液压挖掘机电气与电子控制系统.doc

第十章 挖掘机电气与电子控制系统挖掘机电气与电子控制系统主要实现挖掘机电气系统控制及工作状态监测。二十世纪九十年代前的挖掘机电气系统只起辅助作用,功能简单，主要包括发动机电路,简单仪表电路如水温表、燃油表、机油压力表、液压油温表、工作小时计等及必要的整车电气线路如灯光、嗽叭、刮雨器等，有的机型会配置空调器。但二十世纪九十年代以后，随着挖掘机技术的发展，发动机、液压系统的控制越来越复杂，对电气控制系统的要求也越来越高，挖掘机电气与电子控制系统地位也越来越重要，成为挖掘机重要的组成部分，代表了挖掘机整车技术发展水平及方向。10.1 挖掘机整车电路系统组成与分析图10-1为典型挖掘机整机电气系统原理图。挖掘机电器系统主要由电源电路、发动机电路、数字组合仪表、作业电气控制系统、整车电器附件电路等组成：1 电源电路电源电路由蓄电池1、电源总开关2、发电机4、起动开关5、保险盒7等组成。蓄电池负极搭铁，正极接电源总开关，并通过保险丝接起动开关B端，操作人员将起动开关转至ON位置，起动开关B端与BR端接通，电源总开关线圈通电，开关主触点接通，蓄电池通过开关主触点与保险盒相连，整车电路通电。发动机起动后，发电机开始发电，发电机B端与电源总开关输出端并联，一方面对蓄电池充电，另一方面向整机供电。此时发电机L端电压升高，仪表充电指示灯熄灭。10路保险盒分别向空调、行走电磁阀、先导电磁阀、雨刮器、大灯、工作灯、预热电路等供电。2 发动机电路发动机电路主要由起动、预热、熄火三部分电路组成。 1）起动电路 起动电路由蓄电池1、起动开关5、起动复合继电器6、起动马达3等组成。发动机起动时，点火钥匙插入起动开关，转动钥匙至起动位置START，起动开关B端与C端连通，电路经BC起动复合继电器的常开继电器线圈起动复合继电器的常闭继电器主触点地，常开继电器主触点因线圈通电而吸合，从而起动马达内部继电器线圈通电，起动马达内部继电器主触点B、S接通，电流经蓄电池负极（地）蓄电池正极电源总开关起动马达S起动马达B马达定子线圈蓄电池负极，起动马达转动，发动机被起动。发动机起动后，发电机开始发电，L端电压升高，从而使起动复合继电器常闭继电器线圈通电，其主触点断开，起动复合继电器常开继电器主触点因线圈断电而断开，起动马达断电而停止运转，从而保护了起动马达在发动机起动后被拖动运转而损坏。2） 预热电路冬天起动时，因气温低，发动机起动困难，这时起动前须预热，预热电路由蓄电池1、起动开关5、预热继电器10、预热器11等组成。起动前，起动钥匙转至预热位置HEAT，电流经起动开关B端起动开关R1端预热继电器线圈低，预热继电器主触点吸合，电流经蓄电池负极（地）蓄电池正极电源总开关预热继电器主触点预热器，预热器通电加热对发动机进气管加热，同时，预热信号传送至仪表33，预热指示灯亮，预热约20秒后（不同发动机要求会不同），点火钥匙再转至起动位置START，起动发动机。 这种预热电路简单，但是否需要预热、预热时间均靠操作人员掌握，有些发动机采用带预热控制器的火焰预热器。图102是带预热控制器的火焰预热器原理图。图102 预热控制器外部接线图K1:点火开关ON档 K2:点火开关ST档 P:预热塞 DL:预热指示灯D:供油电磁阀 D+:接发电机D+端 K:预热继电器 Rt温度传感器工作原理如下：在发动机水道安装有负温度系数温度传感器Rt，当环境温度高于0时，开关拧到ON档指示灯亮2S后熄灭，系统不进入预热程序；当环境温度低于0时，把钥匙开关拧到ON档，温度传感器感应的信号传送到电子式火焰预热控制器, 电路进人工作状态, 预热指示灯点亮, 电子式火焰顶热控制器内的电磁式继电器K触点闭合, 开始向预热塞P供电，指示灯亮28S后熄灭，此时把钥匙开关拧到START档，发动机在启动马达拖动下运转，电磁阀D自动打开油路，向处于炽热的火焰预热塞供油，在进气管内喷射火焰，辅助柴油发动机在短时间内启动，当完成规定的工作程序后，控制盒自动切断电源，停止工作。如果在30秒内不起动发动机, 火焰预热装置电路停止工作。发动机运转舌, 交流发电机端子D的电压很快上升到28V, 电子式火焰预热控制器接收到该信号后,自动切断燃油电磁阀的供电。3） 熄火电路目前发动机已普遍采用熄火电磁阀熄火电路，电路由起动开关5，熄火继电器8，熄火电磁阀9组成。当起动开关置于ON档时，电流经起动开关BAcc熄火电磁阀保持线圈地，熄火电磁阀保持线圈通电，但线圈吸力不够，熄火电磁阀不能吸合，保持熄火位置，当起动开关置于起动档START时，电流经起动开关BC熄火继电器线圈地，熄火继电器主触点接通，从而熄火电磁阀吸合线圈通电，电磁阀吸合，脱离熄火状态，使发动机能起动工作，起动完成后，起动开关回至档，熄火电磁阀吸合线圈断电，但保持线圈继续有电，使熄火电磁阀保持吸合状态，发动机能正常工作，发动机要熄火时，起动开关置于0档，起动开关Acc端断电，使熄火电磁阀保持线圈断电，熄火电磁阀脱离吸合状态，发动机熄火。