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路面破碎机电液比例控制系统设计
发布时间：2013-10-24 09:00 来源：未知
0、引言
路面碎石化处理是将原有混凝土路面破碎成较小板块，即将整个旧路面变成更加稳定的路面底基层，同时彻底消除衍射影纹的方法。相对于落锤式破碎方式，这种碎石化工艺破碎能量大部分被水泥混凝板块所吸收，产生的颗粒粒径相对较小，破碎时的影响范围也较小，破碎颗粒均匀，能有效分离混凝土路面的异种材质，不会产生二次废弃物。
路面破碎机采用液压驱动结构，对不同系统结构间的联动较多，对控制系统的控制精度和通信要求较高。本文采用基于CAN总线结构的CANopen总线协议满足控制系统的通信要求．使得系统中各�？橹涫萃ㄑ蹲既�、快速、稳定，从而保证了控制系统的精确性和可靠性，用CAN总线将遍布车身各处的所有传感器、控制器和执行器联接起来，既保证了系统具有强大功能，也使得结构简单、可靠性高，这是现代工程机械技术发展的一个重要方向。
现代化的工程机械已经发展成为集机电液为一体的高科技产品，电气系统是其中的一个重要组成部分．几乎所有的操作都采用电控方式实现。电液比例控制系统设计的用电气控制技术将液压系统和机械传动系统的各个执行元件的动作有机地联系起来，从而使路面破碎机能够准确地完成破碎作业，精确地实现行走和发动机参数的控制。同时还对整车系统的故障进行检测、报警、诊断、再现和智能监控等。
1、CANopan总线协议及其应用
1.1 CANopen总线协议
CA Nopen总线协议是基于CAN (Controller Area Net-work)总线技术的应用层协议，是一种公共、开放、通用的协议，已经被接受为CAN高层协议的标准之一，应用于过程控制、通信电子设备、工程机械等领域。相对于其他的总线通信标准，此协议不仅可以解决设备间的互联问题，同时也提高了信息传输的可靠性、通信速率及设备的标准化、开放化程度。
CAN及CANopen标准在OSI网络模型中对应包括物理层、数据链路层和应用层，传输速度可达250 kB/s，使用标准的CAN�。�11位标识符，包含一个4位的功能码部分和一个7位的节点ID部分。
在CANopen总线协议的数据传输中共定义了4类通讯报文，分别为管理对象(NMT)、服务数据对象(SDO)、过程数据对象(PDO)和特殊功能对象。其中SDO用来传递网络系统中的配置信息，如IW、QW、MW的读取和MW、MW的修改，PDO用来传递过程数据信息。
1.2CANopen总线协议编程
在实际的工程应用中．用户可以按照类的规定把要传输的数据映射到相应的对象中．CANopen规定了相应的地址区间用于发送和接收总线上的数据．节点之间的数据发送与接收主要以PDO和SDO报文进行。程序设计中的CANopen总线协议编程流程和内容如下。
(1) CANopen的初始化。对每个节点编写CANopen的初始化程序，定义每个节点与总线上其他节点间的数据收发对应关系，建立节点的数据收发表。
(2)发送PDO报文到CANopen总线。发送PDO信息到CANopen总线就是把数据写入输出映象区，�？榈挠布岚凑找欢ǖ闹芷�，或当数据发生变化时，把PDO发送到CANopen总线上。
(3)从CANopen总线接收PDO。从CANopen总线接收PDO信息就是从输入映象区读取数据，映象地址根据CANopen初始化代码进行分配，接收信息时，按优先级排列依次分配输入映象地址。
2、控制系统需求分析
路面破碎机控制系统的主要设计目标包括：作业时连续准确地控制振动装置的破碎频率，精确调节振动装置的水平和垂直位置，并联动行走机构、发动机和辅助设备的工作参数，保证路面的施工质量，向时兼顾系统的节能性能。
破碎系统为闭式液压系统，由1个液压泵驱动1个马达。频率值可由操作者在控制面板上设定，当工作泵排量调整范围不够时，还能以改变工作马达排量来调整。
行走系统为闭式液压系统，由1个行走泵驱动2个行走马达．分别经减速机后驱动2个后轮。由操作者通过速度踏板来对设备的行走速度进行控制。与设备行走速度有关的因素包括：发动机转速、行走泵排量、行走马达排量。当行走速度需要增加或减少时，首先调整行走泵排量，其次调整发动机转速，行走马达排量根据负荷自行调整。应尽可能使发动机转速处于节能转速，或接近节能转速。
