（模式识别与智能系统专业论文）基于can总线45吨集装箱正面吊电控系统设计与实现.pdf

u n i v e r s i t yo f sc i e n c ea n d t e c h n o l o g yo f c h i n a ad i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r ，sd e g r e e t hed e signa ndim p lemen t o fe l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo f4 5 t o nr e a c hs t a c k e rb a s e do n c a nbus a u t h o r sn a m e ：x i a o w e i j i a n g s p e c i a l i t y ：p a t t e mr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m s b u p e r v i s o r ： 1 _ fi n l s n e dt l m e ： p r o f w e iq i a n m a y2 5 m ，2 0 11 i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：孟：! ：垒 签字日期：丝! l6 ：至 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定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，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等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、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 导师签名：丛之毛一 摘要 摘要 集装箱正面吊具有叉车和汽车吊的双重功能，主要应用于港口和码头、公路 和铁路中转站、堆场等场合，用来对集装箱进行装卸、转运及堆垛作业。它具有 机动灵活、操作方便、堆码层数高、作业幅度大、场地利用率高等特点。基于 c a n 总线的集装箱正面吊电控系统是目前广为流行的一种控制系统。设计优良的 电控系统可以大幅度提高正面吊的工作效率，是正面吊安全运行的前提。 本文所研究对象的是4 5 t 集装箱正面吊，其控制系统的控制器选用的是德国 h e s m o r 公司的g 1 9 型p l c 。发动机、变速箱、手柄、长角传感器、显示屏都通 过c a n 总线与控制器连接，从而实现数据的传输与交换；开关量和模拟量则是直 接与控制器相连，进而完成指令的交互。整个系统采用模块化设计，有利于系统 的集成和升级：利用c a n 总线通信提高了数据传输的可靠性和安全性；良好的人 机交互界面给用户带来了更方便的体验。 本文首先介绍4 5 t 正面吊的电控系统的构成，在此基础上着重介绍电控系统 的软件设计与实现。论文主要内容包括c a n 总线原理与应用；j 1 9 3 9 协议的研究 与应用；控制系统的通信部分设计与实现；正面吊运动控制模块设计，其中包括 大臂基本动作设计与实现，垂直升降模块的设计与实现：发动机极限载荷控制原 理的研究与讨论：控制系统安全报警的设计与实现；最后总结正面吊电控系统的 优点与不足并展望其发展。 实际工作中，在分析明确4 5 t 正面吊电控系统设计要求的基础上，分析系统 需要完成的各种功能，设计控制方案，编写程序实现各个模块的功能，模拟各个 模块的运行情况并初步调试程序，现场调试程序，完善各个模块功能。 关键字：正面吊垂直升降极限载荷p l c c a nj 1 9 3 9 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l e x i b l e ，e a s yo p e r a t i o n ，s t o w i n gh i g h ，w i d ew o r k i n g r a n g ea n dh i g h e rs i t eu t i l i z a t i o n ，r e a c hs t a c k e r ，w h i c hc o u l db eu s e da sf o r k l i f ta n d m o t o r - t r a c kc r a n e ，i su s u a l l yu s e dt ol o a da n du n l o a d ，t r a n s p o r ta n ds t o wc o n t a i n e r s a tp o r t ，d o c k ，t r a n s f e rs t a t i o no fh i g h w a ya n dr a i l w a y n o w , t h em