基于CAN总线的汽车起重机智能控制系统

1、第6卷第2期2008年6月中国工程机械学报CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY Vol. 6No. 2J un. 2008基于CAN 总线的汽车起重机智能控制系统唐修俊, 李胜华, 王巍(三一重工股份有限公司, 湖南长沙410100摘要:阐述了大型汽车起重机的发展趋势, 指出了开发基于义. 介绍了系统主要控制对象, 针对的问题:由于1, CAN 网络拓扑结构, 其采用总线分段, 双CAN 总线协议结构. , 验证了此智能控制系统的优越性.关键词:; ; 智能控制系统中图分类号:64; TP 393. 1文献标识码:A 文章编号:1672-5581(

2、2008 02-0198-03CAN 2bus 2based intelligence control systemfor automotive cranesTA N G Xi u 2j un , L I S heng 2hua , W A N G Wei(Sany Heavy Industry Co. ,Ltd. ,Changsha 410100,China Abstract :With advances of large 2scale automotive cranes ,it is imperative to develop CAN 2bus 2enabled intelli 2gent

3、 control systems. Then ,a complete adaptive intelligent control system is proposed based on critical control objects. With regard to major impacts on CAN 2bus 2based technologies ,instability even conflict exists in the system due to extensive bus length. Finally ,an improved topological structure ,

4、e. g. dual 2CAN structure ,is pos 2tulated for CAN network using sub 2buses. Pertaining to the high 2performance of automotive cranes ,the advan 2tages of intelligent control systems are verified via on 2site testing.Key words :automotive crane ; CAN bus ; intelligence control system随着建设工程规模不断扩大, 作为

5、重要的工程施工机械, 汽车起重机日趋向大吨位、高效率、自动化、智能控制及多用途方向发展1. 与此同时, 用户对其工作性能、操作舒适性、自动化程度、工作安全可靠性、设备故障监控诊断能力、液压系统的流量控制和分配等方面的要求也越来越高, 产品在这些方面的表现已成为决定其市场竞争力的主要因素2. 而且, 在大型汽车起重机的控制系统中, 包含多个部件和分系统的电子控制单元、信号采集单元、显示单元的信号采集和传输, 为提高数据的传输效率、数据和信息的共享, 需要采用以总线为部件间联络纽带的起重机网络系统3. 因此, 开发基于CAN 总线的大型起重机智能控制系统, 具有重大意义.1系统主要控制对象本次开发

6、的起重机为汽车底盘全液压伸缩臂起重机, 额定最大起重量为100t ,5段可伸缩式主臂,1基金项目:长沙市科技计划重点资助项目(KZ B064002作者简介:唐修俊(1964- , 男, 教授, 工学博士. E 2mail :tangxj. cn第2期唐修俊, 等:基于CAN 总线的汽车起重机智能控制系统199节基础臂和4节伸缩臂, 主臂伸缩动作实现由2个双作用的油缸完成; 起重机带可外伸缩支腿, 由支腿控制面板和调平; 液压系统为比例泵加新型流量分配的变量系统; 上车带独立发动机, 自装卸组合式平衡重. 上车起重功能的完成需3台油泵的工作来实现,如图1所示,2台变量油泵驱动实现臂架的升缩、变幅

7、、主卷扬和副卷扬动作, 另外1台油泵驱动实现转台的全360°回转和其他辅助动作. 主要动作的操控通过2个电控比例手柄来实现.2智能控制系统2. 1系统组成及其控制策略1, 、力矩限制系统、起重机操作系统、极限载荷. 、支腿的顶升、底盘水平度监控、支腿支撑力监控、倾翻预警和底盘调平功能. 支腿的手动伸缩和顶升由左右2个支腿面板进行操作, 自动调平由倾斜度传感器和控制器共同完成.起重机在工作过程中, 如发生实际起重量超出额定范围, 则会引发起重机主要钢结构件的损坏(折断或开裂 和整机倾翻. 为了有效防止超载, 避免发生折臂或倾翻的安全事故, 起重机强制安装力矩限制系统.起吊重物时, 有回

8、转、变幅、伸缩、主/副起升5种单动作或其组合起来的复合动作. 本系统采用2个电比例控制手柄实现工况的自适应调节. 起重机操作系图2系统组成图统负责这些执行机构电气控制技术的应用. Fig. 2System constitute chart极限载荷控制系统使负载、泵和发动机功率自适应匹配. 当负载大于泵的输出功率时, 极限载荷控制系统自动减小泵的排量, 以减小泵的输出功率, 使泵和发动机输出功率平衡, 此时表现为小流量慢动作, 微动性能显著; 当负载小于泵的输出功率时, 极限载荷控制系统自动增大泵的排量, 以增大泵的输出功率, 在发动机输出功率允许范围内使起重机作业速度加快, 此时表现为大流量快

9、动作, 作业效率高.智能故障诊断系统主要实现对输入输出端口、各模块工作状态的监视, 包含各电子单元总线状态的判断, 利用已有的单元和传感器对设备的运行状态进行监控和故障的判断, 使对系统的故障查询和维修过程简单化、快速化.2. 2控制器的选型芬兰EPEC 公司生产的SPT -K 系列控制器4是基于长期恶劣环境如剧烈振动和冲击、温度变化剧烈、高湿度、粉尘等恶劣环境下能可靠工作而开发的, 是集可编程逻辑控制器、比例放大器、模拟量输入A/D 模块、PWM 比例电流输出和大电流开关控制输出等功能为一体的高性能工程机械专用控制器, 其软硬件性能优异, 适用于汽车起重机控制系统.2. 3系统软件设计本软件

