工程机械自动控制与CAN 总线的融合

2020-02-21余朝文

设备管理与维修 2020年7期

余朝文

（云南省保山中等专业学校，云南保山 678000）

0 引言

随着社会经济的发展，大型一类的机电项目与技术逐渐增多，各类建筑工程对机械以及机械自动化的要求也随之提高。为了满足各类工程项目施工的要求，工程机械要具有实时监控能力，不仅如此，还要求新一代机械具有更加精确与复杂的操作控制能力。而工程机械因其工作环境、需求等要求机械在运行过程中必须具有时刻监测、预警、实时能够进行自我保护的功能，这样才能保证遇到紧急事件时能够将工程的损失降到最低，控制在能够接受的范围之内。为满足工程机械的使用要求，就必须做到智能监控与智能控制，因此要求机械的电子控制系统具有着较强的信号传输能力与准确性和实时性。而现场总线是自动化技术发展的方向，同时也是计算机局域网中备受关注的领域。

CAN 早期由德国BOSCH 公司开发，是国际上使用最为广泛的一种现场总线。CAN 是能显示节点之间实时分布控制的系统，并且为数据通信的可靠性提供技术支持。随着工程机械的智能化发展，CAN 总线技术在工程机械之中的使用程度越来越高，通过选择合适的传感器与主机就能实现监视、控制机器。本文对CAN 总线的优势、原理及在工程机械中的应用进行阐述。

1 CAN 总线运用于工程机械的优势

1.1 信息交换

CAN 总线信息交换是指工程机械运行时，执行器、装置传感器与逻辑控制单元之间能够继续交换信息。随着科技的发展，传统的传感器装置已逐渐被智能传感器替代，智能传感器设备用数字技术取代传统的模拟信号，使用数字信号同时也提升了数据传输过程的可靠性；此外，其控制元件中的执行器也朝着智能化的方向发展。主要原因是因为在高温、大流量、高压、控制精度高、快速调整等要求较高的控制系统下，精准度较低、调整速递较慢、提升力较小的普通类型驱动已不能满足控制系统的需求。为了适应时代的发展，需要研发出行程速度可调整、提升力大、定位精确、快速切断、死区小、有故障防护模式能快速调节设备的智能化执行器。随着电气控制技术越来越广泛的应用，各电子设备之间能否进行数据通信变得愈发重要。工程机械每个部位的数据信息都需要传输到不同的控制单元进行交换，要求整体系统网络必须保证数量庞大的数据能够进行正常通信，同时还要求系统网络具有较高的可靠性。不仅如此，整个系统的处理器还需拥有独立运行且必要时还能处理其余数据的能力，而CAN 总线技术的分布式控制网络能够满足上述数据通信的所有要求。CAN 总线使用报文滤波技术实现点对多或点对点、全局广播等发送数据信息和接受数据的方式，同时不要其他特殊的数据通过传输来达成“调度”，当2 个或2 个以上的节点在同一时间进行数据传输或发送数据包时，CAN 总线控制器能对其ID 进行仲裁，用ID 来控制各个节点对总线的访问。当有节点发送最高最优先级别消息时，其余节点都会自动停止传输信息数据，而不使用总线发送信息时，其余节点则会继续发送传输数据。

1.2 电器信号通信

工程机械通过电器信号进行连接能够增加机械中的电子控制单元，而以往使用的连接方法是采用接线连接器。电子部件的线束连接则由电路电线组成，不仅保证传输的电信号，同时保证了电路的可靠性，为连接电子部件与电气时提供预定的电流值，避免被周边电路的电磁干扰，同时还能排除电线短路情况。

从线束功能有着运载驱动执行元件的电力线与输入指令的信号线。其中信号线是光纤同行，粗导线是电力线，为其传输较大的电流。为了满足车辆高功能与多样化的要求，线束在车内空间不断扩大，导致系统的可维修性与可靠性大大降低。传统的控制无法满足实现智能控制与一体化工程机械操作的要求，而复杂的现场连接被简单的现场网络替代。CAN 总线技术为降低工程车辆的线束与提高工程车辆的性能、提供了一个非常有效的解决方案。因此，将CAN 总线与工程机械融合使用，不仅能有效解决车线束过于庞大的问题，还能从整体上提升其可靠性。

2 CAN 总线技术在工程机械上的应用

CAN 总线技术的引入，彻底改变了工程机械的控制领域。集中式控制系统被分布式控制系统取代，在诸多具有CAN 功能的传感器、控制器、执行器的支撑下，传统的复杂连续被单一且简洁的CAN 总线所取代，控制系统设计灵活程度越来越高，同时也大幅度提升了工程机械信号传输的质量。将CAN 总线技术融入工程机械，不仅能够将工程机械的安全性、可操作性、稳定性、动力以及综合性能提升到一个全新的高度，还能给工程机械的持续发展提供动力。

2.1 CAN 总线在摊铺机中的应用

摊铺机是道路施工中必不可少的工程机械，摊铺机的综合性能和其可靠性影响整个施工的质量。将CAN 总线技术使用到摊铺机中，将摊铺机控制系统划分为3 个模块，分别为电喷发动机的控制器、显示器及行走控制器。其中最为典型的CAN 总线应用是工程机械电喷发动机的控制，发动机功率不管是负载如何变化，柴油机的工作状态都会保持在最好的范围内。而当柴油类工程机械发动机出现负荷巨变时，也可以在一定程度上保证柴油发电机稳定运转，不会出现熄火情况。其中行走控制器在摊铺过程中能够发挥控制转向、控制恒速与整个摊铺机各项的参数与状态检测的作用；此外，将摊铺机进行集中监控、分散功能与分担风险，能有效提升摊铺机整体工作性能。CAN 总线技术不仅能对发动机有不错的控制效果，还可以将这项技术运用于摊铺机的找平系统。工程中每个节点能都实时对路基样本变化进行采集，作为路面高度的采样点。主控节点进行广播式发送数据请求，每个节点会将实时监测数据发送到主控制器，使用多个节点采样，能有效滤除掉干扰信号，以此获得更准确的路基情况。主控制器接收全部节点反馈的信息后，按照预定算法对反馈数据进行分析，处理坑槽、石块等偶然因素。去除偶然因素后发出PWM 信号对液压缸电磁阀进行控制，以此实现熨平板的升降控制并使摊铺的厚度均匀。

2.2 CAN 总线在挖掘机中的应用

随着我国挖掘机行业的高速发展，挖掘机的性能成为各生产厂家最有效的竞争力。节能、高效的智能控制成为提高挖掘机性能的关键。电气控制系统是关系到挖掘机的整体性能、可维护性、智能化程度的核心系统。对挖掘机整体性能的要求越高，传感器的数量就越多，同时其线束的数量也会随之增加。而使用CAN 总线技术则可以在不对传统系统造成影响的情况下，有效解决传统控制方式的缺点。控制挖掘机的电气系统使用CAN 总线技术，通过发动机模块的控制器读取转速、油压、工作时间、水温等状态信息，并以此控制挖掘机发动机的转速、保护、节能、起停等，并且不需要在挖掘机上安装对应的传感器，简化挖掘机电气线路。

不仅如此，CAN 还能够使用在工程机械中半主动式变阻尼油气悬架控制。当把CAN 总线网络当做悬架信号交换的通道时，能够将集中控制转变为分布式控制，不仅能将器件与线束的布置简化，还能够提高器件、线束的可靠性。