（机械工程专业论文）saq150牵引机智能化改造.pdf

工程硕士学位论文 摘要 随着数字控制技术的迅速发展，对电力企业的施工设备提出了更高的要求， 近年来，国外已初步研制和开发出具有数字化、智能化控制的牵引机设备，而我 国的许多电力施工企业的牵张设备目前还处于手动控制或半液压控制的阶段，自 动化和智能化操作水平较低。导致了设备的安全性、可靠性较低。本课题通过将 微电子技术和液压技术、传感技术、机械技术有机结合，对原有的s a q 一1 5 0 牵引 机的主液压系统控制进行了数字化、智能化的改造，提出了总体方案和思路，主 要解决以下方面的几个问题： 柴油机、液压系统实现整体数字控制；对牵引力实现智能控制；对牵引速度 实现智能调节；对系统安全实现全面监控和保障；对整机运行状态显示，重要参 数设定，故障情况实现实时显示和记录，并有工作时间记录功能；整机实现总线 控制。 本文第一章绪论部分分析了牵引机的国内、外的技术水平和发展趋势；第二 章对牵引机的控制方式和控制结构进行了探讨；第三章确定了s a q 一1 5 0 智能化牵 引机的总体方案和机、电、液系统控制原理。第四章对牵引机的调试结果进行了 分析和总结。 该项技术不但对我国的牵引机的发展起到了一定推动作用，而且对其它工程 机械的控制也有借鉴作用。 关键词；牵引机：智能化改造：高效安全 工程硕士学位论文 a b s t r a c t a j o n gw i mt h en u m c r i c a lc o n t r o l t e c t l l l o l o g yr 印i dd e v e l 叩m e n t ，p m p o s e dt ot h e e l e c t r i cp o w e re n t e r p r i s e sc o n s u c t i o ne q u i p m e n tah i g h e rr e q u e s t ，i nr e c e my e a r s ， o v e r s e a sh a sd e v e l o p e di 血t i a l l ya n dd e v e l 叩sh a se q u i p m e n ta n ds oo nd i g i t i z e d ， i n t e l l e c t u a l i z e dc o n t r o l 缸a c t o r ，t e n s i l em a c h i n e ，b u to u rc o u n t 哕sm a n ye l e c t r i cp o w e r c o n s m l c t i o ne n t e r p r i s ep u l l so p e n st h ee q u i p m e ma l s ot ob ei nm eh a n dc o n h d lo rh a l f h y d r a u l i cc o n t r 0 1s t a g ea tp r e s e n t ，a u t o m a t e da n dt 壬l ei n t e u e c t u a l i z a t i o no p e r a t i o n a l 1 e v e l i sl o w c a u s e d l ee q u i p m e n ts e c u r i t y 、r e l i a b i l i t yt ob el ow t h i st o p i ct h r o u 曲 t h em i c m e l e c t r o n i c t e c l l i l o l o g y a 1 1 dt h eh y d r a u l i cp r e s s l l r et e c l l n o l o g y l es e n s i n g t e c h n o l o gy ，m em e c h a n i c a lt e c l l n i c a lo r g a i l i cs y n t l l e s i s ，h a sc a i e do nt ot h eo r i g i n a l s a q - 1 5 0 订a c t o r m a i l lh y d r a u l i c s y s t e m c o n t r 0 1 d i g i t i z e d ，l e i m e l l e c t i l a l i z e d t r a i l s f o m a t i o n ，p m p o s e dt h eo v e r a l lc o n c e p ta 1 1 dt h em e n t a l i t y ，m a i n l ys 0 1 v ef o l l o w i n g a s p e c ts e v e r a lp r o b l e m s ： t h ed i e s e le n g i n e ，t h eh y d r a u l i cs y s t e mr c a l i z e l eo v c r a l ln m e r i c a lc o n t m l ；t o f o r c eo ft r a c t i o nr e a l i z a t i o n i m e l l i g e n c ec o n t r o l ；t b t o w st h es p e e dr e a l i z “o n i n t e l l i g e n c ea d j u s 衄e n t ；r e a l i z e st h ec o m p r e h e l l s i v em o n i t o r i n ga n dt h es a f e g u a r dt o m es y s t e ms a f e t y ；d e m o n s t r a t e dt ot h ec o m p l e t em a c h j n em n n i n gs t a t u st h a t ，也e i m p o r t a n tp a r 锄e t e rh y p o t h e s i s ，t h eb r e a k d o w ns i t u a t i o nr e a l i z a t i o nr e a l t i m ed i s p l a y a n dt h er e c o r d ，a n dh a v et h eo p e r a t i n gt i m er c c o r d i n g 如n c t i o n ；c o m p l e t em a c h i n e r e a l i z a t i o nc a nc o n 妇r 0 1 t h j sa n i c l ef i r s tc h 印t e ro fi n t r o d u c t i o np a r ti n 廿d d u c e d t h et r a c t o rh o m e ，t h e o u t s i d et e c l l l l i c a l1 e v e la n dt h et r e n do fd e v e l o p m e n t ；s e c o n dc h 叩t e rm ec o nc r o lm o d e a n dm ec o 玎n d ls t n l c t u r eh a sc 删e do nm ed i s c u s s i o nt ot h et r a c t o r ；t h i r dc h 印t e rh a s d e t e m i n e dt h es a q 一1 5 0i n t e l l e c t u a l i z a t i o nt r a c t o ro v e r a l lc o n c 印ta i 】dm a c h i n e ，t h e e l e c 埘c i t y ，m ef l u i ds y s t e m sc o n t m lp r i n c i p l e f o u r t hc h a p t e rh a sc a r r i e do nm ea n a l y s i s a n dm es u m m a r yt ot h et r a c t o rd e b u g g i n gr e s u l t n o to n l yt h i st e c h n 0 1 0 9 yt oo l l rc o u n t 哕s 仃a c t o rd e v e l o p m e n tc e n a i ni m p e t u s 劬c t i o n ，m o r e o v e r “s oh a st h em o d e l 劬c t i o nt oo t h e rp r o j e c tm a c h i n e r yc o n t m l k e yw o r d ：t r a c t o r ；i n t e l l e c t u a l i z e dt r a l l s f o m a t i o n ；h i 曲e m c t i v es e c u r i t y i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：日期：2 0 0 6 年r 月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：2 0 0 6 年，月彩日 日期：2 0 0 6 年石月日 k ，可 7玎l 1 扩f 是远 ，t 叶姚 鹳鹳渚师 作导 工程硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着科学技术的迅速发展，对电力行业，尤其是对电力施工企业提出了更高 的要求，近年来，国外已初步研制和开发出具有数字化、智能化控制的牵引机、 张力机等施工设备，而我国的许多电力旌工企业的牵张设备目前还处于手动控制 或半液压控制的阶段，自动化和智能化操作水平较低。导致了设备的安全性、可 靠性较低。 进入21 世纪，计算机技术、数字技术和微电子技术己经十分完善并大量采用， 世界制造业随着数字控制技术的普及，普通的机械工程设备将逐渐地被高精度、 数字化控制的设备所代替。