液压挖掘机监控系统的设计与研究

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[摘 要]液压挖掘机在使用过程当中经常会遇到故障警报，目前最欠缺的就是方便可读，人机界面友好的液压挖掘机监控系统。本文就这种系统的设计和研究做了相关的说明和介绍。

[关键词]液压挖掘机 监控系统 单片机 数字化

中图分类号：TD76 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）02-0000-01

一、前言

随着液压挖掘机使用范围的越来越广泛，对于液压挖掘机监控系统的要求也越来越高。目前的监控系统依然处于比较早期的发展阶段，需要设计和研究一种新的，可以适应时展的液压挖掘机的监控系统。

二、国内液压挖掘机监控系统的发展现状

1、在国内自主开发的工程机械控制器中，长江挖掘机厂使用的WYl60B型液压挖掘机监控系统具有代表性。WYl60B型液压挖掘机监控系统是浙江大学与长江挖掘机厂合作，经过三轮试制和改进，研制出中国第一代机电一体化的液压挖掘机监控系统。机上装设了便携/固定两用式液压挖掘机工况监测和故障查找装置，该装置以MCS一51系列单片机为核心，能实时监测液压、动力、电气及其他部分的共计16路运行状态参数，在液晶显示屏上显示出电路模拟量参数具体值。当监控到故障信息时，根据装置内的故障经验库即可大致推出故障部位，并有声、光、图同时报警能力，通过控制匾板上的按键进行操作，能在液晶显示屏上以汉字的形式告诉操作员应采取的对策。

2、监控的参数包括液压系统、电力系统、动力系统和附属系统共16路参数，采用液晶汉字显示，在一片液晶屏上集中显示挖掘机作业过程中的全部参数，若永久固定于主机上，还可取代传统的仪表箱。DJX-OI监控系统由电子监控仪（简称主机），温度、压力、液位和转速等传感器，报警灯及蜂鸣器控制电路等组成。系统监控的工作参数有：温度、压力、发动机转速、车速等。

主要性能指标：

1）供电电源：电压DCl8～DC30V、最大功耗_

2）监控路数：7路模拟量、8路开关量（可根据需要来扩展）；

3）监控项目：

温度监控：监控范围0～150℃、分辨率l℃、最大误差≤±3℃；

压力监控：监控范围O～40mPa、分辨率0.01MPa、最大误差蔓士2%；

电压监控：监控范围DCO～40V、分辨率0.IV、最大误差≤10.3V；

发动机转速监控：监控范围O～4000r/min、分辨率1 r/min、最大误差≤±l%：

车速监控：监控范围0～140km/h、分辨率l kⅢ/h、最大误差≤±1%；

角度监控：监控范围±900、分辨率10、最大误差≤士1 o。

3、通过对国内外具有代表性的液压挖掘机监控系统的分析，它们共同的功能是具有数据采集、工况显示、故障报警、掉电保存等，但在具体实现时，相对于国外的监控系统，国内的监控系统功能实现过于简单，不具有开放性，扩展能力过小。虽然都具有工况显示功能，但大多还是用字符显示，没有充分利用点阵式液晶屏的优点。总之，随着液压挖掘机智能化程度不断提高，其相应的控制系统会变得更复杂，具有开放性、通用性、易扩展性特点的监控系统愈加重要。

三、系统的组成

1、CAN系统的组成

CAN （Control Area Network）总线是德国Bosch公司从20世纪8O年代初为解决现代汽车中众多的控制与测仪之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，有着高速传输等特点。在液压挖掘机中使用CAN总线技术，可以构成分布式监控系统，从而提高整个系统的数字化、智能化水平，并增加了系统控制的灵活性。其中，发动机控制器、泵控制器和电子监控器构成分布式控制系统，并通过CAN总线进行实时数据传输。发动机控制器通过执行机构控制发动机的油门开度，泵控制器通过控制电磁比例减压阀的输出压力，来控制变量泵的斜盘角度从而改变泵的排量，系统通过发动机一泵的复合控制使发动机在每一种工作模式下都工作在最佳工作点处。

