平与发达国家相比仍有较大差距。尤其是大型施工成套设备国产化率很低如大型土石方施工机械、大型架桥机、大型箱型混凝土梁转运机、盾构机与全断面掘进机成套设备、高等级公路大型沥青混凝土再生成套设备等领域主要依靠国外直接进口或利用国外先进技术合作生产。另外,国外先进企业以电子、信息技术为先导在计算机故障诊断与监控、精确定位与作业发动机燃料控制和人机工程学等方面进行了大量的研究与开发提高了产品的技术含量而国内只有极少数产品达到了信息化和智能化水平。
   目前中国工厂机械产品平均无故障间隔时间为200~300小时不等,而国际先进水平已达到500~800小时,不采用进口发动机的大修期寿命只有4 000~5 000小时,而国际先进水平已达到8 000~10 000小时,功率超过200千瓦大型产品达到近20 000小时可见产品可靠性和大修期寿命是中国工程机械缺乏国际竞争力的主要问题工程机械整机可操作性和使用寿命,60%~70%故障来自于零部件及发动机,其中,柴油发动机是衡量整机水平的主要指标之一,液压元件和传动变速箱等部件是否漏油和工作可靠性是影响整机水平的关键因素。中国工程机械制造业总体规模已进入国际生产大国行列,但总体竞争和发展后劲仍无法与发达国家相抗衡,目前国内高端用户和出口产品配套的基础零部件主要依靠进口。
   自20世纪90年代以来,国外工程机械进入了一个新的发展时期,在广泛应用新技术的同时,不断涌现出新结构和新产品。继完成提高整机可靠性任务之后,技术发展的重点变为增加产品的电子信息技术含量,努力完善产品的标准化、系列化和通用化,改善驾驶人员的工作条件,向节能、环保方向发展。
   近几年,国外工程机械产品以信息技术为先导,在发动机燃料燃烧与电控、液压控制系统、自动操纵、可视化驾驶、精确定位与作业、故障诊断与监控、节能与环保等方面,进行了大量的研究,开发出许多新结构(或系统)和新产品,提高了工程机械的高科技含量,促进了工程机械的发展。
   三、CAN总线嵌入式工程机械控制系统的要求及其难点
   近年来,随着建筑施工和资源开发规模的扩大,对工程机械需求量迅速增加,因而对其可靠性、维修性、安全性和燃油经济性也提出了以下更高的要求:一是系列化、特大型化要求。系列化是工程机械发展的重要趋势。著名大公司逐步实现其产品系列化进程,形成了从微型到特大型不同规格的产品。与此同时,产品更新换代的周期明显缩短。所谓特大型工程机械,是指其装备的发动机额定功率超过746kW (1 000HP)。二是多功能化、多用途、超小型化、微型化为了全方位地满足不同用户的需求。工程机械在朝着系列化、特大型化方向发展的同时,已进入多用途、超小型化、微型化发展阶段。推动这一发展的因素首先源于液压技术的发展——通过对液压系统的合理设计,使得工作装置能够完成多种作业功能;为了尽可能地用机器作业替代人力劳动,提高生产效率,通过利用GPS(全球定位系统)、GIS 和GSM技术,多功能化作业来改变单一作业功能。多功能化作业也已从中、大型工程机械应用的局限中解脱出来,在小型和微型工程机械上也开始了应用。三是节能与环保的需求。为提高产品的节能效果和满足日益苛刻的环保要求,工程机械公司主要从降低发动机排放、提高液压系统效率和减振、降噪等方面入手。目前人机工程学、无污染绿色施工等成为人们的共识。

   CAN总线嵌入式工程机械控制系统能够通过图形界面完整地实现控制功能,如果监控器有特殊消息向管理中心发送,例如故障,停机时间也会在相应的消息区显示,同时可以针对系统故障设定相应的反应时间本系统要求能够实现本地控制功能,还有各种接口,包括网络、CAN 总线、显示接口等,可以将本机状态信息发送到远程控制中心。上位机基本界面的显示,系统采用320*240的LCD显示器来开发图形界面,LCD显示器上将显示系统信息区、状态参数区、故障指令区三个部分,接收下位机信息由下位控制监控器进行。包括GPS数据处理和GSM通信,系统根据下位监控器传送的信息,计算系统所需要的参数,并将需要发送的参数存储到指定的数组里面。在此基础上,分别对硬件、GPS数据处理和GSM通信模块、上位机图形显示系统进行检测,并对系统的噪声污染、电磁信号污染进行检测,并记录相关的检测报告。
   目前CAN总线嵌入式工程机械控制系统的难点如下:(1)CAN总线的扩展,本课题选用飞利浦公司生产的SJA1000芯片与ARM扩展链接,直接采用 CPU的总线扩展。而使用总线方式扩展CAN总线接口,要解决ARM系统和SJA1000芯片的时序配合。(2)GPS数据处理,利用系统中的GPS模块实时获取移动终端的地理位置信息,GPS模块与系统的串口1相连接,每秒钟向监控器发送信息。(3)GSM通信,GSM通信部分分担的任务是 通过使用GSM通信模块每分钟向管理中心发送本机信息,在发生故障或者有紧急情况下发送信息,同时接收管理中心信息,GSM通信模块与系统的串行口2相连。(4)数据处理与故障处理。
   四、结语
   工程机械控制系统在朝着系列化、特大型化方向发展的同时,已进入多用途、超小型化、微型化发展阶段。推动这一发展的因素首先源于液压技术的发展——通过对液压系统的合理设计,使得工作装置能够完成多种作业功能;为了尽可能地用机器作业替代人力劳动,提高生产效率。将CAN系列功能模块、ZLG系列CAN接口卡组建成一个可靠控制、易于开发的CAN总线应用网络以及在工程机械控制网络中快速应用的方法。本课题通过 CAN总线实现对各传感器信号的采集以及输出装置的控制,使得系统容易构建,布线安装方便;同时系统抗干扰能力强、可靠性高、实时响应性好。而且通过CAN总线的应用,使该起重力矩控制系统能够作为一个子系统嵌入到其他工程机械的控制系统中。
  参考文献:
  [1] 罗安明,韩新民.现场总线技术的发展及趋势[J].机电产品开发与创新,2011,(1).
  [2] 刘敬猛.嵌入式技术及其在工程机械监控器中的应用[J].工程机械,2003,(6):5-8.
  [3] 孙立辉,原亮.基于CAN总线的多机冗余系统的设计[J].计算机测量与控制,2002,(12).
  [4] 邹宽明.CAN总线原理与应用设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996.[责任编辑 陈 鹤]


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