o s tp o p u l a re l e c t r i c c o n t r o ls y s t e mo fr e a c hs t a c k e ri sb a s e do nc a n b u s u n d o u b t e d l y , ag o o dc o n t r o l s y s t e mi st h ep r e c o n d i t i o no fs a f eo p e r a t i o n ，a n dc o u l dr e m a r k a b l yi m p r o v et h e w o r ke f f i c i e n c yo fr e a c hs t a c k e r t h er e s e a r c ho b je c to ft h i sp a p e ri s4 5t o nr e a c hs t a c k e r a n dt h ec o n t r o l l e ro f i t sc o n t r o ls y s t e mi st h eg19t y p ep l c ，p r o d u c e db yg e r m a n yh e s m o rc o m p a n y m o t o r , t r a n s m i s s i o nc a s e ，j o y s t i c k ，s e n s o ro fl e n g t ha n da n g l e ，d i s p l a ys c r e e na r ea l l c o n n e c t e dt ot h ec o n t r o l l e rv i ac a nb u s a n dt h e yt r a n s f e ra n de x c h a n g ed a t ab y c a nb u st o o a n a l o ga n dd i g i t a ls i g n a l sa r ed i r e c t l yl i n k e dt oc o n t r o l l e r sp o r t s 硼1 e w h o l ec o n t r o ls y s t e mt a k e sm o d u l a r i z a t i o nd e s i g n ，s oi ti sp r o p i t i o u st os y s t e m i n t e g r a t i o na n du p g r a d e c o m m u n i c a t i n gb a s e do nc a nb u si m p r o v e ss a f e t ya n d c r e d i b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o n f r i e n d l yh u m a nm a n i p u l a t i o ni n t e r f a c eb r i n gm o r e c o n v e n i e n c et ou s e r s t l i sp a p e rp a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e st h es o f t w a r ed e s i g no fe l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m o fr e a c hs t a c k e r a n di no r d e rt om a k et h er e a d e r sh a v eab e t t e ru n d e r s t a n d ，t h e h a r d w a r ec o n s t r u c t i o no f4 5t o nr e a c hs t a c k e ri sa l s oi n t r o d u c e d 硒em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri n c l u d et h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no fc a nb u s a n dj19 39 p r o t o c o l ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m c o m m u n i c a t i o n ，t h ed e s i g no fm o t i o nc o n t r o lo fr e a c hs t a c k e lt h ed e s i g na n d i m p l e m e n to fs a f e t yo fc o n t r o ls y s t e ma n dv e r t i c a lm o v