制造企业要想立于不败之地，必须采用先进的制造技 术和智能化的设备控制手段。我国牵、张设备的设计、制造工作，在改革开放以 来，有了很大的进步和发展，出现了许多受人欢迎的产品，但与国际设计水平相 比，仍存在较大的差距，许多部件还需要从国外进口，为尽快改变目前这种状况， 提高我国电力施工行业牵、张设备的档次和水平，在设计工作方面，必须不断地 更新设计观念，学习并逐步采用国内和国际先进的设计方法和理念，设计制造出 受市场欢迎的产品。 然而，对国内电力施工企业来讲，如果直接购买国外的牵、张设备产品，价格 偏高，一次性投入较大，投资回收时间过长，一般的企业都难以承受。为了改变 目前这种状况，我们根据市场需求情况，对现有的牵引机等设备进行改造，在原 设备设计的基础上，对牵引机液压控制部分实现自动化、数字化的智能控制设计 改造，以推动我国电力行业施工设备的智能控制化进程。 1 2 课题的目的和意义 近几年来，随着电力施工技术水平的不断提高，施工工期越来越短，而牵、 张设备是送电线路施工的主要设备，设备的性能及可靠程度的要求不断提高。目 前，国外已经生产出电控牵引机，即发动机与牵引速度的控制已由原来的机械及 液压控制发展到电子控制，投入市场使用受到用户的好评。为进一步扩大我国牵引 s a 0 一1 5 0 牵引机智能化的改造 机市场份额，提高设备的国际、国内竞争力。在设备的技术水平方面有待于提高 和储备，虽然现有的产品能够满足电力施工行业现场施工的要求，但随着施工技 术的不断提高，许多送变电施工企业以着眼与更先进可靠的设备。为此，作为今 后几年的发展方向，我们对现有的牵引机进行数字化、智能化技术改造，该项技 术是国内领先的，且改造后的产品有望是以后一段时问施工的主导产品，该项目 的改造将对我国的电控的牵张设备发展起到推动作用。 本课题主要任务是从液压牵引机的控制方面入手，整机采用微处理器控制， 实现s a 0 一1 5 0 型牵引机主液压系统控制电子化、智能化。保证牵引机达到如下技 术性能： 柴油机、液压系统实现整体数字控制； 对牵引力实现智能控制； 对牵引速度实现智能调节； 对系统安全实现全面监控和保障； 对整机运行状态显示，重要参数设定，故障情况实现实时显示和记录，并 有工作时间记录功能。 整机实现总线控制。 该项改革技术完成后，牵引机的控制技术水平将跃上一个新的台阶，设备的 各种控制都可实现智能化调节，某些液压控制无法解决的问题可很轻松得到解决。 如刹车丌启与主泵工作同步问题等。所有工作参数及状态如牵引力、牵引速度等 都可通过显示屏自动显示；许多相互动作可实现互锁与联动；设备出现故障可即 时显示并自动处于保护状态以免引发事故：另外还可记录工作时间及使用过程中 出现过的故障情况以利于保养维修。 总之，该项目完成后，设备的操作性及可靠性将大大提高，使用该设备施工 将更加高效与安全。 1 3 国内外的工程机械控制的研究现状和分析 自动化工程机械控制一般有三类：遥控操作工程机械、可编程控制工程机械和 智能化工程机械。遥操作工程机械经常被用于危险或人类难以进入的作业环境， 如水下、高温、高压、核辐射环境，由操作者通过远程控制完成作业任务。可编 t 程硕士学位论文 程控制工程机械通过改变工程机械的控制程序，完成不同的任务。可编程控制工 程机械适合在结构化环境下进行工作，一旦外部施工环境和施工对象发生变化， 则需要重新编写控制程序。目前绝大多数自动化工程机械都是可编程的。智能化 工程机械不需要操作人员的参与，通过安装各种复杂的传感器来获取环境的信息， 具有自我感知、自主决策、自动控制的功能。 1 3 1 目前国内外牵张设备的技术水平情况 我国自2 0 世纪6 0 年代开始试行张力放线，当时国内还没有张力放线的设备 和生产厂家，放线主要采用人拉肩扛的地面拖拽放线方法。随着第一条5 0 0 k v 输 电线路的兴建，我国从国外陆续引进了一批比较先进的张力放线设备，其中以意 大利和加拿大两国的设备为主。意大利“t e s ”公司的牵张设备在中国销售的业绩 最好，从上世纪8 0 年代初就进入中国市场，在以后的十多年里基本处于垄断地位， 几乎第一类的单位都购置了该公司的产品，其产品数量占目前囡内总数( 第一类 的单位) 的5 0 左右，产品无论外观、结构、性能等都非常好，主机采用液压传 动方式，主系统为高速双向变量液压泵和双向定量马达组成的闭式系统。制动系 统采用换向阀控制盘式制动器的开启和关闭，换向阀与主泵控制手柄凸轮连接， 实现主泵变量与刹车同步开启和关闭； 加拿大“天伯伦”公司的产品是最早( 上世纪7 0 年代末) 进入我国的，其数 量约占2 0 左右。其产品是目前国内外不通过末级开式传动齿轮减速机，而由卷 扬减速机直接驱动双摩擦卷筒的牵引机，其液压油散热器经发动机风扇冷却，不 设单独的液压油冷却散热风扇系统，结构紧凑，噪音小。主系统采用双变量泵和 双定量马达系统并联而成，两个液压马达驱动各自卷扬减速机的卷筒单独工作。 两个主马达和尾架马达均安装有输入压力油开启，停机或失压时制动的盘式制动 器，均由补油泵供给压力油，并通过换向阀实现主泵变量与刹车同步开启。该机 带有尾绳夹紧装置，并设置高压溢流阀预定最大牵引力。 