3 数字组合仪表 图103为典型的组合仪表图。图102图103 仪表组合仪表主要由以下部分组成： 指示仪表：指针式燃油表、指针式水温表； 汉字点阵液晶屏：显示液压油温、发动机转速、工作小时计、其它客户定制内容；液晶屏还用于整机工作状态监控，整机工作正常时，显示“工作正常”，当整机工作出现故障时，显示故障内容，如“机油压力低”。 报警指示灯：报警内容可根据客户要求定制，通常包括充电指示、预热指示、发动机过热报警、机油压力过低报警、液压油温过高报警、空滤堵塞报警、液压油滤堵塞报警等；当报警信号出现时，指示灯点亮或闪烁，液晶屏显示相应故障内容，必要时，蜂鸣器同时发出报警声，从而实现三级报警提示； 行走速度选择按钮：用于选择高速或低速行走； 切换键：当液晶屏上转速显示区若还要显示电压（或其它客户要求参数），通过切换键进行显示切换以显示；消音键：出现故障报警时，操作人员已知道出现故障并准备排除时，可按该键消除报警声，以避免长时间报警，造成不愉快感觉。但操作人员应及时排除故障，或请服务人员维修，如不排除故障，仅仅按消音键消音，下次开机，会继续报警； 传感器：为提供仪表显示和报警的相关测量与控制信号。包括水温传感器、液压油温度传感器、燃油传感器、转速传感器、机油压力报警开关、空滤报警开关等。4作业电气控制系统 不同挖掘机要求不同，图101中，作业电气包括行走速度控制电路，先导操纵控制电路。 行走速度控制电路由高低速选择开关28、行走速度继电器26、行走电磁阀25组成，高低速选择开关不按下时，挖掘机行走速度为低速，按下高低速选择开关，行走速度继电器动作，行走电磁阀动作，使行走变量液压马达斜盘角度改变，马达排量减小，从而转速提高，行走速度切换为高速。松开高低速选择开关，行走电磁阀断电，行走马达转速回到低速状态，行走速度降低。 先导操纵控制电路是为了保障安全而设置，由先导开关27、先导继电器24、先导电磁阀23组成，挖掘机座椅左侧操纵箱上安装有安全锁定杆，如图104所示，安全锁定杆控制先导开关的通断，当操作员坐上座椅，操作准备工作做好后，将安全锁定杆置于解除锁定位置，先导开关接通，先导电磁阀通电，先导油路才能正常供油，从而正常操作挖掘机；当操作员要离开图104 安全锁定杆锁定位置解除锁定位置座椅下车，安全锁定杆挡住了其下车，他必须先将安全锁定杆抬起，置于锁定位置才能下车，从而切断了先导开关，先导电磁阀断电，先导油路供油中断，下车后再操纵挖掘机手柄，挖掘机不能动作，从而强制保证了挖掘机在操作员不在时不会被误动作而造成危险。目前，有些挖掘机设计时，甚至要求在安全锁定杆处于锁定位置时，才能起动发动机，进一步提高了安全性。 除了行走速度控制电路，先导操纵控制电路外，现代挖掘机还带有瞬时增力控制电路，动臂优先控制电路，回转优先控制电路等，大多通过电液阀控制，原理类似。5整车电气附件 整车电气附件包括空调、车灯、雨刮器、喷水器、喇叭、音响等。1）空调1. 压缩机 2. 冷凝器 3. 低压开关 4. 储液干燥灌5. 高压阀 6. 蒸发器 7. 热控开关 8. 膨胀阀 图105 空调系统组成 图105为空调系统图。主要包括压缩机、冷凝器、蒸发器、储液灌、膨胀阀、管路附件等组成。压缩机通过带电磁离合器的皮带轮与发动机相连，利用发动机动力工作，冷凝器通常同液压油冷却器一起安装在发动机水箱后面，利用发动机风扇散热，蒸发器安装在司机室内，进行热交换，达到制冷目的，储液罐用于制冷剂的储藏、干燥、过滤。2） 车灯 挖掘机上的灯具主要有前大灯，动臂灯，司机室内照明灯。对轮胎式挖掘机还有转向指示灯、制动指示灯、示宽灯等。车灯控制电路简单，主要通过司机室内仪表台灯光开关控制，通常不需要另外增加继电器。3）雨刮器、喷水器 雨刮器用于雨天司机室前窗玻璃刮雨用，通过司机室内仪表台雨刮器开关控制，喷水器用于向司机室前窗玻璃喷水，配合雨刮器对前窗玻璃除尘、清洗，通过司机室内仪表台喷水按钮控制。4） 喇叭 电喇叭用于操作员工作时向外面发出警示用，如开始挖掘时，按喇叭警示挖掘机周围的人离开机器附近危险区域。通过喇叭按钮控制，喇叭按钮通常安装在先导手柄上，由于先导手柄上按钮触点能通过的电流较小，必须加装喇叭继电器，先导手柄按钮仅控制喇叭继电器线圈的通断电以控制喇叭的开关。5） 音响 挖掘机音响原来多配置磁带收放机，但故障率高，目前多配置数字收音机，高档的可带MP3播放器。由于挖掘机工作环境差，机器工作时振动大，通常不配CD音响。10.2 现代挖掘机电子控制系统二十世纪九十年代以后，一方面，随着现代挖掘机对节能、环保及操作人性化的要求，对挖掘机电气控制系统提出越来越高的要求；另一方面，电液比例控制技术、微电子技术、计算机技术、通讯技术的发展，为挖掘机电气系统的发展提供了强大的技术支撑。