e m e n t ，t h et h e o r yo fe n g i n e l i m i tl o a dc o n t r o l ，a n dt h es h o r t a g ea n dp r o s p e c to ft h ec o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt o t h ed e s i g nr e q u e s to fe l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo f4 5t o nr e a c h s t a c k e lt h ea u t h o rc o m p l e t eas e r i e so fr e l a t e dw o r k ，i n c l u d i n ga n a l y z i n gt h ev a r i o u s r e a l i z e df u n c t i o n so ft h ec o n t r o ls y s t e m ，d e s i g n i n gt h ec o n t r o ls c h e m e ，p r o g r a m m i n g a n ds i m u l a t i n g ，d e b u g g i n gp r o g r a ma tt h es p o ta n ds oo n k e y w o r d s ：r e a c hs t a c k e r ，v e r t i c a lm o v e m e n t , l i m i tl o a dc o n t r o l ，p l c ，c j 蝌， j 1 9 3 9 i i i 3 2 2 j 1 9 3 9 报文帧的格式与定义2 3 l 一 3 5 3 5 3 5 3 5 3 7 3 8 3 9 4 0 4 1 4 2 4 4 4 4 4 5 略4 8 4 8 5 1 5 1 5 l 5 2 5 3 5 2 3 吊具和大臂安全控制5 4 5 3 控制系统报警程序设计5 7 5 4 控制系统安全控制验证6 0 5 5 本章小结6 0 第6 章正面吊控制系统的总结6 l 6 1正面吊控制系统优点6 1 6 2 正面吊控制系统的不足6 2 6 3 正面吊控制系统的展望6 2 参考文献6 3 v i 目录 致谢6 7 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果6 9 v i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 2 0 世纪7 0 年代后期，意大利b e l o t t i 公司在轮胎式起重机的基础上进行改 进，设计和制造了第一台集装箱正面吊b 7 5 。它的机械结构由轮胎式底盘、二 级伸缩臂架和多功能伸缩吊具组成；以柴油机作为动力设备，用液压缸驱动臂 架和吊具。臂架可以完成俯仰和伸缩动作，吊具能够很好的完成伸缩、横移和 回转等动作。b 7 5 的主要技术参数如下：吊具的起升重量约为4 0 t ，最小的转弯 半径为8 m ，吊具的水平面回转角度为3 0 。- 9 0 。，侧移距离为- 8 0 0 r a m 8 0 0 m m ，在作业过程中，正面吊的吊具可吊起2 0 f t 、3 0 f i 、3 5 f i 和4 0 f t 大小的集 装箱。正面吊的最大速度被限制在2 6 k m h 。正面吊发展初期只有少数几家公司 生产和设计集装箱正面吊，这些公司有意大利的b e l o t t i 、h y c o 、o r m i g 和法国 的p p m 。集装箱正面吊在这段时期内的发展很缓慢，在产品质量、结构设计与 总体性能上都存在着或多或少的缺陷。 进入2 0 世纪8 0 年代后，集装箱正面吊有了较大的发展。首先是瑞典的 k a l m a r 公司、s m v 公司、意大利f a n t u z z i 公司、c v s 公司、德国l i n d 公司、 美国h y s t e r 公司、t a y l o r 公司和西班牙l u n a 公司等知名公司开始生产设计集 装箱正面吊。其次，一直都不提倡使用正面吊的日本，也开始生产正面吊其中 包括t c m 公司。因此，这些公司的研究与生产使得正面吊技术快速发展。这 些新产品的起重重量能够达到4 1 t - 4 5 t ，有的甚至还达到了4 6 t ；堆码9 r 高6 i n 宽的集装箱可达到5 层；增大了吊具的水平面回转角度；进一步提高了正面吊 的工作速度。另外，把原来的框架式车架的结构设计修改成了箱形梁车架结构， 把俯仰油缸的下支点向前移动使得油缸的受力更加合理，将内外臂架的支承改 为滑块组件使得吊具具有减摇功能。同时，改进了系统的转向、制动、电气系 统与液压系统。在这段时期内，集装箱正面吊技术有了很大进步，逐渐趋于成 熟。 1 9 8 5 年，我国型号为j d 4 0 的集装箱正面吊在国内首次问世。这是国内的 第一台集装箱正面吊。