近年来德国设备也已开始进入中国市场，德国z e c k 制造的牵张机亦采用液压 传动，拖车式结构布置，其主系统为高速双向变量液压泵和高速双向定量马达组 成的闭式全液压牵引机系统，牵引力匀速，停机再启动不会产品顿挫的现象，导 致导线损伤。整体式同步驱动钢丝绳卷绕机，可以自动化操作提升更高的效率。 s a o _ l5 0 牵引机智能化的改造 钢丝绳卷绕机液压排线装置；可以将钢丝绳或是用于使用旧线牵引新线时将线排 列整齐。机具采用1 5 米有线遥控可以远离噪音有效控制牵引力，有助于提升作 业效率并且防止触电事故发生。 国内其他牵张设备生产厂家有，宁波东方电力机具制造公司，生产的s a y q 2 2 0 系列牵张设备液压件采用德国”力士乐”产品，柴油机为康明斯m 1 1 3 2 0 型6 缸水 冷发动机，功率2 3 5 k w ，采用双泵双马达闭式系统，发动机通过分动箱驱动两液压 泵；设高、低两档，无级调速，有自卷绕排绳机构，组合式应用能使牵引力倍增，有 预调牵引力装置，弹簧作用常闭式多片制动器，过载保护安全可靠，无级调速， 操作简便。河南博大的设备主要是参考加拿大的设备制造，液压传动，性能可靠， 有钢丝绳卷绕液压排线装置，可以将钢丝绳自动排列整齐。河南温县电力机具制 造公司生产的牵张设备液压件采用德国”力士乐”产品，发动机采用康明斯或道依 茨公司产品，主系统为变量泵定量马达组成的闭式传动系统。 1 3 2 工程机械控制器的发展趋势 工程机械控制器的一个发展趋势是人性化和网络化。以往的工程机械控制器功 能比较简单，所实现的功能只是将面板的按钮转换为系统指令，以及监测系统状 态、数据采集等。这些控制器力求稳定可靠，并且尽可能使控制简单快捷。但是 如今随着社会生产节奏日益加快，人们更加注重提高工作效率以及驾驶员操作的 方便性和舒适性，采用大屏幕的液晶显示使控制器的显示界面更加人性化。 工程机械控制器不仅强调本地控制功能，还应实现远程网络通讯功能，具备 各种通讯接口，包括网络、c a n 总线等，通过无线通讯模块，可以将本机状态发送 到远程控制中心和其它的工程机械，方便地进行交互和工作调度。 提高施工作业质量，需要采用信息技术、通信技术和智能控制技术，实现工 程机械与施工环境的协调、工程机械与施工任务的统一，达到缩短施工周期、有 效利用施工资源的目的。 目前国外先进的工程机械公司已在新型的装载机、平地机、挖掘机、摊铺机、 压路机和牵引机上安装了远程无线通讯系统、g p s 定位系统和车载计算机装置，将 机械的工作参数、工作进程等一系列信息通过无线通讯系统进行监控和管理。具 有代表性的是c a t e r p i l l a r 公司的采矿铲土运输机群动态管理系统c a e s ( c o m p u t e r 4 工程硕上学位论文 a i d e de a r t h m o v i n gs y s t e m ) 。该系统由机载系统和管理中心系统组成，集成了g p s 定位单元、实时机器状态显示与高速无线通讯单元、施工现场动态物流管理单元。 通过双向无线通讯系统将施工机械的位置、状态信息实时地传输到管理中心，中 心结合施工机械的数据产生一个集成的实时作业模型，使施工管理人员能在接近 实时条件下对现场作业进行监控，同时作业管理软件通过最佳施工物流的分析， 产生新的施工方案，并将每一台机器的最佳运行位置、速度、路线、载重量传送 给相应设备的监控单元。在工程机械工作过程中，机载系统接收整个无线网络中 的铲土运输数据、工程数据或现场规划数据。这些数据都显示在驾驶室内的显示 屏上，司机在驾驶室内能直观地了解机器的作业位置，根据最佳的施工方案准确 地判断需要挖掘、回填或装载的土方量。 国内一些主要的工程机械生产和科研单位都已参加了“智能化工程机械”的 研究开发工作，如徐州工程机械集团有限公司、三一重工股份有限公司、天津工 程机械研究院，目前已经完成了道路施工机械中的装载机、材料拌和站、自卸车、 摊铺机和压路机等单机的智能化改造，并掌握机群智能化工程机械系统的设计和 制造技术。 未来十年，我国基础设施建设将处于前所未有的高速发展阶段。在“十一五” 期间国内工程机械的需求可达7 6 0 亿元左右。因此，利用机器人技术、数字化技 术、网络技术、智能技术与高性能计算技术对传统机械产业进行改造提升，发展 智能化工程机械，是一个具有行业带动性的、在国家经济建设中具有全局性的重 大问题。 s a 0 1 5 0 牵引机智能化的改造 第2 章牵引机控制方式及控制结构探讨 2 1 牵引机几种控制方式比较 经过多年来不断的努力探索、改进，依据国外先进的液压系统的控制元件、 控制原理、控制方式。我国在牵引机主回路控制系统方面，先后经过了机械式、 液压式、电控式、智能化控制方式等几个阶段。 第一代牵引机主泵变量采用液压控制，手动伺服机械式调节，对于实现主泵 变量与刹车同步开启的问题，比较困难。只能采用机械方式解决，主控手柄在进 行变量的同时，利用凸轮机构打开控制刹车的行程阀，主控手柄回到中位时，关 闭刹车。这种方式对操作人员的要求比较高，握紧刹车的同时必须扳动主泵变量 手柄进行牵引工作，否则将造成牵引轮反转溜线，造成一定的危险。机械控制式 牵引机虽然能够完成基本的控制功能，但是操作复杂，安全可靠性差。 其控制原理见图2 1 ，主泵控制手柄与排量的关系见图2 2 。 