从而，推动了挖掘机电气控制系统的飞跃发展，挖掘机电气控制系统已成为机、电、液、信一体化的集成控制系统，大大提高了挖掘机的智能化控制水平及整机性能。现代挖掘机机、电、液、信一体化控制技术的发展主要体现在以下方面：1 电子监控及故障诊断系统，实现了挖掘机工作状态的智能监控及故障诊断；2 发动机的电子控制系统，通过专用控制器MC（Main controller）实现发动机电子油门控制，发动机、液压泵功率匹配及功率模式控制，工作模式控制，自动怠速控制等，大大推动了现代挖掘机的节能控制技术。另外，对于发动机本身，采用高压共轨燃油喷射系统的电喷发动机已是大势所趋，电喷发动机的燃油喷射等是通过发动机专用控制模块ECM（Engine control module）实现的,并通过CAN总线与整机实现通讯与控制；3 远程智能控制与通讯技术，集成GPS技术，GSM/CDMA技术，INTERNET技术，实现挖掘机的远程通讯、监测、监控；4 CAN总线技术，通过CAN总线技术，实现电子监控系统，发动机电子控制系统，远程智能控制与通讯系统的智能互联，大大增强了整机电子控制系统的集成控制水平。 106为日立ZX-3挖掘机电子控制系统总体组成。106 日立ZX-3挖掘机电子控制系统组成日立ZX-3挖掘机电子控制系统由电子监控器、以主控制器（MC）为核心的发动机电子控制系统、以高压共轨控制器（ECM）为核心的电喷控制系统、以信息控制器（ICF）为核心的通讯控制系统构成，各系统通过CAN总线实现系统互联，1021 电子监控及故障诊断系统挖掘机的电子监控及故障诊断，就是利用传感或测量技术对挖掘机的工作参数进行检测，再通过控制器对检测结果进行相应的比较分析，以监测挖掘机的作业工况和运行状态，以便及早发现及排除故障，降低其维修成本，还可以改善机器的作业条件， 提高作业效率。10211 电子监控系统的发展挖掘机电子监控系统的发展经历了三个阶段，在上世纪9O年代以前，挖掘机基本上没有电子监控系统，挖掘机发生故障时，挖掘机厂商派出专业的维修人员现场检查维修，90年代以后， 微电子等先进技术在工程机械的应用推动了挖掘机状态监测与故障诊断技术的发展，从而产生了挖掘机的电子监控系统。电子监控系统以微处理器为核心，通过各种传感器来采集挖掘机的状态信号，然后通过诊断软件来进行信号处理和状态识别，在显示面板上输出其诊断结果。如果挖掘机的某些工作参数超出限定值，就会发出声、光报警， 甚至还能将挖掘机运行状态资料储存起来，由技术维修人员通过人机对话调出查阅，作出诊断决策。从实现形式来看，这种监测系统又可分为两种，第一种方式是采用独立的便携式诊断工具，如日立的掌上电脑Palm诊断系统，名为“Dr.ZX”，不作为挖掘机基本配置，只供维护、维修技术人员使用。机器通过接口连接Dr.ZX时，维护、维修技术人员可检测机器运行参数是否正常，可查询故障码，再根据故障码排除故障，可下载机器数据至Palm诊断系统，带回公司分析，还可设置机器有关技术参数，如发动机转速及泵的流量等，从而使机器适应不同的工况。但由于操作人员不能自己作出判断，仍需要维护人员到场，维护及时性仍难保证。第二种方式是随机安装的电子监控系统。该电子监控系统安装在挖掘机上，自动完成挖掘机运行状态数据的采集、分析和故障诊断，并通过彩色液晶显示器向驾驶员显示挖掘机的机油压力、液压油温、冷却液温度等多项工作参数，以及发出声、光报警提示故障，该系统还可以存储故障的历史数据， 对司机的不合理操作给予提示等，目前这种电子监控系统越来越普及。挖掘机电子监控系统下一步的发展方向将是具有较高人工智能的挖掘机专家诊断系统的开发研究，这种系统结合了专家的诊断思路和宝贵经验，使得监控与诊断功能变得更为强大， 同时还可以通过人机对话的方式， 由系统根据人工输入的原始数据来进行分析判断，作出故障决策， 指导驾驶员采取相应的措施进行机器的日常维护。10212 挖掘机电子监测系统组成和功能现代挖掘机电子监控系统一般由信号输入部分（模拟信号、开关信号）、信号处理部分、控制器、监控器及控制执行机构组成。如图107所示：信号处理电路模拟量开关量数字信号微处理器监视器控制驱动图107 电子监控系统组成现代挖掘机电子监控系统应具备以下功能：1实时显示机器运行状态功能包括发动机工作状态指示，如发动机燃油油位、发动机冷却液温度、工作小时计等的状态参数显示及故障报警及提示信息，如发动机过热信息、发动机机油压力油压过低、液压油温过热信息，发动机充电、预热信息，整机维护时间提示等；工作状态指示，如功率模式状态，工作模式状态；其它信息显示，如时钟等。2故障监控与诊断功能监控器（机器带专用控制器时，与控制器共同完成）通过各类传感器实时监测整机工作状态，监测参数通过监控器按键及液晶屏菜单提示进行查询，机器出现故障时，可对故障进行诊断并记录、存储故障信息，以协助维护人员通过储存的故障记录进行故障分析与排除。