（机械工程专业论文）履带式起重机整车电气系统设计.pdf

摘要 摘要 全液压履带式起重机是目前工程施工中非常重要的工程机械设备之 一，伴随着我国经济建设的高速发展，特别是工程建设的高速发展，对起 重机需求量越来越大，同时对其工作性能的要求也越来越高。电气控制系 统是履带式起重机操作控制、工作状态检测和安全控制的核心系统，对起 重机的使用性能、操控性、安全性和市场竞争力等很多方面有着重要的影 响。 本文以t e r e x 拓能( 山东) 重型机械制造有限公司开发试制的 p r lo o ( 10 0 t ) 全液压履带式起重机项目为背景基础，对该履带式起重机电 气控制系统进行了设计、部件选型分析及安装调试。 ( 1 ) 分析电气控制系统需要完成的各种功能，并对10 0 t 履带式起重机 的电气控制系统进行了设计和选型。 ( 2 ) 对液压履带式起重机电气控制系统进行逻辑控制设计，并设计全 车电气接线图，并利用各种专业知识进行系统优化。 ( 3 ) 根据电气系统逻辑控制图，编制软件程序，并进行调试以达到实 用目的。 本文主要阐明电气控制系统的设计方法和应用，其目的是使整车具有 低故障率、易维护、易操作的高集成人机界面等优点，具有指导设计生产 的实际意义。 关键词履带式起重机；电气系统；c a n ；选型设计； i i a b s t r a c t h y d r a u l i c c r a w l e rc r a n ei so n eo f t h ee s s e n t i a le q u i p m e n t f o r e n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o nn o w a d a y s w i t h t h ed e v e l o p m e n t o f c h i n e s e e c o n o m y ，e s p e c i a l l yt h eg r o w t ho fe n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n ，t h e d e m a n d sf o r h v d r a u l i cc r a w l e r c r a n ea n di t sp e r f o r m a n c e a r ei n c r e a s i n g w h e r e i n ， e 1 e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mi s a tt h ec o r eo ft h ec r a w l e rc r a n ef o 。o p e r a t i n g c o n t r o l ，w o r k i n g c o n d i t i o nt e s t i n g a n ds a f e t yc o n t r o l ，w h i c h e x e r t sa n e x t e n s i v ea n ds i g n i f i c a n ti n f l u e n c eu p o ni t su s a b i l i t y ，o p e r a t i o n ，s a f e t y a n d m a r k e tc o m p e t i t i v e n e s se t c t h i sd a p e ri sb a s e do np r l0 0 ( 1 0 0t ) h y d r a u l i cc r a w l e rc r a n ed e v e l o p e d b vt e r e xs h a n d o n gt o p o w e rh e a v ym a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gc o l t d a n dm a k e sa ne m p h a t i c a n dt h o r o u g ha n a l y s i so fi t sd e s i g n a n dm o d e l s e l e c t i o na n di n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n g ： f1 ) a n a l y s i so fv a r i o u sf u n c t i o n sp e r f o r m e db ye l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e m a n dd e s i g n & m o d e lf o rt h e10 0tc r a w l e rc r a n e ( 2 ) d e s i g no ft h ee l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e ml o g