图2 1 主泵变量机械控制 工程硕士学位论文 v g 1 oe8o。6e+ 4o2 一一 v g 一一 一 一 一 ， 一 一 一 一 ) o ，2o 。誊o ，6o ，81 ，o 矗 v t 一汛。 图2 2 主泵控制手柄与排量的关系 第二代牵引机主泵变量采用液压控制式调节，主泵选用液控泵，主泵变量与 控制压力有关，采用油缸行程来控制变量斜盘，油缸行程的大小通过减压阀提供 的0 1 8 b a r 压力大小来调节，主泵供油方向采用换向阀来切换。液控泵对于实现 主泵变量与刹车同步开启问题比较容易解决，a 4 v g 柱塞泵内集成的补油泵提供 2 5 b a r 的补油压力，此压力既可以提供减压阀0 一1 8 b a r 的压力需要，又可以提供 打开刹车的1 2 b a r 的压力要求。刹车的开启是通过电磁换向阀来切换，换向阀的 压力油可以通过隔离阀来提供，而隔离阀的开启又可以通过减压阀1 和2 口的压 力油来控制，因此主泵在a 、b 口两个供油方向均可实现刹车电磁阀的开启，也就 使得牵引、松线工况主泵变量与刹车同步开启问题变得容易解决。 机械控制式牵引机安全性能差的一个重要原因是因为不能预先设置最大牵引 力，在线路施工中由于钢丝绳或导线跳槽，走板卡死的情况经常发生，而牵引机 没有防范措施只能继续牵引，直到牵不动为止，此时发动机处于非常恶劣的工况 之中或者熄火，而钢丝绳或导线处于非常大受力状态，此时危险性很大，容易造 成严重的事故发生。 液控泵对于预置最大牵引力功能，也很容易实现，在主泵的m a 口也就是牵引 工况主泵高压侧引出压力油，通过溢流阀给主泵供油，从而克服油缸弹簧力与减 压阀供油压力的合力，推动主泵变量斜盘回中位，在回油口设置4 2 b a r 左右的被 ! 垒呈：! i ! 童! ! ! ! 塞璧些墼墼重 压来保证克服减压阀供油压力和油缸弹簧力合力的最低牵引力预置要求。这种预 置牵引力的方式不同于通常采用的在牵引工况主泵高压侧设置溢流阀的牵引力预 置方式，这是一种完全意义上的闭式反馈系统，优点在于当牵引力达到预设值时， 主泵基本上处于零负荷工况，发动机也处于非常小的负荷工作，对主泵、主马达、 发动机具有一定的保护作用。其控制原理见图2 3 ，先导控制压力与主泵排量的关 系见图2 4 。 图2 3 主泵变量液压控制 b 一 ，r 48 一1 陋 v p豇jn i v 。 d j 8 p i a c e m e n ta tp 8 t v ：m “ d $ p i a e e m e m a tp 3 t 一1 8b a r 图2 4 先导控制压力与主泵排量的关系 工程硕士学位论文 各功能组合后的实际系统原理见图2 5 。 图2 5 各功能组合后的实际系统原理 液控式牵引机还具有另一个安全性保障功能一尾绳夹紧装置。此功能在机械 式牵引机中也无法实现。牵引机更换线盘是一件很频繁的工作，每次换盘时都需 要几个人拉紧牵引轮最后的尾绳，在下雨天，钢丝绳易打滑或牵引力很大的情况 下，尾绳张力也是很大的，此时危险性也是很大的，一旦无法拉紧尾绳，造成跑 线，将造成严重的事故发生。尾绳夹紧装置是在导向轮处设置钢丝绳夹线器，当 尾架系统具有一定的压力，也就是线盘已经换好，具有一定的尾绳张力，此时才 可以控制夹线器松开钢丝绳，只要当夹线器的下夹板将行程阀压到位后，主泵变 量手柄才可以进行牵引、松线工作。此装置的优点在于，它是一种互锁装置，尾 绳无张力时，无法夹紧钢丝绳，夹紧钢丝绳时，主泵不能工作，牵引轮不能转动。 此功能在很大程度上降低了换盘时的危险性，节省了人力。 液控式牵引机虽然在控制方面和操作方面具有很大的改进，但依然有它的不 s a o 1 5 0 牵引机智能化的改造 足之处，特别是在主泵变量与刹车同步开启功能上，由于主泵的灵敏程度和刹车 管路长短造成的压力损失无法控制，依然造成不能完全同步的问题，刹车延时打 开或提前关闭会发生憋泵的情况，刹车提前打开或延时关闭会发生溜线的情况， 此时只有通过在主泵的控制变量的y 1 ，y 2 口中加阻尼或在隔离阀的t 口中加阻尼 的方法解决，但是在冬季或夏季由于温度变化造成液压油的粘度不同，此类问题 依然无法彻底解决。 第三代牵引机主泵采用电气控制，与比例电磁铁电流有关，作用力控制变量活 塞的行程大小，因而斜盘及泵的变量无级可调，主泵a 、b 口流动方向各对应一个 比例电磁铁，以实现牵引、松线工作。 电控式牵引机与液控式牵引机比较，更加先进，控制更为简单，可靠，故障 率低。而且成本与液控式牵引机相近，节省管路1 7 左右，隔离阀，行程阀、液 控手柄均可省去，相应的采用电控行程开关，和一个电控手柄来代替原有的液控 手柄和行程阀。其预置牵引力功能与液控式完全相同。主泵变量与刹车同步问题， 由于电控手柄提供给刹车电磁铁的电流延时可调，打开刹车的时间可以调整，可 完全做到与主泵变量同步，不会造成憋泵或回中溜线的现象发生，解决了液控式 牵引机无法解决的问题。其控制原理见图2 6 ，电流大小与主泵变量关系图2 7 。 图2 6 主泵变量电比例控制 工程硕士学位论文 lii n m a ，s o i e n o i da ) 1 2 0 0 e p l 。v v v 8 0 0 6 0 0 e p 二 4 0 0 2 0 0 l 订 ，o0 80。60。