j d 4 0 借鉴了b 7 5 的技术，二者技术性能与结构形式都 很相似。j d 4 0 在实际的使用过程中成效显著。随后又开发的s t 4 0 0 和j d 2 4 两 款型号的集装箱正面吊，同样取得了成功。这些都使集装箱正面吊技术得n - r 进一步的发展。 2 0 世纪9 0 年代后，为开发新型集装箱正面吊，交通水运部科学研究所开 ( 1 ) 企业的设计水平低，尤其是创新设计能力差，大多停留在仿制阶段，产 品水平难以提高。 ( 2 ) 生产集装箱正面吊运机的企业规模小，受市场制约，其发展企业大多没 有把它作为主要产品来发展，制造工艺落后，制造成本偏高。 ( 3 ) 产品可靠性差、故障率偏高。 ( 4 ) 驾驶室及内部设计一直是国内正面吊运机设计的薄弱环节，行业配套能 力不足也影响了产品整体水平的提升。 ( 5 ) 产品规格少，一般企业仅有1 2 种规格，难以满足国内各种用户的要 求。产品更新周期长。 ( 6 ) 技术服务不到位，水平不高，缺乏对产品有效的技术跟踪。 针对以上的不足，中科院合肥物质研究院与安徽合力股份有限公司合作立 项，决定自主开发集装箱正面吊控制系统，掌握其核心技术，降低生产成本， 2 第1 章绪论 实现产业化。本课题研究的正面吊电控系统是基于c a n 总线通讯方式，选用的 是德国h e s m o r 公司高性能的g 1 9 型控制器，派恩公司的s p n 一0 5 7 型显示屏以及 基本设备，采用模块化的编程思想，实现各模块功能。在介绍控制系统通信基 础上着重讲述了正面吊运动控制方案设计与实现，考虑到正面吊的安全运行， 突出了其安全性的设计与实现。 1 2 本文主要内容安排 本文主要阐述了基于c a n 总线的4 5 t 集装箱正面吊的电控系统的设计。该 电控系统是建立在h e s m o r 公司型号为g 1 9 的p l c 控制器之上的。由于该控制 系统主要是基于c a n 总线设计的，因此主要对c a n 总线的协议进行比较深入 的研究，并在此基础上熟悉了j 1 9 3 9 协议( 由美国汽车工程协会推荐的用于中 重型道路车辆上电子部件问的通讯标准体系结构) ，具体研究了4 5 t 正面吊用 到的发动机、变速箱、显示屏、手柄和长角传感器的通讯协议细则。针对控制 系统所提出的要求编写相应的控制模块并单独调试各部分的功能，这些功能模 块包括：通讯模块、发动机和变速箱模块、手柄和长角传感器模块、大臂和吊 具模块、报警模块等。通过整车的试，增改进之前的设计缺陷，强系统的鲁棒 性。目前，基于c a n 总线的4 5 t 集装箱正面吊电控系统的调试已经结束，完成 设计要求，已经投入生产应用。 本论文的具体内容安排如下： 第二章：介绍4 5 t 集装箱正面吊的基本结构以及正面吊电气控制系统的硬 件构成，在明确系统软件设计要求基础上，制定控制系统总体设计方案。结合 资料并实地考察正面吊工作情况，了解其机械机构、工作特点和技术参数等。 概括阐述了正面吊控制系统的设计要求，确定了系统的核心控制器，显示器等 主要器件，并给出了控制系统的总体设计方案。 第三章：介绍了c a n 总线和j 1 9 3 9 协议通信协议，在此基础上阐述整个控 制系统的通信部分设计与实现。具体是根据发动机、变速箱、显示屏、手柄、 长角传感器各自具体的协议编写模块实现其与控制器之间的数据交换。 第四章：介绍了集装箱正面吊运动控制设计，包括大臂基本功能设计，大 臂垂直升降功能设计，极限载荷控制功能设计。着重介绍了大臂运动控制原理， 并给出了大臂控制流程。为了提高正面吊的工作效率，设计完成了正面吊垂直 升降功能，解决了正面吊操作的复杂性。针对实际操作过程当中发动机在载荷 过大的情况下会出现熄火现象，创新地提出了通过软件实现发动机极限载荷控 制的策略。 第1 章绪论 第五章：突出正面吊安全性的要求，设计完成报警程序。安全性是正面吊 的第一要务，区分正面吊在不同状态下允许操作动作和禁止操作动作，结合显 示屏完成警告与报警程序的设计。 第六章：总结了集装箱正面吊电控系统设计的优点与不足，针对其不足提 出改进之法，并对展望其发展趋势。 4 第2 章正面吊控制系统总体设计方案 第2 章正面吊控制系统总体设计方案 2 1 正面吊的基本结构 4 5 t 集装箱正面吊由伸缩臂架、集装箱吊具和工程机械底盘三部分组成。 工程机械底盘有发动机、前桥、后桥、车架、车轮、驾驶室、配重、转向系统 和动力换挡变速箱等部件。伸缩臂架有臂架、伸缩油缸、俯仰油缸等部件组成。 集装箱吊具由上架、底架、联接架、伸缩架、侧移油缸、伸缩油缸、防摇油缸、 旋锁油缸、旋转机构等部件组成。4 5 t 集装箱正面吊如图2 1 所示。 图2 14 5 吨集装箱正面吊 2 2 控制系统的硬件构成 由于c a n 通信技术的成熟和可靠，已经被大多数的设备生产公司所接受， 在同类产品中c a n 通信的设备技术成熟、类型多样、通信速度快，给产品升 级更新带来了很大的方便。而且由于c a n 总线的外部接线简单和通信协议标 准统一，所以各个厂家的不同设备都能通过c a n 总线进行通信，这样在选取 器件时不会受到某些厂家的特殊限制。