i cc o n t r o la n dd e s i g nt h e w h o l ec a re l e c t r i c a lw i r i n gd i a g r a mf o r t h eh y d r a u l i cc r a w l e rc r a n ea n d u t i l i z a t i o no fp r o f e s s i o n a lk n o w l e d g ef o rs y s t e mo p t i m i z a t i o n ( 3 ) a c c o r d i n gt o t h ee l e c t r i c a ls y s t e ml o g i c c o n t r o lc h a r t ，c o m p l l e s o f t w a r ep r o g r a m ，d e b u g g i n ga n dt oa c h i e v ep r a c t i c a lp u r p o s e t h i sp a p e rm a i n l ye x p o u n d so nd e s i g np r o c e d u r e sa n da p p l l c a t l o no f e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mf o rt h ep u r p o s eo fr e d u c i n g c r a n ef a i l u r er a t ea n d m a k i n gi te a s yt om a i n t a i nw i t hh i g h l y i n t e g r a t e dh u m a n 。c o m p u t e ri n t e r f a c e ， w h i c hi so fg r e a ti m p o r t a n c et og u i d ec r a n ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g k e y w o r d s ：c r a w l e r c r a n e ，e l e c t r i c a ls y s t e r n ，c a n ，m o d e l s e l e c t i o n i i i c a t a l o g a b s t r a c t l c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n l 1 1s u m m a r yo nc r a w l e r c r a n c ed e v e l o p m e n t l 1 1 1i n t r o d u c t i o no fc r a w l e rc r a n e l 1 1 2d e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fh y d r a u l i cc r a w l e rc r a n e 1 1 2d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fc o n t r o l l e r 2 1 2 1i n t r o d u c t i o no fc o n t r o l l e rd e v e l o p m e n t z 1 2 2d e s i g nm e t h o d so fe l e c t r i cs y s t e m j 1 3 s i g n i f i c a n c e a n dm a i nt a s k q 1 3 1 b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e q 1 3 2r e s e a r c ht h i n k i n g q c h a p t e r2e l e c t r i c a ls y s t e mp r i n c i p l e & k e yt e c h n i q u e s 5 2 1e 1 e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mp r i n c i p l e 5 2 1 1s u p p l e m e n t a r ys y s t e mc o n t r o l ) 2 1 2p o w e rs y s t e mc o n t r o l o 2 1 3h y d r a u l i cs y s t e mc o n t r o l o 2 1 4l o a dm o m e n t & s a f em o n i t o r i n g 2 1 5d a t ad i s p l a y & h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c