4o 2 i) 0 20t 4 06c，8 1t o 0 v 口m 2 0 0 v 4 0 0 0 - - 8 0 0 r i 汛m af s 0 睡n o db 图2 7 电流大小与主泵变量关系 第四代牵引机主泵采用智能控制。 从2 0 世纪末，人类已进入了数字化、信息化、知识化的时代，数字技术的数学 基础是离散数学，逻辑数学等，已在1 8 世纪就已经出现，但发展为数字技术并付诸 应用，则是在微电子技术和器件的发展之后当时的液压设备庞大，功能损耗多，再 加上系统可靠性和稳定性也不满足要求，在液压系统中采用数字技术是有一定的 困难的，随半集成器件和超大规模集成器的出现，数字技术在液压系统的应用才普 及发展起来目前，由于微型机的快速发展，特别是单板机单片机价格的低廉，为 液压系统数字化提供了必要的条件，使数字化技术应用于液压控制和测试等诸多 方面。 本课题研制开发的智能化牵引机，是以s a q 一1 5 0 液压牵引机为载体，对其主 液压系统、辅助液压系统、柴油发动机的控制系统实现电子化、数字化的智能控 制。不仅具有前三代产品的所有特点和功能，其性能也更为优越，牵引力、牵引 速度可预置，采用微处理器智能控制，对系统安全实现全面监控和保障，发动机 实现功率极限载荷调节，过载保护。特别是对操作人员的要求极低，出现故障， 显示报警，自动停机。设备安全可靠性高，操作简单，故障率低。 s a 0 1 5 0 牵引机智能化的改造 2 2 总线控制结构一c a n 总线 2 2 1 c a n 总线简介 控制器局域网，简称c a n 总线，8 0 年代初出现于汽车工业。由于有非常优异的 总线共享和仲裁性能，能够快速，强有力地交换信息，具备故障界定隔离能力等特 点。c a n 总线在工业自动化、建筑物环境控制、机床、医疗设备等领域得到了较广 泛的应用c a n 总线是唯一一种有国际标准的现场总线，c a n 是c o n t r o l ( 控制) a r e a ( 局部) n e t w o r k ( 网络) 的缩写。 c a n 总线是德国b o s c h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试 仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信 介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达l m b p s 。c a n 总线通信接 口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理， 包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。c a n 协议的一个 最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这 种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由1 1 位或2 9 位二进制数组成，因此可以定义2 1 1 或2 2 9 个不同的数据块，这种按数据 块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制 系统中非常有用。数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工业领域中控制命令、 工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总线时间过长，从而保 证了通信的实时性。c a n 协议采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了 数据通信的可靠性。c a n 卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业 过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的 现场总线之一。 由于c a n 为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文 的标准化。为此，1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制订并发布了c a n 技术规 范( v e r s i o n 2 o ) 。该技术规范包括a 和b 两部分。2 o a 给出了曾在c a n 技术规范 版本1 2 中定义的c a n 报文格式，而2 o b 给出了标准的和扩展的两种报文格式。 此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运载工具数字信息交换一高速通信 控制器局部网( c a n ) 国际标准( i s 0 1 1 8 9 8 ) ，为控制器局部网标准化、规范化推 工程硕士学位论文 广铺平了道路。可以预料，控制器局域网在我国迅速发展和普及是指曰可待的。 1 9 8 6 年2 月：由b o s c h 公司首次提出c a n 。 1 9 9 2 年：奔驰公司首次在汽车上使用c a n 。 