在调研国内外正面吊的控制系统设计方 案基础上，综合考虑满足控制系统设计要求、设计成本、开发周期等因素，我 们选用了如图2 2 所示的正面吊控制系统主要部件。分别有控制器、显示器、 长角传感器、c a n 总线式集成操纵手柄、发动机、变速箱、压力传感器、其他 开关模拟量。其中，控制器与发动机、变速箱通过j 1 9 3 9 协议与c a n 总线相 图2 2 正面吊控制系统组成 g 1 9 控制器 本控制系统中采用的控制器是德国h e s m o r 公司生产的g 1 9 控制器。g 1 9 是c a n 总线产品家族中的一员，是针对行走机械控制设计的控制器，能够适 应行走机械的恶劣的工作环境：例如温度变化范围大、高振动、高冲击、强电 磁干扰等。g 1 9 控制器编程符合i e c 6 1 1 3 1 3 标准，使用通用的c o d e s y s 软件进 行应用程序开发。g 1 9 是一款高端的p l c 控制器，它有高速的处理能力，接口 可以灵活配置，可靠性和防护等级都很高。g 1 9 控制器有两个c a n 端口，都 遵从c a n 2 0 b 协议，任意一个c a n 口都可以配置为c a n o p e n 协议、j 1 9 3 9 协议甚至是用户自定义的协议。 基于c a n 总线的4 5 t 集装箱正面吊电控系统主要采集的信息包括：通过 c a n 总线传输的发动机数据、变速箱数据、显示屏数据、手柄和长角传感器数 据，多种开关量、模拟量。通过控制器控制的部分包括：各种开关量和模拟量 输出。由于整个控制系统对控制器的点数要求很高，普通的控制器可能不满足。 而g 1 9 控制器有5 6 个i o ，3 个电源输出，在保证满足所有的i o 点数基础上还 6 第2 章正面吊控制系统总体设计方案 有一定的预留，方便以后功能的扩展。4 5 t 集装箱正面吊的称重和防倾覆算法 很复杂，对控制器的处理和运算能力提出了很高的要求。g 1 9 采用主从c p u 模 式，其中主c p u 的主频达到4 0 m h z ，有5 1 2 k b y t e sf l a s h 和5 1 2 k b y t e sr a m ， 保证了运算速度和处理能力。特别地，g 1 9 控制器的i 0 口具备过压和输出短 路保护，控制器能适应工程车辆的使用环境，耐高温、冲击，抗振动，使用防 护型连接器，整体防护等级不低于i p 6 7 ，可通过c a n o p e n 端口与p c 连接， 在线上传、下载和修改控制器程序并可以实时修改控制参数。传统的控制器无 法满足高可靠性的同时又拥有如此高的性能，而g 1 9 能i f l a 7 、网4 t - 足这些要求，具有很 高的性价比。这款p l c 控制器的相关技术参数如表2 1 所示。 表2 1g 1 9 型p l c 技术参数 功能说明 工作电压 1 0 v 3 0 v 过压保护范围 3 2 v 5 0 v d c 持续工作电流1 2 5 a 2 4 v 空载电流 8 5 m a 2 4 v 机械尺寸( lxwxhr a m ) 1 5 7 6 x 1 3 4 x 4 7 8 安装 通过2 个安装孔固定( 西6 5 m m ) 连接：i 0 口、c a n 总线、电源供 电 a m p 接插件，3 个2 3 芯接插件，1 个8 芯接插件 重量0 9 2 k g 工作温度 一4 0 + 7 0 存储温度 一4 0 + 8 5 防护等级 i p 6 7 p w m 的输出频率l o h z - - 一3 0 0 0 h z ：p 1 | y m 的占空比o 1 0 0 ；p w m 单个输出电流最大3 a 。 2 0 个p w m d o d i 开关量输出，高端输出，最大电流3 a 开关量输入，高电平有效 p w m 的输出频率1 0 h z , - 一3 0 0 0 h z ；p w m 的占空比o 1 0 0 ；p 删 4 个p w m d o d i c f ( 高端)单个输出电流最大3 a ；开关量输出，高端输出，最大电流3 a ； c f ：高端输出电流检测，范围o 1 1 3 6 a ( a d 分辨率1 0 位) 。 i o 4 个c f ( 电流反馈，低端)o 1 0 2 1 a ( a d 分辨率l o 位) o 5 v 电压输入( a d 分辨率1 0 位) 8 个a i d i 0 - 2 2 7 3 m a 电流输入( a d 分辨率l o 位) 开关量输入，高电平有效 高速脉冲输入i o h z 一- - 4 0 k h z 8 个p i d i 开关量输入，高电平有效 4 个编码器输入接口支持类型：增量编码器与带零相输入型增量编码器 4 个d i开关量输入，高电平有效 4 个d i d o开关量输入，高电平有效：开关量输出，低端输出 7 第2 章正面吊控制系统总体设计方案 续表2 1g 1 9 型p l c 技术参数 功能说明 1 个5 v 5 v 电源输出，最大3 0 0 m a ，电源内阻3 欧 1 个1 2 v1 2 v 电源输出，最大3 0 0 m a ，电源内阻3 欧 1 个2 4 v2 4 v 电源输出，最大3 0 0 m a 2 个c a n 接口，c a n 口过压保护；c a n 2 0 b 。