3. 设置与调整功能 监控器部分显示内容如语言、时钟及故障报警点参数等对不同的客户及机器都需进行不同定制或调整，监控器应具有这些设置与调整功能。4. 通讯功能 GPS在现代挖掘机应用越来越普遍，监控器（或专用控制器）应能与GPS模块之间进行通讯，将挖掘机工作状态信息、故障诊断信息、维护保养信息等传送至GPS，并通过GPS系统传送至远程运营管理中心，并用于主机厂、代理商、售后服务人员等对机器的监控与管理。5具有良好的人机界面、易于操作、高性价比 监控系统作为操作和控制的重要部件，其在司机室内的安装与布置要合理，以方便操作人员操作、观察；显示部分应具有友好的用户界面，易于操作人员学习、使用。以下以日立ZX系列挖掘机电子监控器为例，对电子监控系统主要功能进行简单介绍，详细功能可参阅日立相关技术手册。图108为日立ZX系列挖掘机电子监控器面板布置图。日立ZX监控器主要功能包括以下几部分：1. 机器运行状态指示1）仪表l 冷却液温度表l 小时表l 燃油表、燃油消耗表l 时钟2）工作模式显示l 挖掘模式l 附件模式破碎锤、粉碎器、液压剪、振动锤、其它。3）指示与报警信息显示l 自动怠速指示l 预热指示l 充电指示l 燃油传感器故障显示当燃油传感器发生故障或传感器和监控器之间的线束断路时，在燃油表上会显示故障信息。如图109所示。l 冷却液温度传感器故障显示当冷却液温度传感器发生故障或传感器和监控器之间的线束短路时，在冷却液温度表上会显示故障信息。如图109所示。 图109 燃油、冷却液温度报警指示l 其它报警及报警信息指示当监控器接收到来自各控制器的报警信号时，报警标记会出现在屏幕的下方，按压相应的按钮可以显示具体的报警信息。如图1010，左图当冷却液过热时，过热指示灯亮，按下下方对应按键，显示右侧报警信息。冷却液过热图1010过热报警信息指示l 监控功能除通过上述仪表及指示灯指示机器工作状态外，控制系统还能对整机多项工作及状态参数进行监测，并通过监控器菜单操作在彩色液晶屏上进行显示，监控项目多达几十项。图1011显示部分监控参数。1011 监控参数显示2. 设定功能 1）机器保养设定显示屏显示保养项目时间的小时表读数及到下一次保养时所剩的小时数。由于保养项目在列表中显示，从列表中选择一项，即显示该项目保养设定及保养情况。如图1012所示。 1012 保养时间设置保养项目包括：发动机机油、机油滤清器、液压油、液压油先导滤清器、液压油全流滤清器、行走装置机油、回转装置机油、回转支承润滑脂、空气滤清器滤芯、发动机/空调V 型皮带、燃油滤清器、空调滤清器等。各保养项目及保养时间可以重新设定。对到时间未保养项目，开机时，系统会提示。2） 语言设定根据机器工作地点语言环境，从预设语言中选择屏幕上使用的语言。如1013所示。1013语言设置3）时间设定 对仪表显示的日期及时钟显示时间进行设定及校准。 3. 故障诊断图1014 a中，选择故障诊断项，显示b图故障显示屏，选择一项故障点，出现图c故障代码屏。根据故障代码可查故障排除手册即可查出相应故障原因。一共可显示20 个故障代码。但是，一个屏幕只能显示10 个故障代码。如果屏幕已显示了10 个故障代码，按下键1 可查看下一页的其它故障代码。要回到上一页时，按下键2。a b c 图1014 故障诊断日立ZX挖掘机，除了利用电子监控器进行故障诊断外，还配备Dr. ZX 用于包括 MC（主控制器）、ECM（发动机控制器）、ICF（通讯控制器） 和监测器在内的电气系统的故障诊断。Dr. ZX主要用于专业维修人员对电子控制器系统进行系统、综合的故障诊断。Dr. ZX故障诊断流程如图1015所示。详细诊断过程可参阅相关技术手册。 图1015 日立Dr. ZX诊断流程 1022 发动机电子控制系统 由于液压挖掘机一般采用柴油机驱动，工作时间长，作业负荷重，消耗大量燃料，排放大量废气。据统计，发动机输出功率只有20%左右变为挖掘机的有效功。除有效功之外约40%损失于液压元件，约20损失于车体和作业装置的运动，约20%损失于节流调速控制。为了降低挖掘机的功率损失，国外从上世纪70年代中期就开始将机电一体化技术应用于挖掘机上。进入80年代后，美、日、德等国在液压系统节能的基础上，纷纷研制电子节能的液压挖掘机，如小松的OLLS及CLSS系统，德国力士乐的BODAS系统，美国卡特皮勒的AEC系统,神钢的ITCS系统，韩国大宇的EPOS系统等。发动机电子控制技术的主要目标就是系统节能，节能控制系统的应用可以达到节能20以上。发动机电子控制技术主要包括电子油门控制，发动机与液压泵功率匹配及功率模式的控制，自动怠速等。另外，随着非公路车辆废弃排放标准的不断提高，采用采用高压共轨技术的电喷发动机越来越普遍，电喷发动机的控制系统通过专门的发动机控制器ECM实施控制，再通过总线与外部进行通讯与控制。