ec o n t r o l 7 2 1 6a u x i l i a r ye q u i p m e n t 芍 2 1 7 c a n b u sc o m m u n i c a t i o nd e s i g n 5 2 1 8e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ed e s i g n 9 2 2k e yt e c h n i q u e so fe l e c t r i c a lc o n t r o l 9 2 2 1a p p l i c a t i o no fc a n b u si ne l e c t r i c a lc o n t r o l 1 1 2 2 2a p p l i c a t i o no fc a n b u si nr cc o n t r o l l e r 1 l 2 2 3 a p p l i c a t i o no fs a e j l 9 3 9i ne n g i n ec o n t r o l 1 4 2 2 4p w mi n t e r f a c ed e s i g n l 斗 2 3s u m m a r y l 斗 i i c h a p t e r3h a r d w a r es y s t e md e s i g n & m o d e ls e l e c t i o n 1 5 3 1h a r d w a r es y s t e m i n t r o d u c t i o n 15 3 2c o m p o s i t i o no fh a r d w a r e s y s t e m 15 3 2 1h a r d w a r es y s t e mf u n c t i o n & p r i n c i p l e 1 5 3 2 2f u n c t i o no f h y d r a u l i cc o n t r o l l e r ，j o y s t i c k ，m o d e ls e l e c t i o n 15 3 2 3 d i s p l a ym o d e ls e l e c t i o n 1 8 3 2 4l o a dm o m e n tl i m i t e rm o d e ls e l e c t i o n 1 9 3 2 5s e n s o rm o d e ls e l e c t i o n 2 1 3 3e l e c t r i c a ls y s t e mp r i n c i p l ea n di n s t a l l a t i o nc i r c u i td i a g r a m d e s i g n - - - 2 4 3 3 1c o n t r o ls y s t e mc i r c u i td i a g r a md e s i g n 2 4 3 3 2 o r d i n a r yp o w e rs y s t e mc i r c u i td i a g r a md e s i g n 2 6 3 3 3d i s p l a ys y s t e mc i r c u i td i a g r a md e s i g n 2 7 3 3 4t o r q u el i m i ts y s t e mc i r c u i td i a g r a md e s i g n 2 8 3 4s u m m a r y 2 8 c h a p t e r4s o f t w a r es y s t e md e s i g n 2 9 4 1 m o t i o n c o n t r o l 2 9 4 1 1 m e c h a n i c a lm o v e m e n tc u r v e 2 9 4 1 2 s t e p l e s ss p e e dc h a n g ep r i n c i p l e 3 0 4 2s o f t w a r e d e s i g nt h e o r y 3 3 4 3 s o f t w a r e s y s t e md e s i g n 3 5 4 3 1 s y s t e mp r o c e s sd e s i g n 3 5 4 3 2t h es y s t e mi n p u ta n do u t p u t p o r td e s i g na n di n i t i a l i z a t i o n 3 9 4 3 3i o s i g n a lp r o c e s s i n g 4 4 4 3 4a c t i o np r o g r a md e s i g n 4 4 4 3 5d a t a s t o r a g e 51 4 4 h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c ed e s i g n 5 2 4 4 1 h u m a n 。