1 9 9 3 年1 1 月：由b o s c h 公司首次提出c a n 2 o 成为i s o l l 9 8 9 标准并由b o s c h 公司 首次提出c a n o p e n 应用层协议。 2 ) c a n 总线国际标准 i s o1 1 8 9 81 1 位波特率最高为l m b p s 。 i s o1 1 5 1 9 数据传送中的错误处理，使1 1 8 9 8 扩充2 9 位。 i s o1 6 8 4 5 测试规范。 s a ej 1 9 3 9 ；用于柴油机的通讯协议。 3 ) c a n 主要通讯协议 c a n 2 0a ：1 l 位。 c a n 2 ob ：2 9 位。 c a n o p e n ：1 1 位和2 9 位：高层应用协议。 2 2 2c a n 总线技术的应用特点及支持器件 ( 一) c a n 总线技术的应用特点 1 c a n 网络上任何一节点均可作为主结点主动地与其他节点交换数据，大大提高 系统的性能。 2 c a n 网络节点的信息帧可分出优先级，且单帧字节长度短，有很好的实时性。 3 c a n 的物理层及数据链路层采用独特的设计技术，使其在抗干扰，错误监测能 力等方面的性能均超过其他总线。 4 c a n 的通信速率相当高。当网络线的长度不超过4 0 米时，其通信速率可达 1 m b i t s 。 5 c a n 总线每帧数据都含有c r c 校验及其他校验措施，数据出错率低。 6 c a n 总线节点在严重错误的情况下，可自动切断与总线的通信联系，以使总线 上的其他操作不受影响。 7 物理线可以使双绞线，同轴电缆或光纤，非常灵活。 s a q 一1 5 0 牵引机智能化的改造 报节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使其他节点的操作不受 影响。 8 报文发送期间若丢失仲裁或由于出错而破坏的帧可自动重发。 9 唯一有国际标准的现场总线，易配置，易使用，有较高的性价比。 l o 系统无需上位机，整个系统简化，可靠性高。 ( 二) c a n 总线技术的支持器件 c a n 总线自问世以来，由于具有众多独特的优点，得到广泛的应用，而且受到 众多的半导体厂商的支持。目前生产支持c a n 协议器件的公司有i n t e l 、m o t o r o l a 、 p h i l i p s 、s i e m e n s 、n e c 、h o n e y w e l l 等百余家国际著名公司。其应用器件琳琅满 目、层出不穷，已经形成产品系列。目前市场上比较常见的有i n t e l 的c c u 3 0 1 0 e 、； m i s u b i s h i 的3 7 6 3 0 ；m o t o r o l a 的m c 6 8 h c 0 5 x x m c 6 8 3 7 6 ；s i m e n s 的c 5 0 5 c 、c 1 6 7 c r ； n e c 的7 8 k o ；p h i l i p s 的8 0 5 9 2 9 8 、x a c 3 ；t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 7 0 e 0 8 d 5 5 等控制器件及外围传感器及执行器件。 ( 三) i s 0 规定的o s i ( 开放系统互连) 网络系统结构 i s o 规定的o s i ( 开放系统互连) 网络系统结构见图2 8 所示 图2 80 s i ( 开放系统互连) 网络系统结构 2 2 3c a n 总线的构成和各层功能 工程硕士学位论文 ( 1 ) 构成c a n 总线是由物理层( c a n 芯片) 、c a n 处理器、通迅协议和应用层构 成，如下图2 9 所示。 通讯 匣疆 磬越 c 裔n 处理器 总线 图2 9c a n 总线的构成和各层功能 ( 2 ) c a n 总线各层功能 c a n 总线各层功能见图2 1 0 遘信镑彀 教据联络瑶 图2 1 0c a n 总线各层功能 s a 0 1 5 0 牵引机智能化的改造 c a n 以其优异的品质具有明显的优势，越发受到业界的欢迎。c a n 总线在工程 机械上的广泛应用将使工程机械的控制性能、动力性、操纵稳定性、安全性、燃 油经济性都上升到一个新的高度，给工程机械技术的发展注入新的活力。 2 3 微处理器介绍 1 r c 微处理器基本原理简介 r c 微控制器用于力士乐公司生产的电控变量轴向柱塞泵和马达的可编程控制， 它是专为行走机械开发的，并满足诸如环境温度、防水、防震、防电磁干扰( e m v ) 的相应防护要求，各种不同型号的r c 微控制器具有相同的机壳和连接插头。其主 要差别是控制能力的不同，即输入和输出端的数量不同。r c 微控制器输入端处理 来自电位器、压力传感器、温度传感器、速度传感器或开关的信号，由r c 微控制 器给电位器和带内置放大器的传感器供电。 作为输出量，r c 微控制器作为直接控制比例电磁铁的调节电流和诸如继电器、 开关电磁铁和指示灯等的开关电流。 r c 微控制器用r s 2 3 2 串口与“s e r v i c e t o o l s ”进行通讯，通过c a n 咄u s 总 线接口可与多个r c 微控制器或电控柴油机管理等其它计算机系统交换数据。