图1016为日立ZX-3挖掘机发动机电子控制系统组成图。ZX3 发动机电子控制系统可以实现电子油门控制、发动机功率模式控制、工作模式控制、行走高低速控制、自动怠速控制，并实现电喷发动机的各项控制功能。主要组成部分包括：1. 控制器包括主控制器MC，电喷发动机高压共轨控制器ECM。主控制器，实现电子油门、发动机功率模式（HP模式，E模式，P模式）、工作模式（挖掘模式，附件模式，起重模式），自动怠速的控制。ECM控制器实现燃油喷射控制，发动机起动控制，EGR（废气再循环）控制，燃油喷射量修正及发动机的停机控制；2. 传感器包括主泵输出压力传感器、控制压力传感器，作业装置压力传感器，温度传感器等3. 控制开关及按钮包括点火开关、油门旋钮、自动怠速开关(A/I)、功率模式按钮（HP模式，E模式，P模式）、工作模式按钮（Dig.，Att.，ML.），行走高低速按钮（Hi，Lo）。图1016发动机电子控制系统组成10221电子油门控制系统 油门控制电子化是发动机电子控制系统的基础，只有实现了电子油门控制，下面介绍的功率模式控制、自动怠速控制才能实现。图1017为电子油门控制系统原理。图1017电子油门控制系统原理系统是由油门控制器、油门电机、油门位置反馈传感器、油门刻度盘（模式控制盘）等组成。发动机的转速通过油门刻度盘来设定，油门刻度盘与电位器相连，将油门刻度盘旋至不同的位置，电位器便输出不同的电压，油门控制器根据此电压可计算出所选定的发动机转速大小及油门拉杆设定位置，同时油门电机又通过齿轮传动带动另一电位器， 油门控制器通过测量电位器的输出电压，获得油门电机轴的转角即油门拉杆的实际位置反馈信号，油门控制器比较油门设定位置与实际位置，驱动油门电机正传或反转，通过油门拉杆，调节油门至设定位置，使发动机达到设定转速。整个控制过程是一个闭环控制系统，保证了油门控制的准确性。 上述讨论是针对非电喷发动机的，对于电喷发动机，油门控制是通过ECM进行的，主控制器（MC）根据接收的传感器信号、操作人员操作控制（油门旋钮、自动怠速开关、功率模式按钮、工作模式按钮，行走高低速按钮的操作）信号，进行处理，确定合适的油门位置（发动机转速）通过CAN总线与ECM进行通讯，ECM实现油门的自动控制，因而省去了上述复杂的电子油门控制系统，如油门控制器，油门电机等，系统得到简化，性能得以提高。10222 发动机与液压泵功率匹配及功率模式的控制挖掘机工作过程中，发动机与液压泵一般通过弹性联轴器连接，理论上，不考虑联接时的功率损失，泵的输入功率应始终等于发动机的输出功率，我们说这时，发动机与泵的功率是匹配的。但实际上，泵与发动机很难实现始终匹配，首先，由于气压、环境温度、柴油质量等不同，通常情况下，发动机实际输出功率都会有所变化，即同样的油门，发动机输出功率是变化的。其次，在挖掘机实际工作中，发动机调速手柄位置是驾驶员根据经验和作业任务的轻重来设定的。调速手柄位置一旦设定，在一定作业范围和时间内，驾驶员一般不去改变其大小。然而，在挖掘机的一个作业循环内需克服的负载是不一样的，即使只在挖掘过程中，土壤的切削阻力也会发生急剧的变化，因而对泵输出功率的需求也不一样。如果泵处于轻载状态，则不能完全吸收发动机的功率，势必造成能量的浪费；如果泵处于超载状态，将会引起发动机转速急剧下降，造成发动机工作不稳定和过热。虽然恒功率变量泵的流量能随负载的变化而变化，这是在发动机发出的功率与泵吸收的功率相平衡（恒功率）的前提下的调节。可见，实际操作时，发动机和泵的功率无法实现完全始终匹配，造成上述问题的原因是发动机输出功率和液压泵的消耗功率都无法随着工况的变化实时作出调整。尤其在额定功率点附近，有时因发动机特性的变化而超载，造成转速急剧下降直至熄火。因此，对于传统的变量泵系统，在挖掘机的功率匹配设计时，泵的功率曲线在任何负载情况下都必须低于发动机的功率曲线，一般为发动机的85%左右，以防发动机超载失速及过热而影响机器工作。即使这样，由于挖掘机在实际使用过程中受不确定性因素影响太多，经常存在着超载失速和过热等故障现象，影响了整机的性能。 为了解决发动机和液压泵实时功率匹配问题，现代挖掘机采用了功率模式控制系统实现发动机功率与液压泵功率的实时匹配。图10-18为功率模式控制系统的原理图。图1018 发动机功率模式控制系统系统包括电比例调节液压泵， 控制器，电子油门系统等部分组成。电比例液压泵实际上就是在恒功率变量泵上加装一个电液比例减压阀，电液比例减压阀的输入油压来自先导油路，电液比例减压阀输出的二次压力加至排量调节油缸一端。从而通过调节比例阀的电流大小，进而调节电液比例减压阀的二次压力，实现了对液压泵功率的调节，形成不同的泵功率特性曲线，如图1019所示，可见，液压泵与发动机共同工作的工作点不再单一地沿某条特性曲线变化，而是扩展为面工况，泵的实际功率调节曲线是根据发动力功率模式设定由控制器进行实时调节的，以保证泵的液压功率与发动机功率的实时匹配。