c o m p u t e ri n t e r f a c eo v e r v i e w 5 2 4 4 2 h u m a n 。c o m p u t e ri n t e r f a c ep r o g r a m m i n g 5 3 4 5 c o m m u n i c a t o np r o g r a m d e s i g n 5 7 4 6 s o f t w a r ed e b u g g i n g 0 2 4 7 s u m m a r y 6 4 c o n c l u s i o n 6 5 s u mu p o ) 0 u t l o o ko ft h e f u t u r ei nt h i sf i e l d 6 5 r e f e r e n c e s o a d d e n d u m1m o t i o nc o n t r o ll o g i c a lf u n c t i o nt a b l e ( p a r t ) 7 1 a d d e n d u m2c o n t r o lp r o g r a m ( p a r t ) 7 9 a p p r e c i a t i o n 8 3 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 履带式起重机发展综述 1 1 1 履带式起重机的概述 履带式起重机作为主要的工程机械产品，是一种履带式底盘、桁架臂结构， 广泛应用于各种作业场合的中大吨位起重机，以其爬坡能力强、按地比压小、带 载行驶等优点，并可借助附加装置实现一机多用等特点，在电力建设、桥梁施 工、水利水电、石油化工等行业领域得到广泛应用，具备其它起重设备无法取代 的地位。伴随着现代经济的高速发展，工矿企业、码头、机场、核电厂、市政工 程等方面建设规模越来越大，履带式起重机凭借其特有的优势，应用越来越广 泛，产品型号、性能和功能也日趋完善 1 1 。如图1 1 所示为履带式起重机的应 用。 图1 1 履带式起重机的应用 1 1 2 液压履带式起重机的发展现况 履带式起重机起源于2 0 世纪5 0 年代，在7 0 年代得到迅速发展，8 0 年代后 随着欧美及日本等工业强国的发展，履带式起重机的研发和制造技术得到迅速发 展，近几年来，国内履带式起重机正面l 临着一个黄金发展时期，履带式起重机日 益向着大型化、自动化、智能化方向发展。履带式起重机是一种特种作业设备， 伴随着逐渐大型化的进程，对其安全性和可靠性的要求越来越高，国内外发生过 多次履带式起重机事故，财产损失巨大，电气控制系统是履带式起重机操作控 制、工作状态检测和安全控制的核心系统。目前国内生产的履带式起重机控制系 山东大学工学硕士学位论文 统一般采用手动控制、液控先导控制和电液比例控制，这样的控制技术已经落 后，不能够满足市场的需求。国内外履带式起重机制造厂家均已采用电子智能控 制技术对履带式起重机的各种功能进行系统监控，而国内履带式起重机电气控制 系统主要依赖进口1 2 j 。 目前，国外专业生产履带式起重机的厂家很多，主要生产厂家有德国的利勃 海尔( l i e b h e r r ) 公司、特雷克斯德马格( t e r e x - d e m a g ) 公司与森尼波根( s e n e b o g e n ) 公司，美国的马尼托瓦克( m a n i t o w o c ) 公司、林克贝尔特( l i n k b e l t ) 公司，日本的 有神钢( k o b e l c o ) 公司、日立住友( h i t a c h i s u m i t o m o ) 公司和石川岛( m i ) 公司，其中 利勃海尔、马尼托瓦克、特雷克斯德马格、神钢与日立住友等公司产品系列较 全，市场占有率较高【3 】。 我国自主生产履带式起重机历史较短，相比世界先进国家，国内履带式起重 机的吨位较小、技术含量低、系列化程度低，在设计和制造水平上存在较大差 距。近几年，我国基础设施建设飞速发展，国内履带式起重机产业迅速发展，技 术水平不断提高，系列产品不断推出，自主知识产权的大吨位、超大吨位的履带 式起重机也将逐步问世。目前国内生产履带式起重机的主要厂家有：t e r e x 拓 能、徐州重型机械有限公司、长沙中联重科股份有限公司、三一重工股份有限公 司、福田雷沃国际重工有限公司和抚顺工程机械有限公司等。履带式起重机的发 展正朝着大型化、安全化、智能化、系列化方向发展，一些新技术、新材料、新 工艺和新设计方法也正被不断的引入到履带式起重机技术的发展中【4 ，5 1 。 1 2 履带式起重机电气控制系统技术现状与发展趋势 1 2 1 电气控制系统发展现状与发展趋势 电气控制系统是起重机的重要组成部分，它的主要作用是实现履带式起重机 各种工况下的动作控制及安全监控。它虽然不能直接决定起重机的工作性能，但 对起重机的使用性能、安全性、操控性和市场竞争力等很多方面有重要影响。