i s o1 1 8 9 8 ： l o k b i t s s - - 1 m b i t s s ( 默认设置2 5 0 k b i t s s ) ；可以任意设置 c a n 接口，波特率，通讯描述 为c a n 0 p e n 协议或者用户自定义协议，用于连接j 1 9 3 9 总线 等。 处理器x c l 6 7 ，x c l 6 4 存储空间 5 1 2 k b y t e sf l a s h 5 1 2 k b y t e sr a m 编程软件 c o d e s y s 2 3 s p n 0 5 7 显示器 显示器是人机界面h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 的核心设备，是4 5 t 集装 箱止血吊电控系统的重要组成部分。在选择显示器构成h m i 时主要考虑了系统 的安全性和可操作性。通过对主频、分辨率、存储空间、显示器尺寸和设计成 本等诸多因素的考虑。本系统选择了派恩公司的s p n 0 5 7 显示器，如图2 3 所 示。 黔：= 棼一0 i ：z ：j 毒尸心? 7 鬟翻 髭? ? 一 ：? ”“”一0j 霹 鏊黝 - - - m - r r n - - - _ 1 6 ：1 1 黝薏 j ：o “，+ + ：。j 7 二) t + 一二0 之i 二o ：i 二”t ? 。i ； j ，g 日日：聊_ 墓黧 308 一f ? 213 0 蓥瓣 ：7自 。7 _ fc m ：p m m ! 。j ：，77 1 ，、。一：1 ：工：在。商- ) ? ：f - ，。 j | ；瓣 _ - - r l 。 ；“ 爨罐 ! ，jl 阱 瀚重墼懑 一 。j 。+ ? “? ： 够“：毋爪i 。 塞：每j ：i j j 。；7j ，。j i 。，二毳 融蠢童。乞j 豪麓逸：二三乏矗羹描 s p n 0 5 7 的额定工作电压是2 4 v d c ( 可供电源范围l0 3 0 v d c ) ，c a n 总线连接，t f t 彩色高清液晶显示屏，屏幕尺寸为5 5 i n c h * 6 5 i n c h ，显示器自 带8 1 0 个操作键，可通过显示器编程端口与p c 连接，可以在线上传、下载 和修改显示器程序及参数。s p n 0 5 7 有2 0 0 m h z 以上的处理速度能够满足4 5 t 集装箱正面吊的参数及数据的实时显示要求。拥有多达1 0 个可编程按钮能很好 的实现各种控制功能要求。通过对其编程可以实现在显示屏上设定修改控制器 第2 章正面吊控制系统总体设计方案 的系统参数，以及在系统开始工作时进行简单的参数标定等功能。较大的存储 空间可以弥补4 5 t 集装箱正面吊的主控制器存储空间不足的缺点，用它来保存 一些4 5 t 集装箱正面吊的工作信息如吊箱量、吊箱时间、故障和系统报警等信 息。它拥有2 个c a n 总线接口，一个r s 2 3 2 4 8 4 4 2 2 串口和一个u s bs l a v e 等 通信接口，丰富的通信接口便于系统集成。s p n 0 5 7 显示屏利用s p n 5 0 0 0 组态 软件进行人机界面应用软件的开发。s p n 5 0 0 0 组态软件有很丰富的图形库和强 大灵活的控件使得开发更为方便快捷。s p n 0 5 7 的基本参数参看表2 2 。 表2 2s p n 一0 5 7 基本参数 型号 s p n 0 5 7 外壳颜色棕色 显示屏 5 7 t f t 分辨率 3 2 0 2 4 0d o t s 亮度 3 5 0c d m 2 色彩2 5 6 色 背光灯 l c c f l c p u2 0 0 m h z - - 一4 0 0 m h zr i s c 存储器8 m bf l a s h ，1 6 m bs d r a m ，2 5 6 k bs r a m 通信端口 2 c a n ，l r s 2 3 2 r s 4 8 5 r $ 4 2 2 ，l u s bs l a v e 按键l o 个可自由编程按键 时钟实时时钟 配方存储器 2 5 6 kw o r d 打印端口 无 一般规格 供电电源 电压：1 0 v 3 2 v d c 。电流：0 5 2 a 2 4 v d c c e 认证 e n 5 0 0 8 l 一1 、e n 6 1 0 0 0 6 2 f c c 兼容性 符合f c cc l a s sa 耐压测试 5 0 0 v a c1 分钟 绝缘电阻超过5 0 m q 5 0 0 v d c 防震测试 i e c6 8 2 6 防护等级 i p 6 5 ( 前面板) 工作环境温度2 0 - - 7 0 工作环境湿度 1 0 9 0 非冷凝 外壳材料铝合金 9 第2 章正面吊控制系统总体设计方案 续表2 2s p n - 0 5 7 基本参数 一般规格 外形尺寸2 0 4 m m 1 5 0 m m 6 4 1 m m 安装开孔尺寸1 8 9 r a m 1 3 5 m m 重量 0 8 5 k g 冷却方式自然风冷 编程软件s p n 5 0 0 0v1 2 o o 长角传感器 长角传感器是测量正面吊的伸缩臂长度和变幅臂起升角度的装置。