当左、右车轮转速比值超过设定值时，提示“打滑”，启动防滑程序。手动防滑驱动时，操作者需按动指定按钮后再执行防滑程序。设备总共提供了后轮减速机驻车制动、前轮制动器制动、反拖制动3种物理制动手段，分别或组合地用于驻车制动、行车制动和紧急制动3种制动工况。
首先必须保证工作系统的振动马达转速。当行走负载增大到影响发动机转速时，以减小行走系统速度来维持发动机转速。
整车性能上，控制系统应该对整车参数实现精确匹配以达到最佳控制效果。控制精确有效、人机交互方便、具有高温、高振动恶劣条件下的高可靠性。
路面破碎机控制系统包括了基本电气系统、行走机构控制系统、工作装置控制系统、发动机控制系统、辅助设备控制系统、人机交互系统、故障诊断系统和通讯系统等几大主要�？�。
3、路面破碎机电液比例控制系统结构设计
为了实现路面破碎机的工作机构控制、工作参数显示、在线参数调节、故障诊断和数据通信等功能，选用芬兰EPEC公司的EPEC2023控制器，将CANopen协议运用到路面破碎机电气系统的控制。
EPEC控制器是专为工程机械设计的，它以PLC为基础，充分考虑了工程机械施工现场的各种恶劣环境，通过功能扩展、提高防护等级并进行整体封装而成。多达52个I/O引脚为一针多用，可作为开关量、脉冲和模拟量输入，也可作为PWM和开关量输出，根据使用需要通过软件编程定义，其中模拟输入端口具有处理不同信号的能力，对电阻信号、电流信号以及电压信号都可以进行采集并通过软件编程进行设定。EPEC2023最大8路的PWM输出取代了传统电液比例阀的放大器电路，具有大电流输出端口（0一3 A），可直接控制4个电液比例阀，简化了系统电路，设计、维修方便，且故障率较低。
具有CANopen和CAN2.OB两种总线接口，可与很多标准CAN总线产品进行连接，或通过门路�？橛肫渌芟呋蛏衔换樱榻ù笮拖低�，当系统节点较多或信号传输距离较远时可以使用多个控制器组网，可靠性、灵活性和可扩展性大大加强。
采用EPEC控制器构建基于CANopen协议的路面破碎机电液比例控制系统的结构见图l。
路面破碎机控制系统总线网络由3个节点通过CAN网络联接而成。采用芬兰EPEC公司的2个EPEC2023和1个EPEC2037为CAN总线节点。其中EPEC2023P1用于系统发动机及整车附件的控制，设置为主节点，节点号为4；EPEC2023P2用于工作机构的控制器，作为从节点，节点号为8。EPEC2037作为系统的数据、状态显示和参数设置器件。另外为了实现整车的工作结构和发动机的联动控制，实现整车的节能控制，将发动机的ECU作为系统的CAN节点，与EPEC2023通过CAN2.OB协议总线接口联接，将发动机的相关参数送入系统进行显示和参与控制，它们之间通过CAN总线组成路面破碎机控制系统的总线网络。
4、路面破碎机破碎系统的控制程序设计
EPEC控制器使用通用的IEC1131-I语言编程，支持6种编程语言，程序可现场下载，通过车载的显示器�？榭稍谙吒谋涑绦虿问�。
控制器的程序设计分为系统控制程序、设备控制程序两大部分。系统控制程序包括I/O初始化、CANopen的初始化和收发程序、参数存储以及故障监测及处理等�？�，用以控制控制器本身及整车系统的配置：设备控制程序是针对控制对象的程序，包括行走机构的左右行走泵、散热风扇、发动机油门和破碎系统的工作泵和工作马达等。
破碎系统是通过对工作泵、工作马达排量的连续调节实现工作频率控制，在工作泵排量调整范围不够的情况下，再以改变工作马达排量来调整，目标值由操作者在控制面板上设定，工作频率对应于工作马达每秒种转速，采用闭环控制。其中工作泵、工作马达等执行机构采用力士乐的电液比例阀及电液比例泵。电液比例阀是典型的机电液一体化元件，广泛应用于各种机械设备中，电液比例控制的核心是控制电液比例阀的电流。相对于模拟式控制而言，采用PWM(脉冲宽度调制)控制方式，其功率输出级为开关型结构，功耗�。甈WM信号中包含了同频率的脉动量，无需另加颤振信号，抗干扰能力强，滞后时间短，重复精度高。
5、结语
程序设计在Codesya2.1的开发环境下完成，通过在路面破碎机样机上调试，破碎系统达到了±0.01Hz的频率连续调节，取得了满意的控制效果。通过使用CANMoon监测CAN总线上数据的传输，可以确认数据收发的可靠性，符合路面破碎机的通信要求。通过采用符合CANopen协议的标准化装置，增强了设备的可扩展性，同时也提高了数据传输的可靠性，可以满足现代工程车辆的通信和控制要求。