随 着机械配套部件、液压系统和电子信息等技术的飞速发展，对履带式起重机电气 控制系统的设计提出了更高要求。 履带式起重机电气控制系统的发展，经历了下列三个阶段： 液压比例先导控制系统：电气控制系统通过继电器等基本动作元件实现简单 的逻辑控制，主要动作还是靠液压控制，此方案电气线路复杂，动作元件较多， 在系统发生故障时，查找困难，维修麻烦； 第1 章绪论 电液比例先导控制系统：电气控制系统主要采用模拟放大电路，配合有可编 程功能的单片机控制模块，虽可实现部分功能，但程序编写繁琐、控制功能有 限； 可编程控制器( p l c ) 控制系统：监测设备元件( 包括人机界面、手柄、传 感器等) 向控制器输入机构和液压系统所需的模拟量和开关量信号，控制器按照 电气控制逻辑进行软件数据处理后，直接把模拟量及开关量控制信号输出到各个 执行机构和液压系统，通过执行部件完成整车的动作控制。 第一种、第二种电气系统控制濒临淘汰，第三种全电控产品应用范围越来越 大，但是，国产履带式起重机的电气系统与进口产品相比在技术水平和可靠性等 方面差距还很大。而电气系统是履带式起重机特别是大吨位履带式起重机的核心 控制系统，关系到设备安全、核心技术、设计成本等重要方面，因此加速推动大 吨位履带式起重机电气系统的国产化发展进程有着重要的理论和现实意义，目前 国内中联重科2 0 1 2 年5 月下线3 2 0 0 吨全球最大履带式起重机，三一、徐工也下 线千吨级起重机，电气控制技术水平也得到了进一步的发展1 6 8 j 。 1 2 2 控制器技术发展现状与发展趋势 以前履带式起重机的电气控制系统采用继电器控制系统，随着起重机功能的 增多，安全要求增高，已经不能满足生产需要了，而新型的p l c 控制器是一个专 门将计算机硬件和软件结合起来的装置，可以完成一些特定的功能和任务，例 如：控制、监视或者辅助操作机器和设备，可以完全替代继电器控制系统。作为 工程机械的控制核心的控制器，在各种复杂工程机械中均占据极其重要的地位， 伴随着工程机械行业的蓬勃发展控制系统所发挥的作用也越来越大。目前市场上 主流控制器产品主要有芬兰e p e c 、德国西门子、力士乐、赫思曼、日本三菱 等，这些控制器核心都是可编程p l c ，p l c 技术目前已经性能稳定可靠，技术成 熟。它们的应用场合侧重点不同，西门子、三菱等主要用在工业自动化方面、而 e p e c 、力士乐、赫思曼等控制器主要应用在各种行走工程机械设备中。工程机 械是一个比较复杂的系统，它对于控制器的要求要高于一般的工厂自动化场合。 而且随着工程机械监控技术的不断发展，对控制系统的性能要求提出了更高的要 求，现在的控制器不仅强调本地控制功能，还应具备各种接口，包括c a n 总 线、网络、显示接口等，最先进的还带有无线通信模块【9 , 1 0 , 1 1 j 。目前国内外工程 机械行业所使用的控制器主要有以下几种：芬兰e p e c 系列控制器、赫思曼系列 控制器、博世力士乐系列控制器等，它们均具有良好的抗振性能、防护i p 6 5 以上 山东大学工学硕士学位论文 等级、抗干扰等级，具有丰富的可编程i o 输入输出接口，多种通信端口、较高 的数据处理性能、适当的存储空间、专业化的设计，这几个厂家为行走工程机械 设备提供了较好的控制器，获得了广泛的认同和应用。如图1 2 所示为几种典型 的控制器。 1 3 本文工作的主要内容 图1 2 几种典型的控制器 躐 i i 露 鬣，一| 一 。o 1 3 1 选题的背景和意义 本文题目来自t e r e x 拓能( 山东) 重型机械制作有限公司的p r l 0 0 全液压 履带式起重机试制项目。 课题意义主要体现在履带式起重机采用全电气控制具有以下特点： 系统采用模块化设计，操作灵活、安全可靠、微动性好；具有较高的控 制精度，较低的故障率和应用先进的算法实现闭环控制等优点；系统能够适应各 种恶劣的工作环境，控制电路设计简单、故障率低；充分利用人机交互界面对 整个电气系统进行调试、维修、实时监视；各总线控制模块通过c a n 2 0 b 和 c a n o p e n 总线等协议进行实时双向通讯，从而具有较高的系统配置灵活性、可 靠性和扩展能力；可扩展g p r s g p s 通讯模块功能，在世界范围内实现履带 式起重机远程故障诊断、远程遥控维修以及远程调度管理工作。 1 3 2 工作内容 本文研究工作主要内容包括： ( 1 ) 液压履带式起重机电气控制原理设计本文对电气系统的工作原理及特点 进行分析，深入分析10 0 t 级液压履带式起重机电气控制原理，对其开展设计。 ( 2 ) 电气系统重要部件的选型以1 0 0 t 履带式起重机为例，从原理上深入分 析，选择合适的电气控制元件，并进行安装调试。 ( 3 ) 电气系统控制中的软件部分设计结合计算机等先进设备，对电控系统中 的主要动作控制器、力矩限制器、液晶显示器进行编程。 4 第2 章液压履带式起重机电气系统原理与关键技术分析 第2 章液压履带式起重机电气系统原理与关键技术分析 2 1 履带式起重机电气控制系统基本原理 c a nb u s 发动机e c u 脚踏板 力矩限制 器主机 传感器 图2 1 整车电气系统设计图 图2 1 所示为电气控制系统的结构框图。