图1019 电比例泵调节特性曲线在图1018功率模式控制系统中，泵控制器接受操作人员的模式设定信号，同时检测发动机转速信号，反映油门实际位置的油门位置信号，根据控制要求、控制算法，输出控制信号，通过油门控制器控制油门，调节发动机转速；通过电比例阀调节液压泵输出功率，使发动机输出转速及泵输出功率符合操作人员设定要求，实现发动机与液压泵的功率匹配。在工作过程中，泵控制器始终监测反映发动机负载变化的转速信号，并根据变化情况控制电子油门及电比例阀，使发动机的功率和液压泵功率实现动态匹配，并符合操作人员设定要求。目前，实际的功率模式控制系统，一般根据作业工况情况，将发动机功率控制设置为四种功率模式，即：全功率模式(Power Mode，简称 P模式)：重视挖掘机的生产效率，即发动机在全功率工况下工作， 对应发动机额定转速 ，发动机输出100功率；经济模式(Economy Mode，简称 E模式)：重视节约燃油，对应全功率时转速的 85。 轻载模 式(Light Mode，简称 L模式)：进行精细作业 ，对应全功率时转 速的 70。 怠速模 式(Idle Mode，简称 I模 式)：挖掘机不工作 ，对应 怠速工况 。图1020为发动机不同功率模式下工作的发动机、液压泵功率设置情况。图1020 发动机功率模式设置在P模式下，将液压泵的最大功率曲线设定在发动机的功率曲线之上。表面上看起来，液压泵的功率曲线在发动机之上，液压泵的功率大于发动机的功率，发动机处于超载运行。实际上通过控制器调节，可以使泵功率输出跟踪发动机功率输出，可以避免发动机超载，并充分利用发动机输出。控制过程为：驾驶员通过控制面板上设定功率模式，从而设定了目标转速和发动机功率曲线，并输入控制器，安装于飞轮壳上的转速传感器始终检测发动机的实际转速，并与目标转速相比较。如果实际转速低于目标转速，说明发动机的负载功率大，这时控制器发出控制的电流改变电液比例减压阀输出的二次压力，将液压泵的排量变小，使泵的输出功率降低；如果实际转速高于目标转速，说明发动机的负载功率小，控制器发出的控制电流改变电液比例减压阀输出的二次压力，将液压泵的排量变大，使泵的输出功率提高。通过控制器的调节作用，使液压泵的功率曲线总是从折线段拉向恒功率曲线段（发动机的功率曲线），这样可使液压泵输出功率始终跟踪发动机功率输入，这种控制称为极限功率调节控制。10223 自动怠速控制 自动怠速控制主要作用是使挖掘机作业过程中短暂停止作业时，使发动机处于怠速状态，以降低油耗。自动怠速控制是和电子油门控制系统结合在一起的。在图1021中，油压开关检测操纵先导油压信号，当所有先导阀均处于中位，即没有操作时，油压开关输出一信号至泵控制器，控制器检测到信号后，延时约5秒（可调整），控制电子油门系统使发动机处于怠速状态，直至某一动作恢复作业，控制器检测到压力信号发生改变后，立即又控制电子油门机构，恢复到怠速前位置。自动怠速系统的使用，可降低油耗约6。图1021自动怠速系统1023工程机械远程监控系统10231 概述工程机械远程监控系统是利用计算机技术、无线通讯技术和卫星定位技术，对正在工地上施工的工程机械的运行状态、位置及施工进度进行监测，对驾驶员进行远程指导，从而提高工程机械的管理水平、优化机械化施工组织。工程机械远程监控系统主要功能是：1 提高销售企业的售后服务水平2 加强对租赁或分期付款机械的管理和控制3建立机械动态档案，科学管理机械4 优化施工组织.提高机械使用效率10232 工程机械远程监控系统组成和功能 图1022为远程监控系统总体构成。图1022 远程监控系统组成远程监控系统系统由机载GPS终端、GPS全球定位系统、移动通讯系统、运营管理中心、互联网系统四部分组成。1机载GPS终端机载GPS终端一方面接收GPS卫星信号，计算出自己的定位数据，另一方面通过数据接口接收挖掘机电子监控系统的机器工作状态信息。然后将定位信息和机器工作状态信息通过移动通讯系统传送至运营管理中心，通过运营管理中心对机器信息进行发布与管理。同时，接受并执行运营管理中心的命令，对挖掘机进行信息查询与控制。2. GPS全球定位系统GPS卫星定位系统是由美国实施和管理的全球卫星定位系统，该系统由围绕地球运转的24颗卫星组成，这24颗卫星分别在6个轨道上运行，它们在不停地向地球发射定位信号，机载GPS终端收到卫星信号后，自动计算出机器所在处的经纬度数据，并传送给运营管理中心。3. 移动通讯GSM/GPRS系统 由于监控对象在不停地移动中，机载GPS终端只能通过移动通讯系统，才能把检测数据和位置信息传输到运营管理中心。移动.通讯系统有三种方式：.