r c 微控制器软件可作为一种多用途程序来使用，其参数利用“s e r v i c e t o o l s ”按不 同的应用情况进行设置，另外，可把力士乐公司生产的泵和马达、传感器、信号 发生器及电子油门与r c 微控制器和相应的应用软件组合起来，可以得到符合各种 要求的静液压( 不随时间改变) 驱动方案。 2 r c 6 9 微处理器原理 r c 6 9 是德国力士乐公司生产的微处理器，r c 6 9 微处理器是具有6 个比例输 出端和9 个开关量输出端有c a n 总线接口。输入端能满足牵引机的参数的输入。 见图2 1 1 。 1 e r m i n a lc o n n e c l i o n sr c 8 9 工程硕士学位论文 踟t b ，k b r l 田c m 帕曲帅f r 姗t 啪口嘴r _ b 日血口蝻b g a d 却蚋b 舢耐n m d 拍b 帕hr e m e d b b n h y f 妇出山6 p o 画咐 却目血f u 黜m d 呐d b r h “e 十融 耐5 _ _ 口m 出n b 嘴l 咖；帖峭峭姗 o 一m # 州拓讳砷i n b 缸m i n r d e g 0 棚h e k 刷码酬j f d q 聃幛m 弹曲o h l 删佃吣础m m 8 * h 删k 口舳自d k 洲h v 6 甜毋鲫m 蝴* w * l d ，w m 日b b o 蛐t 咖惦m p 口自耐删驯b h m 圳 0 b 蜊ge 时i 甘b h 一“ d m o w o 蜘坼f 孵驸a 酢艄* 悯* 图2 1 1r c 6 9 微处理器原理图 7 ! 垒皇：! ! ! 至! ! ! ! 塑塑些墼塑堡 2 、微处理器技术数据表( 见表2 1 ) 表2 1 微处理器技术数据 技术数据 糍釉c s e f 敬i 燃湖e e h 精2 i l 羽蕊s 隰，匡晡嗣飘疆薹拦啊e 础劐罴捌露眭飘蕺i 额定电压 1 2v2 4v 电源电压 1 0 v v d c 电压波动 删n4 0 8 3 9 第1 部分】最大2v 总墙 电流： 无负载约5 m a约2 5 0n 1 a约2 5 0m a约2 5 0 m a 最大盘载 3 0a 1 5a ( 1 5a 1 0 a 内置熔断器无 外置熔断器 3 0a2 0a 1 5a 1 5a 输人齄出点数 模撺输入端1 ) 1 0874 开关量翰 端 1 2666 转速输 端 8 d 32 比倒电磁铁输出端 p w 1 2643 开关量输出端 6321 调节电机输出端2 ) 双向p w m 2 l 锡 la 1 ，i 1 模橼输出嫱( 电压 2113 ， 贼3 2 接口用千瞳一a 211l 或p c 一软件8 0 d 舶 211l c 州b 总线接口5 z 1 锡镯 11 救障识黜。) 电位计鞫 端l 数量) e424 电磁铁辖出端懂 量)所有电磁铰输出端 模拟输 电压范围 00 5 49 5vo 5v b 。5 49 5 v 可编程开关量输人端崭电位激活或低电位激活7 电位计电源电压 5v 外鬣电像计电阻。) 25 垃5k n 侍感器电源电压 5v 3 0 m+ 5v 2 0m a| + 5v 2 。m a 转谜鞠 端： 轴a 电压 1v d 频率范固 1 1 l 肚 比蹦电磁铁输出端： l o o 或 脉冲频率 p w m 1 或2 0 0 4 )1 0 0 或2 4 2 ”l 电流蓖鲴l 取决于负载 ol8 a 杼美量辖出端最太电泣 13 a 调节电机输出端： p w m 一频率 3 0 0 最大持续电流 27a 接拙擐输出端电压范围 o5 45 v l 负载日) 1 0 m 最处理器 2xc 1 6 7ixc 1 6 7c 5 ”ac 1 6 7 存储器容量： r a m2x1 潲i tl 强t2 5 6 l c e i t1 埔h e p r o m 或 一一5 1 2 啦i t 魏 f 1 8 s 卜e p r 。m2x4m b h4m 醣 锡 1 国“ 毪p r o m2x1 6 田i l1 6 蚺l t8k b h1 6k i 8 3 、r c 6 9 微处理器方框图 电池 电；也 转速 翰 端 模拟 轴人端 开关丝 输八端 开关量 输 端 模拟 输入端 转速 输入端 输入端竣宥冗案备份用平安全功能 第1 组输人端和筇2 缉输 端电路上指点弼开 图2 1 2r c 6 9 微处理器方框图 9 s a 口15 0 牵引机智能化的改造 4 、r c 6 9 微处理器接线图 此接线圈只是一个赛倒，窭鞒接线霸按挥用户要求$ i 订 2 a 日一3 皂缉和8 踟皂爨苇羁子供货范围与8 刑田i n 醇噼 h y 由街目t 越公司联系后可供挠。 谤断插座c f 洲孺锄m 组成部分是 一插塞接点j 9 2 9 9 0 - 1 6 7 0 的标准插座 一8 个镀金的插搴接点1 9 2 9 2 2 14 7 0 一接线端子h c 型19 2 9 0 _ 1 鞋o 一插座的防护嚣19 2 9 9 2 1 4 9 0 不黛于供赞范围 与既埘l l 喈 日岵脚乩m m 融公司联系后可供货。 穗 镪 窜 酒 撂 箍 型 盛 佃l 莲 啼 蹬 逆 ：i ( 束 ) 电池单独