其核心为可编程的微控制器和人机 界面( h m i ) 。系统中的开关按钮等部件提供开关量信号，各种信号传感器等提供 模拟量信号，分别通过开关量及模拟量输入口输入控制器。各控制器经过内部计 算处理后，通过输出口控制液压系统中的比例电磁阀、开关电磁阀来控制液压系 统的动作，并通过c a n 总线向显示器输出相关操作信息。操作者通过人机界面 的显示屏幕查看起重机的各项工作参数，并可根据显示屏幕上的显示菜单配合按 键来设定起重机的工作参数。 2 1 1履带式起重机电控系统辅助硬件设计 1 、输入设备 输入设备主要由操作手柄和脚踏板组成，动作操作信号通过c a n 总线把数 据发送到控制器上，经过数据处理后实现对整车的回转、变幅、起升、行走等基 本动作的控制，并把操作手柄各种按钮设置成各种锁定按钮、喇叭按钮等，从而 提高操作的安全性和舒适性。 2 、传感器元件 传感器元件主要包括现场采集实时参数( 如风速、液位、水平等) 的传感器， 山东大学工学硕士学位论文 然后将其转换成一个0 - 5 v 的电压信号或者4 - 2 0 m a 的电流信号后进行数模转 换，再传到控制器中，控制器把处理过的信号通过c a n 总线进发送到显示器， 再用虚拟仪表显示出来，使各种工作数据一目了然，实现了良好的人机界面。 2 1 2 动力系统设计 动力由一台柴油发动机提供，发动机本身自带发电机，运行中能提供本机的 工作电源，并向蓄电池补充充电。司机室操作台设有一个钥匙开关，控制系统得 电工作。发动机采用梅赛德斯一奔驰柴油机，额定转速2 1 0 0 r m i n 、额定功率 2 0 5 k w 、最大扭矩l1 0 0 n m ，最大扭矩转速1 6 0 0 r m i n ，利用产生的机械能带动 泵，提供压力油，并最终转换为液压能，为整车的液压系统提供强劲动力，完成 起升、变幅及走行动作。发动机利用e c u ，通过s a ej 1 9 3 9 协议把一些相关发 动机运行参数发送给控制器，由人机界面监控。 2 1 3 液压系统设计 履带式起重机主控制器控制液压系统完成整车的动作控制，通过编程由控制 器发出信号操作开关电磁阀来控制油路开启，使马达、油缸等工作机构动作进行 起升、回转、变幅、行走等动作，并接收力矩限制器系统发出的安全报警信号进 行动作保护控制，停止相应的危险动作，并通过c a n 总线将各类信息发送至显 示器声光显示以供操作人员判蝌1 2 , 1 3 】。 主要控制动作如下： 1 、控制开关电磁阀，由按钮和继电器等信号来控制电磁阀工作。例如启动 液压系统散热风扇、操纵支腿和履带伸缩油缸，完成履带安装、a 型架安装、 升、降动作、主阀合流1 、2 号主泵合并排量、回转动作、主钩上升、变幅上 升、自由滑转等功能【1 4 1 列。 2 、电比例控制 整车的主要动作( 包括3 种卷扬、行走、回转等) 均采用电比例控制，采用 力士乐的比例阀，取消了全部的液压先导油路控制方式，这样大大提高了液压系 统的精确度，从而实现了液压系统的“无级调速”。例如当使用臂杆4 0 米以上 比较长的工况时，在回转时如果动作控制不稳定非常容易出现臂架剧烈晃动的现 象，这样非常危险并且影响正常使用，在我们电比例控制的车上回转会非常平 稳，并且速度由慢至快，适于控制。 第2 章液压履带式起重机电气系统原理与关键技术分析 2 1 4 力矩限制及安全监控系统设计 履带式起重机的力矩限制器是系统安全监控的中心，用来保护起重机在正常 工作范围内工作的极限限位装置l 】6 。主要由力矩限制器主机、角度传感器和力传 感器等构成。力矩限制器是通过接收显示器发出的工况状态及采集实时相关数 据，包括主臂臂长、副臂臂长、主臂角度、工作幅度、最大起升高度、额定载 荷、实际载荷、工况代码、钢丝绳倍率等数据，根据相关的几何尺寸及臂杆重量 等参数，可计算实际起重量，与相应的起重特性曲线数据作比较，完成力矩限制 功能。当起重机达到当前额定力矩的9 0 左右时，力矩限制器将会通过c a n 总 线向控制器发出预警信号，提示操作人员进行安全方向操作。一旦起重机超载运 行时，力矩限制器将会发出报警信号，通知控制器制止起重机的危险动作，防止 起重机倾翻。同时力矩限制器主机需要具备黑匣子功能，在发生超载时将当前工 况下的信息保存起来【1 7 2 0 】。 例如：当出现危险情况时，首先是遵循c a n o p e n 协议，将控制信号发送 到c a n 总线，显示器发出声光报警，直接输出硬件控制信号或者向主控制器输 出紧急信号以停止危险的起重机动作，用来保护履带式起重机的安全作业。 2 1 5 数据显示及人机交换系统设计 国产履带式起重机大多采用点阵型l c d 作为显示器，这种显示器价格低 廉、简单易用，一般内置字库，编程也比较方便，在小吨位起重机上应用较好。 随着大吨位履带式起重机的兴起，在同一屏幕上需要显示的内容逐渐增多，界面 要求更加良好。这时采用成品显示器是个不错的选择。目前在工程机械车辆上使 用比较多的有派芬的s t 系列显示器和派恩的s p n 系列显示器，这两种显示器都 非常精良，防护特性和电气特性都满足要求，本文采用了派芬公司的s t l 0 4 m k 触摸屏显示器。