它分别 由测量长度和角度的传感器组成，用硬件冗余的方式来保证传感器的安全性和 可靠性。额定工作电压2 4 v d c ( 可供电源范围1 0 3 0 v d c ) ，长度测量范围大 于1 6 米、角度测量范围大于6 0 度，c a n 总线式连接。 由于传感器的数据是通过c a n 总线方式进行通信的，能够保证数据的实 时性和精确度，防护等级达到了i p 6 5 。图2 4 所示为控制系统选用的长角传感 器。 图2 4 长角传感器 集成操作手柄 集成操纵手柄基本参数：额定工作电压2 4 v d c ( 可供电源范围1 0 - - - 3 0 v d c ) ，x 、y 二轴模拟量输出，8 个控制键，手柄中间一个手握有效 d e a d m a n 安全键，c a n 总线式连接。图2 5 所示为控制系统所选用的手柄。 1 0 第2 章正面吊控制系统总体设计方案 图2 5 集成操作手柄 手柄上的8 个按钮分别控制吊具的开锁，解锁，吊具伸展，收缩，左侧移， 右侧移，左旋转，右旋转8 个动作。x 、y 轴控制大臂的起升和伸缩运动。 压力传感器 压力传感器是集装箱正面吊控制系统中的一个重要的传感器。行车控制安 全和过载检测，它可以测出集装箱正面吊在实际运行时举升缸受的压力。而该 压力是计算集装箱正面吊中当前重物重量和判断防倾覆条件的重要依据。该传 感器的性能直接影响了控制系统的安全可靠性。在4 5 t 集装箱正面吊中使用的 压力传感器是p a r k e r 公司生产的压力传感器，该压力传感器通常用在行走的大 型机械上，其防护等级为i p 6 7 。它的额定工作电压2 4 v d c ( 可供电源范围1 0 3 0 v d c ) 压力范围0 - - 一3 5 0 b a r ，输出0 5 - 5 5 v d c 。如图2 6 所示为控制系统 选用的压力传感器。 图2 6p a r k e r 压力传感器 发动机 发动机选用的是v o l v o 公司的t a d 9 5 2 v e 型发动机，该发动机的e c u 通过c a n 总线向外发送发动机的转速、力矩、油压、油温、水温等信息，并 第2 章正面吊控制系统总体设计方案 能通过c a n 总线接收外部的控制信息控制发动机的转速、扭矩等变量。 变速箱 变速箱选用的是d a n a 公司的a p c 2 0 0 型变速箱，该变速箱也可以通过 c a n 总线向外发送档位、车速等信息。 以上介绍的是4 5 t 正面吊电气控制系统的核心部件，本文后面章节将结合 具体的设计要求详细介绍各部件的情况。 2 3 控制系统软件设计 2 3 1 软件设计要求 在正面吊能够完成基本动作前提下，为保障其安全性以及方便用户操作， 正面吊的控制系统软件应实现以下功能： 1 ) 液压系统基本动作的操纵控制功能： 如大臂的升降比例阀、伸缩比例阀控制：吊具的开锁、闭锁、左右侧移、 伸展、收缩、顺逆旋转等动作控制；吊具的进油比例阀控制( 每个动作 对应一个比例阀开度值) ；吊具的垂直升降控制功能。 2 ) 根据大臂上的长角传感器及三只压力传感器的检测数据，自动折算显 示出吊重，大臂长度及角度，作业距离、高度等工作参数，并传送给 显示器实时显示。 3 ) 具备载荷限制和安全保护功能( l m i ) ，显示器上自动显示载荷百分比， 使用绿、黄、红分区显示。当负载达到9 0 时，进入黄色警告区并报 警，当负载达到1 0 0 时，进入红色报警区，在继续报警的同时、自 动切断可能造成车辆倾翻的危险操作；如禁止吊具动作、禁止大臂升 降、伸长，此时程序将自动保护、只允许往车辆的安全载荷区域操作， 如大臂缩回。 4 ) 根据正面吊车型( r s h 4 5 2 8 ，4 5 3 2 ，4 5 3 6 ) 提供的三张载荷表，对应编制 出三个载荷限制、指示保护程序( l m i ) ，供选择使用。 5 ) 车辆工作计时功能。 6 ) 吊箱作业量计数功能。 7 ) 大臂达到升降、伸缩油缸极限位置时的防冲击保护功能。 8 ) 车辆各系统维护时间设置和提示功能。 9 ) 大臂长角传感器的标定功能。 1 0 )液压系统故障检测、报警显示和自动保护功能。 1 2 第2 章正面吊控制系统总体设计方案 1 1 ) 过载解除功能： 1 2 ) 解除l m i 、发动机、变速箱、吊具等所有的安全保护限制，临时使 用( 要求保存黑匣子记录) 。 1 3 )旋锁旁路功能： 1 4 ) 吊具的旋锁、着箱传感器，任何一个出现故障或检测出错时，应急 使用( 要求保存黑匣子记录) 。 1 5 ) 吊具安全保护功能 a ) 旋锁位置不正确时，禁止吊具大臂及吊具各项动作。 b ) 吊具左右负载不平衡超过8 0 时，禁止吊具侧移及旋转。 1 6 )吊具状态指示功能。 1 7 )集成操纵手柄的x 、y 轴及操作功能键可以设置和修改。 1 8 ) 发动机状态指示和故障时的保护功能： 1 9 ) 虚拟仪表：指示转速、载荷、水温、油压等信息； 2 0 ) 报警指示灯：提示发动机停机、机油压力低，水温高，油水分离器 沉积等信息； 2 1 )保护功能：出现严重故障时，报警提示。 