2、监控系统的组成

在系统中，发动机采用Cummins公司生产的6BTA5.9系列发动机；执行机构采用STM力矩电机；比例减压阀、变量泵分别为川崎公司的KDRDE5KR系列电磁比例减压阀和K3V系列斜盘式柱塞泵变量泵；发动机控制器、泵控制器的MCU采用FUJITSU公司的MB90F549芯片，其内部具有两个独立的CAN控制器 ，可以很方便地挂接在总线上；电子监控器采用SAMSUNG公司的$3C2410系列ARM9处理芯片，构成嵌入式操作系统。

3、基于CANOpen协议的数据通讯子系统CANOpen是基于CAN总线的应用层协议，它最初由从事工业控制的CiA （CAN in Automation）会员开发。由于CANOpen是一种公共、开放、通用的协议，而且精练透明、容易开发， 因此在后不久就获得了广泛的认同。开发符合CANOpen协议的监控系统有利于设备的标准化，使得任何符合CANO―pen协议的设备都可以很方便地挂接到监控系统中。关于CANOpen协议内容分析的文章很多 。但是实际应用性的文章并不多，本文在简单分析协议实质及核心内容的基础上，着重给出开发基于CANOpen协议的数据通讯子系统的方法。

四、 相关元件的设计

1、信号采集单元的设计

信号采集装置用于采集挖掘机各部分的运行状态信号。该装置包括计数器、光电隔离芯片和滤波器。该系统需要用转速传感器从发动机采集高速脉冲信号，然后接计数器TS3V555计数，经过光电隔离芯片HCPL0600再提供给C8051F020的Po口。来自传感器的信号主要是模拟信号，滤波后经过A/D转换再输入给光电隔离芯片HCPL0600，直接提供给C8051F020的P0口，开关信号则只需要数字滤波，光电隔离PS2801―1提供给C80511F020的P2 El和P3 El。采用光电滤波（隔离）的目的是提高系统的抗干扰能力。

2、电源模块的设计

由于挖掘机特殊的工况要求，设计的电源模块可以自动识别12V/24V的车载电压，该电源模块能够自动适应9～36V的宽电压输入，转化为5 V的稳定电压输出，为了避免模拟信号和数字信号之间的干扰，同时保证控制板正常工作，对模拟信号处理模块和数字信号处理模块单独供电，给液晶屏的5 V电源也进行了滤波处理。C80511F020的3.3 V工作电源是将5 V的电源通过芯片ASM117转化得到的。

3、串口通讯模块

挖掘机监控系统要与上位机通讯，于是笔者设计了串口通讯模块，主要采用MAX232来实现。在该设计系统中，其中RXD和TXD与C8051F020的PO.0和PO.1口相连接。

4、看门狗电路的设计

看门狗电路其实是一个独立的定时器，有一个定时器控制寄存器，可以设定时间（开狗），到达时间后要置位（喂狗），如果没有，就认为是程序跑飞，就会发出RESET指令。为了提高程序的可靠性，此先进的看门狗电路，用来监视C8051F020内部程序运行状态，在程序跑飞或死锁的情况下，可以自动复位。

5、显示模块

本系统采用320x240图形点阵式液晶屏，液晶屏的显示由SED1335芯片驱动行、列扫描芯片来实现。因此只要实现C8051F020对SED1335进行控制即可完成系统的显示功能。

五、结束语

本文就液压挖掘机的相关监控系统的设计和研究进行了论述，在将来只有系统展示界面友好，适合我国使用习惯的监控系统才可以获得长足的发展。

参考文献

[1] 李锋伟，王彦章，龚润弘“基于GPRS或3G技术的GPS监控系统在液压挖掘机中的应用”《建筑机械（下半月） 》ISTIC2013年10期，3-5页.

[2] 谢喜春.液压挖掘机监控系统的设计与研究.机械电子工程中南大学？2010（学位年度），6-8页.