把所有的作业信号采用分屏的方式都显现在显示器上，显示器通 过接收控制器发送的各项系统参数，以虚拟仪表的形式进行集中显示、文本显 示，实现了良好的人机对话及系统状态监控；采用智能诊断故障检测技术，把控 制器发出的一系列的智能故障判断信号，在显示器上进行声光报警提示，方便故 障的发现及检测，提高了设备工作效率；通过c a n 总线向控制器发送系列参数 ( 如工况、动作操作等) ，既方便调试修改参数，又节省调试时间，缩短开发周 期。 具体显示信号如下： 1 起重机作业信号：包括载荷、作业幅度、角度、起升高度、吊臂长度、倍 山东大学工学硕士学位论文 率和高度限位检测、a 型架到位检测，风速检测、回转锁定检测等。 2 限动保护执行机构、警示灯：包括限动执行信号、起重机出限警示、航空 障碍灯以及自动跳出起重机安全保护系统界面。 3 发动机、液压系统运行参数：包括发动机转速、机油压力、液压油压等。 2 1 6 辅助设备设计 监控摄像头的加入一是使操作人员能一目了然的观察卷扬机的动作，监视卷 扬机工作状态排绳。二是解决高位工作时的盲区问题，并安装司机室前大灯为夜 间工作提供起重机辅助照明， 2 1 7c a n b u s 通讯总线设计 c a n 是一种多主工作方式，网络上任意节点均可以在总线空闲时主动向网 络其他节点发送信息，不分主、从站，各节点之间可以实现自由通讯，通讯方式 灵活，不需要占据地址等节点信息。c a n 可以分成不同优先级以满足不同的实 时性要求，当多个节点同时向网络传送信息时，优先级低的节点自动停止发送， 而优先级高的节点发送信息则不受影响。c a n 采用8 位有效位的短帧结构，数 据传输响应快，抗干扰能力强。工作中c a n 数据传输可以一对一发送，也可以 一对多发送【2 1 , 2 2 】。 2 1 8 电气控制系统应用软件设计 1 梯形图语言( l d ) 目前使用最广泛的p l c 图形编程语言是梯形图语言，它与继电器控制系统 的电路图很相似，直观易懂，很容易被熟悉继电器控制的电气人员掌握，是最适 合编写逻辑控制的语言。 2 文本语言( s t ) 文本语言编写程序主要是用功能化的语句代码，这是一种类似于高级语言的 设计语言。在p l c 系统中，在需要大量的模拟量运算和数据处理时，如果采用 s t 语言来编写控制系统中各个变量之间复杂的控制运算关系，就能更好的完成 繁琐数学运算或逻辑功能。 3 功能块图( f b d ) 功能块图语言是模块化的设计语言，每个功能模块都有其设定的特定功能。 编程人员也可以自己编写功能模块，在主程序中可以方便地调用任意一个功能模 块。在程序主界面中编程工程师只需要填写功能模块的输入端和输出端，系统通 第2 章液压履带式起重机电气系统原理与关键技术分析 过功能模块内部固有的逻辑关系完成所需的逻辑运算或控制功能。 4 顺序流程图( s f c ) 顺序流程图语言是用流程图来描述程序的程序设计语言。通过顺序流程图的 描述，控制系统被分为几个子系统，从逻辑功能入手，使系统的操作具有明确的 工作方向，便于设计人员和调试人员沟通思想，便于程序的分工设计和调试维 护。 5 指令表语言( i l ) p l c 的指令是一种与计算机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式。由指 令组成的程序叫做指令表程序，指令表程序阅读比较困难，其中的逻辑关系也不 能直观地表示，所以设计时一般不采用这种语言。 总之，履带式起重机电气系统的开发是一个涉及计算机技术和专业技术知识 的综合性设计任务，需要对各方面知识有一个较好的把握和融合【2 3 2 4 1 。 起重机电气控制系统一般包括：动力系统控制、液压系统控制、力矩限制及 安全监控、监测仪表、辅助设备操作等。其中力矩限制及安全监控为电气系统的 重点。 2 2 履带式起重机电气控制关键技术分析 2 2 1c a n 总线技术在全车电气控制中的应用 c a n ，即控制器局域网，全称为“c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，是国际上应用最 广泛的现场总线之一。最初出现在2 0 世纪8 0 年代末的汽车工业中，最先由德国 b o s c h 公司提出，c a n 被设计为汽车中的微控制器通讯网络，用于车载各电子控 制装置与e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。例如：发动机管理系 统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统【2 5 1 。 ( 1 ) 一个由c a n 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点，即 无数台设备。但实际应用中，因网络硬件的电气特性限制节点数目有限。c a n 可提供高达1 m b i t s 的数据传输速率，通信距离最远可达1 万米，这使实时控制 变得非常容易，硬件的错误检定特性增强了c a n 的抗电磁干扰能力。