卫星移动通讯模式：卫星通讯系统的特点是覆盖范围广，可实现全球或某区域的整体覆盖，很适合于工程机械野外施工的特点，但通讯设备和通讯费用相对较贵；GSM/GPRS移动通讯模式：采用GSM短消息方式传送数据，其特点是:通讯费用比“卫星”方式低，但是该通讯系统为点覆盖，在移动基站未覆盖的区域，就无法通讯；卫星 + GSM/GPRS：取前两者优点，在监控系统设计时，车载终端首先使用GSM/GPRS方式通讯，如果不成功则自动改用卫星方式通讯；4. 运营管理中心与互联网系统运营管理中心与互联网系统提供整个远程监控系统的基于WEB的管理和运营平台，无论是主机 厂、代理商向工地机器发布的锁车/解车或其他指令，还是接收、分析机器传送回来的定位或机器运行数据，都需要通过这个平台进行。通过这个平台，制造商、代理商、机主、操作员构成一网络群体，实现了销售、服务、维护工作的顺利、高效实施。远程监控系统的运营平台是通过运营管理中心服务器、互连网络终端及软件平台实现的，运营方式跟制造商规模、销售量、营销模式、运营软件平台有着极大关系。规模大的主机制造商都建立了独立的运营系统，其规模、组织不同，尤其是软件提供的增值服务功能更是各有特色。如小松的“康查士”(KOMTRA)，日立的“Global E-Service”系统，神钢的“瞭望”系统，各具特色的远程网络服务系统已成为各大厂商宣传亮点，既促进了销售，也实实在在提高了服务水平。10233 工程机械远程监控系统实例下面以小松康查士GPS管理系统为例说明。1. 康查士管理系统组成图1023 小松康查士GPS系统组成如图1023所示。2. 康查士管理系统功能1） 信息查询（1） 使用手机短信查询通过手机短信方式查询机器信息方法如下：手机编辑查询请求代码发送：移动用户发送到 10657109010012000联通用户发送到 1065502180003代码表查询内容：（部分常用代码）H：提供手机短信使用帮助L：查询您所拥有车辆的机号机号：查询改车辆的基本信息机号P：查询该车辆的所在位置机号W：查询该车辆的最新工作情况机号M：查询该车辆的最新保养信息机号T：查询该车辆的小时表数机号A：查询车辆的完整资料系统将回复你的机器的工作时间，位置，水温，耗油量等信息。系统还能提供日报、月报、报警、保养、移动提醒等功能，只要在移动开通，系统会自动发送信息至用户的手机上，大大方便了用户对车辆的管理和监控。（2）使用互联网查询 用户购买小松挖掘机，如果配备GPS，他将获得相应用户代码（ID）及登录密码，用用户代码及登录密码登录互联网，如图1024所示，即可查询机器信息。图1024 小松康查士系统登陆2）机群管理对于拥有多台机器的用户，康查士管理系统提供机群管理功能。用户建立了自己的机群管理系统后，不必多次浏览，即可在同一电脑界面了解多台机器使用情况，并可对多台机器数据进行分析、对比，从而对多台机器进行系统化管理。图1025为机群的定期保养及报警信息查询情况。图1025 机群定期保养及报警信息查询3） 机器作业状况管理机器作业状况管理可以掌握远程机器的位置、作业状况信息。包括机器作业历史记录、机器位置信息、月度实际工作记录、月度油耗记录等。图1026 a, b, c, d分别说明了机器的作业历史记录、作业位置、月度实际工作记录、月度油耗记录情况。图1026 a 机器作业历史记录图1026 b 机器作业位置记录图1026 c 机器作业时间记录图1026 d 机器月度油耗记录 4）机器安全管理 通过康查士管理系统可以详细了解机器移动时间、移动轨迹，并能进行远程锁车控制，从而有效防止机器被盗及使用者恶意破坏行为。图1027为GPS提供的机器移动轨迹地图。图1027 机器移动轨迹指示5） 机器的健康及维护保养康查士管理系统的机器健康及维护保养功能可以使用户远程了解机器的健康状况，车辆的各种运行参数，如发动机、液压系统参数，机器异常报警记录，机器的负荷强度比例，维护保养的时间等。图1028为机器的保养记录表。图1029为机器的故障记录表。通过远程健康、保养管理实现了对机器工作状态是否正常的准确判断及维护保养的有效计划与实施。图1028 机器保养记录表图1029 机器故障记录表10.2.4 工程机械专用控制器 在10.2.2节介绍的发动机电子控制系统三个方面技术的实现都需要通过控制器实现，目前国外著名品牌挖掘机均采用了以控制器为核心的电子控制系统，以实现电子油门、发动机的模式控制、电子监控及故障诊断、远程通讯与控制等功能。但工程机械由于作业环境恶劣，对控制器（ECU）有特殊的要求，逐步发展成为专用工程机械专用控制器。工程机械专用控制器需要满足下列要求：1）适应恶劣作业环境的能力 工程机械在户外施工。风吹、雨淋、日晒、振动大，环境恶劣。需要控制器及其IO单元具有很好的防护能力，达到IP67的防护等级，可防水、抗振、防尘。同时。