10、系统采用3S 公司的CODESYS 编程. 编程语言包括结构化文本(ST 、指令表(IL 、顺序功能图(SFC 、梯形图(LD 、功能块图(FBD 等. 根据每种编程语言的特点, 可以在编程中灵活应用, 使得程序更加清晰和高效.在软件设计过程中采用模块化结构进行编写, 根据功能进行划分, 图3是上车控制器的软件结构框图.200中国工程机械学报第6卷3CAN 总线网络本系统采用CAN 总线网络结构的主要原因有如下几个方面:(1 现场总线技术是工业现场自动控制的趋势, 方便实现计算机远程化、网络化管理. 尤其是考虑到实现后续的起重机中央、远程、网络控制, 采用现场总线技术5有良好的可扩展性和硬件可

11、移植性.(2 由于汽车起重机的各种电子单元和3传感器位置分散, 有的分布在上车, 有的分布3Softw are chart of controller 在底盘, 数据传输距离较远, 而通信距离最远可达10(s , 通信速率最高可达1Mbp s -1(此时通信距离最长为40m 6.(3 CAN 、同轴电缆或光纤, 选择灵活, 可以减少各电子单元和传感器之间的电气线束 , 降低了干扰的概率.(4 CAN 组成的控制系统结构简单、组网灵活, 可方便地增加或减少节点.(5 各个节点, 如各控制单元、长角传感器、回转角度编码器、发动机ECU 和支腿控制面板等, 都集成了CAN 控制器和驱动, 增加控制系

12、统的智能化程度.(6 由于大型起重机控制系统的传感器较多, 使用CAN 节点形式可以充分发挥数据共享的特性. 整车控制系统CAN 网络由14个节点构成. 上车8个节点, 底盘6个节点, 如图4所示. 上车8个节点是:起重控制单元、力矩控制单元、集中显示单元、长角传感单元、回转角度单元、上车发动机ECU , 操作手柄1, 操作手柄2; 底盘6个节点是:支撑控制单元、支腿操作单元1、支腿操作单元2、倾斜角度单元、下车发动机ECU 和变速箱ECU. 为有效避免总线冲突, 采用对总线分段, 双CAN 总线协议结构, 这样既能提高系统的快速响应能力, 也可有效避免由于1条总线太长引起的系统不稳定性. 主

13、总线符合CAN 规范的基础上发展起来的应用层CANOpen 协议, 子总线符合CAN2. 0B 标准. 其中起重控制单元和支撑控制单元具备双CAN 网络接口(CAN2. 0B 和CANOpen 协议 , 既是网络节点又充当网桥的作用.图4CAN 总线网络拓扑图Fig. 4Topology chart of can bus net4结语本文所设计并实现的智能控制系统, 充分发挥了EPEC 控制器的优异性能, 保证了整机的可靠工作,(下转第205页第2期王积永, 等:塔机基础计算方法205参考文献:1中国国家标准化管理委员会. G B/T 1375292塔式起重机设计规范S.北京:中国标准出版社,

14、1992.Standardization Administration of the People s Republic of China. G B/T 1375292Design rules for tower cranesS .Beijing :StandardsPress of China ,1992.2中国国家标准化管理委员会. G B 501352006高耸结构设计规范S.北京:中国计划出版社,2007.Standardization Administration of the People s Republic of China. G B 501352006Code for des

15、ign of high 2rising structuresS.Beijing :Chi2na Planning Press ,2007.3何学功, 王乔. 塔机方形基础力学状态及抗倾翻稳定性计算J.建筑机械,2000(08 :29-31.HE Xuegong ,WAN G Qiao. Mechanical situation of square foundation and 2Machinery ,2000(08 :29-31.4何学功, 冯功斌, 孙刚. .( -30.HE Xuegong ,FEN G G ongbin ,SUN G ang. Mechanical 2calculatio

16、n for tower crane cross type foundationJ.Construction Machinery ,2001(01 :275孔德霖, 谢建民. J,2005(03 :65-66.KON G about independent foundation design of tower craneJ.Construction Machinery ,2005(03 :65-(上接第200页采用智能化的控制策略, 提供了优越的整机控制功能和性能. 本文的创新点是采用对总线分段, 双CAN 总线协议结构, 既可以避免总线冲突、实现有效通信, 又可对起重机的液压系统和动力系统等做

17、全面的监测. 通过软件的不同配置, 适用于各种型号的汽车起重机. 目前该智能控制系统已经小批量投产, 在现场试运行时, 整个系统控制精确、操作简单、通信可靠.参考文献:1朱德康, 邹胜. 起重机创新设计展望J.起重运输机械,2007(2 :1-4.ZHU Dekang ,ZHOU Sheng. Outlook for crane innovative designJ.Hoisting and Conveying Machinery ,2007(2 :1-4.2屈福政, 孙铁兵, 牛治刚, 等. 大型起重机的智能化电子控制系统J.起重运输机械,2004(3 :25-27.QU Fuzheng ,

18、SUN Tiebing ,NIU Zhigang ,et al. Intelligent electronic control system for large cranesJ.Hoisting and Conveving Machinery , 2004(3 :25-27.3夏继强, 孙进. 基于现场总线的起重机监控系统J.微计算机信息,2006,22(10 :238-240.XIA Jiqing ,SUN Jin. Cranes supervisory system based on field busJ.Control &Automation ,2006,22(10 :238-240.4杨翔, 朱建新, 梅勇兵. EPEC 控制器在挖掘机总线通讯系统中的应用J.工程机械,2007,38(8 :1-3.YAN G Xiang ,ZU Jianxin ,MEI Y ongbing. Application of EPEC controller to bus communication system of excavatorsJ.Construction Ma 2chinery and Equipment ,2007,38(8 :1-3.5阳宪惠. 现场总线技术及其应用