c a n 总线 由于具有实时性和可靠性高，组网成本低等优点，近年来，c a n 总线因为具有 很高的实时性、可靠性和灵活性等优点，在汽车工业、工程机械工业、航空工 业、工业控制、安全防护等领域中均得到了广泛应用。 c a n 总线特点概括如下： 9 山东大学工学硕士学位论文 c a n 总线为多主工作方式，网络上的任意节点都可以在任意时刻主动地向 其他节点发送信息，方式灵活，不分主从。 c a n 总线网络节点可以自主安排优先级顺序，以满足和协调各自不同的实 时性要求。 总线仲裁技术采用非破坏性的，多点同时发送信息时，按优先级顺序通 信，节省总线通信中冲突仲裁时间，避免网络瘫痪。 可以进行点对点、单点对多点和全域广播方式传递信息。 通信速率最高可达i m b i t s ( 4 0 m 以内) ，最长传递距离达1 0 k m ( 速率为 5 k b i t s 以下) 。 网络节点目前可达1 1 0 个，报文标志符2 0 3 2 种( c a n 2 0 a ) ，扩展标准 ( c a n 2 0 b ) 中报文标识符不受限制。 采用短帧数据结构，每一帧的有效字节数为8 个，传输时间短，抗干扰能 力强，检错效果非常好。 通信介质可以用同轴电缆、双绞线或光纤， 网络节点在严重错误情况下可以自动关闭输出功能，脱离网络。 实现了标准化、规范化( 国际标准i s o i1 8 9 8 ) 。 ( 2 ) c a n 总线技术规范 如图2 2 所示为c a n 协议的分层结构，它根据开放系统互联模型( o s i ) 制定， 采用了七层模型的物理层和数据链路层。 图2 2c a n 协议的分层结构 第2 章液压履带式起重机电气系统原理与关键技术分析 物理层 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。它 定义信号怎样进行发送，涉及到位定时、位编码及同步的描述。物理层划分： 第一层物理信令( p l s - p h y s i c a ls i g n a l i n g ) ：实现与位表示、定时和同步相关的功 能；第二层物理媒体附件( p m ap h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) ：用于实现总线发送 和接收功能的电路，并可提供总线故障监测方法；第三层媒体相关接口( m d i m e d i u m d e p e n d e n ti n t e r f a c c ) ：实现媒体和m a c 之间机械和电气间的接口。 数据链路层 数据链路层分为逻辑链路控锘l j ( l i c l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 与媒体访问控制( m a c - m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 两层。第一层l l c 子层主要负责报文滤波、过载通知以及 恢复管理。第二层m a c 子层是c a n 协议的核心，它描述由l l c 层接收到的报文和 对l l c 子层发送的认可报文。根据功能可以把m a c e d 分完全独立工作的发送部分 和接收部分两个部分，即。m a c 子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测和标 定。所以m a c 又称之为“故障界定实体”的一个管理实体监控，具有永久性故障 或短暂性扰动故障的自监测机制。 2 2 2r c 系列控制器上的c a n 总线 r c 控制器上的c a n 总线使用2 0 b 通信协议，最大传输速率可达i m b i t s ，有完 整的错误检查机构，提供1 5 个报文对象，自动处理c a n 帧的接收和发送，同时支 持标准帧和扩展帧格式。c a n 总线结构中，有两条物理接线即c a n h ( 高) 和c a n l ( 低) ，采用屏蔽双绞线；总线两终端应各有一个1 2 0 欧姆的电阻，主要用来连接 c a n l 和c a n h 端。 r c 控制器的每个c a n 接口具有各自独立的c a n 控制器，每个接口传送数据 能力为：可使用( n o 1 1 3 ) 1 3 个数据包，( n o 1 4 ) 数据包用于直接传送数据。每个接 口接收数据能力为：扩展标识符可接收( n o 1 1 3 ) 1 3 个数据包，基本标识符可接收 ( n o 1 5 4 0 ) 3 5 个数据包。每个r c 控制器的每个接口均可以与其他c a n 总线或电子 系统进行数据交换( 如：m c 、r c 、手柄、显示器、比例阀、发动机等) ； 2 2 3s a ej 1 9 3 9 协议在发动机控制中的应用 本发动机监控数据主要基于美国汽车工程师协会( s a e ) 锚j 定的j 1 9 3 9 应用层 通信标准协议，是目前在中型和重型道路车辆领域最为广泛应用的信息通信协 议。它以u s b 2 0 b 协议为基础，并且继承了j 1 5 8 7 等协议相关内容。j 1 9 3 9 协议 为车辆上电子部