要求具备良好的电磁兼容能力(EMC)，能够承受大电流和高电压的冲击，且工作温度范围宽(一40 85。C)，满足车载环境的需要。2) 提供工程机械控制所需的各类数据采集端口、通讯接口及输出驱动接口各类采集端口需采集的信号量包括转速(高速脉冲输入)、行程位置、温度、压力、各种开关量状态等，另外工程机械的驱动执行机构包括液压比例阀、步进电机、电磁阀等，因此要求控制器提供多路大电流PWM 输出和开关量输出。普通PLC难以满足这一要求，只能通过外加驱动电路进行解决。3）可以提供针对工程机械控制的各种高级应用软件算法模块 基本算法包括PID、滤波、信号变换等，高级算法包括针对各种不同主机要求的算法，控制策略等。4）软件调试与故障诊断 控制器应能提供软件调试与故障诊断工具，以帮助客户进行软件调试与故障诊断。目前工程机械专用控制器的研发有两种方式，一种方式是一些国际工程机械的旗舰企业如CAT、小松、VOLVO、利勃海尔等，这些企业集团一般都设立专业的电气控制系统研发部门，专门进行控制产品和控制技术的研发，为本公司各类工程机械产品提供专用的控制器和控制技术，其软硬件技术与本公司工程机械产品设备紧密结合，尤其是其核心控制算法，体现了其整车产品的核心技术，属于技术机密，其它企业无法获得。另一种方式是一些长期为工程机械厂商提供配套控制产品的公司采用开放模式进行工程机械专用运动控制器的研发与开发，推出一系列通用型工程机械专用控制器。如EPEC、Intercontrol、力士乐等。一些小型或专业的工程机械厂商以及国内的大部分工程机械厂商由于没有能力自主研发控制器产品，主要依赖上述厂商提供配套控制产品。这类控制器的通用性和开发性体现在以下方面：1） 从规模上，针对控制复杂程度，这些厂商能提供小型、中型、大型控制器，以满足配套不同企业根据其产品复杂程度、控制要求、控制参数的多少与种类进行灵活选择与配置，既满足了控制性能要求，又能以合理的成本实现；2） 从控制器的硬件接口上，这些厂商的控制器，都能根据工程机械常用的控制要求，提供一组通用的模拟量输入、输出，开关量输入、输出，数字信号输入、输出，继电器驱动，电机、电磁阀（PWM）驱动等，并且有些接口还能通过软件配置为不同的接口，基本上满足了工程机械各种信号输入、输出及驱动控制要求，在选择时，不一定刚好满足要求，一般保留一定的输入、输出口的富余，以满足系统定制及扩展要求；3） 从控制器的软件接口上，这些厂商的控制器，很多采用了德国3S Software公司的CodeSys编程环境，CodeSys 符合IEC6l1313标准规范，可提供梯形图、顺控图、功能方块图、结构化文本、指令表5种编程语言，方便高效地编写控制策略并进行在线下载、调试和运行，而不需要了解具体硬件系统的体系结构、存储空问地址分配等技术细节，大大方便了配套企业的软件编程与调试；4） 这些厂商的控制器大多带CAN总线接口，方便了控制器与外部通讯的软硬件实现。图1030 是力士乐RC系列控制器的RC44控制器配置图。图 1030 力士乐RC44 控制器接口配置RC44包括4路比例电磁阀输出、4路开关量输出、5路电压信号输入、4路电流信号输入、3路频率信号输入、6路开关量输入，并具有1路RS232、2路CAN总线通讯接口。力士乐可提供从RC22至RC1218系列控制器，根据输入、输出接口的不同配置，形成从小型到大型全系列的控制器，配套企业可灵活选择与配置。 国内工程机械专用控制器主要依赖国外进口，自主开发还刚刚起步，满足IEC6l1313标准规范的商用控制器还没有，工程机械专用控制器是制约工程机械控制技术的重要瓶颈。10.2.5 CAN总线技术CAN(Controller Area Network)属于总线式串行通讯网络，最初被设计作为汽车中的微控制器通讯，在车载电子控制装置各ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。与一般现场总线相比，具有突出的实时性、可靠性与灵活性。随着挖掘机电子控制技术的发展，控制器的普遍采用，电喷发动机的推广，CAN总线也在逐步得到应用。当今国际著名的工程机械制造商都在其最新的产品上应用了CAN总线网络，其主要应用目的有：1、与电控发动机的CAN接口交换数据，实现节能控制与环保排放，并且可以监控发动机的运行参数和故障信息，实现发动机仪表数字化。2、通过具有CAN接口的新型传感器采集数据，不仅可以减少接线，更可以避免模拟信号传感器的干扰问题，提高数据采集的准确性和速度。3、多个控制器及显示单元之间相互交换数据，使得控制系统的配置和安装都更加灵活。4、与具有CAN接口的GSM/GPS通讯装置连接，实现工程车辆的远程机群控制、故障诊断和管理功能。5、与具有CAN接口的遥控系统联网，实现工程机械的遥控操作或无人驾驶。 图1031 为日立ZX系列挖掘机CAN总线控制框图。图1031 ZX系列挖掘机