2 2 ) 发动机防熄火功能： 2 3 ) 发动机在怠速工况、任意载荷下，大臂做起升、伸缩动作，发动机 都不会熄火。 2 4 ) 变速箱状态指示和故障时的保护功能： 2 5 )虚拟仪表和指示t 显示车速，变速箱油温，输入及各输出级的转速 信息和档位信息； 2 6 ) 保护功能：出现严重故障时，报警提示。 2 7 ) 具有行驶限速报警功能： 当负载稳定性超过6 5 或吊具高度超过8 m ，大臂伸长超过4 m 时。 d ) 当使用过载解除和旋锁旁路功能时，自动报警提示。 2 8 )通过显示器控制键操作，可进入控制器端口检测页面，方便设备的 检查和维护。 2 9 )通过显示器控制键操作，可进入故障历史记录区查看( 黑匣子功 能) 。 3 0 ) 显示器主页上还可以显示以下车辆状态信息： 3 1 )燃油油量表，燃油不足报警提示，停车制动指示，制动油压低指示， 液压油温高指示，液压回油堵塞指示，空滤器堵塞指示等。 3 2 )通过控制器外接的设备和传感器输入，实现仪表和报警指示。 第2 章正面吊控制系统总体设计方案 3 3 ) 控制器和显示器均可外接p c 设备，实现在线检测、调试等功能。 3 4 ) 控制器能自动存储一周的工作数据，显示器可外接打印设备，实现 工作数据按照用户要求打印备份。 2 3 2 软件设计构成 硬件是前提，而软件则是控制系统的核心，本文主要研究基于c a n 总线 的4 5 t 集装箱正面吊电控系统软件设计与实现。正面吊控制系统的软件是在前 面介绍的硬件平台上设计实现的，遵循结构化语言的设计方法，将其划分为不 同的功能模块，自上而下的设计方法使得整个程序清晰明了。 整个正面吊控制软件设计类别有： ( 1 ) 控制器的编程。主要是对g 1 9 控制器的编程，是在通用p l c 编程语言 c o d e s y s 集成开发软件上编写的。这是正面吊控制系统运行的核心 程序，它完成了正面吊的各种运动控制要求，并能与显示屏和上 位机进行通信。 ( 2 ) 显示屏的编程。是正面吊正常运行时必不可少的运行程序。它与控制 器进行实时通讯，完成数据的显示、保存、更改等功能，方便驾 驶员控制正面吊。 ( 3 ) 上位机的编程。正面吊正常运行时并不需要这个程序，然而却是正面 吊进行在线调试、参数修改、实时检测及故障诊断的重要部分。 正面吊控制系统软件的组成如图2 7 所示。 矿 。 。上位机程序 i 主控制器程序 - l 显示屏程序 图2 7 正面吊控制系统软件组成 三者互为补充，构成完整的集装箱正面吊电控系统程序。 控制器程序 控制器程序是在集成化p l c 编程语言c o d c s y s 上编写的，我们所用的版本 是c o d e s y sv 2 3 。3 s 公司开发的c o d e s y s 2 3 是一款功能强大的p l c 软件编程 工具，它支持i e c 6 11 3 1 3 标准中提出的六种p l c 编程语言，分别是：i l ( 指令 列表) ，l d ( 梯形图) ，f b d ( 功能块图) ，s f c ( 顺序功能图) ，s t ( 结构化文本) ，c f c ( 连 续功能编程) 。用户可以在同一项目中选择不同的语言编写子程序和功能模块。 在p l c 程序员编写程序时，c o d e s y s 为强大的i e c 语言提供了一个简单的方法， 系统的编程器和调试器的功能是建立在高级编程语言的基础上的，方便易用。 1 4 第2 章正面吊控制系统总体设计方案 s t 语言与b a s i c 语言或c 语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语 句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。控制器的全部程序都采用结 构化文本语言进行编写，s t 程序设计语言是用结构化的描述语句来描述程序的 一种程序设计语言。它是一种类似于高级语言的程序设计语言。在大中型的可 编程序控制器系统中，尤其是大量的数据运算和处理，常采用s t 语言来描述 控制系统中各个变量之间较复杂的控制运算关系，完成所需的功能或操作。 p l c 上的程序是以顺序存储，循环执行方式进行的。p l c 以扫描方式依次 地读入所有输入状态和数据，并将它们存储至i o 映象区中的相应单元内。输 入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输 入状态和数据发生变化，i o 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。 因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才 能保证在任何情况下，该输入均能被读入。在用户程序执行阶段，p l c 总是按 由上至下的顺序依次地扫描用户程序。然后根据逻辑运算结果，刷新系统r a m 存储区中对应位的状态，或者刷新该输出在i o 映象区中对应位的状态，或者 确