工程機械自動控制與CAN 總線的融合

余朝文

（云南省保山中等專業(yè)學校，云南保山 678000）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，大型一類的機電項目與技術逐漸增多，各類建筑工程對機械以及機械自動化的要求也隨之提高。為了滿足各類工程項目施工的要求，工程機械要具有實時監(jiān)控能力，不僅如此，還要求新一代機械具有更加精確與復雜的操作控制能力。而工程機械因其工作環(huán)境、需求等要求機械在運行過程中必須具有時刻監(jiān)測、預警、實時能夠進行自我保護的功能，這樣才能保證遇到緊急事件時能夠將工程的損失降到最低，控制在能夠接受的范圍之內。為滿足工程機械的使用要求，就必須做到智能監(jiān)控與智能控制，因此要求機械的電子控制系統(tǒng)具有著較強的信號傳輸能力與準確性和實時性。而現(xiàn)場總線是自動化技術發(fā)展的方向，同時也是計算機局域網(wǎng)中備受關注的領域。

CAN 早期由德國BOSCH 公司開發(fā)，是國際上使用最為廣泛的一種現(xiàn)場總線。CAN 是能顯示節(jié)點之間實時分布控制的系統(tǒng)，并且為數(shù)據(jù)通信的可靠性提供技術支持。隨著工程機械的智能化發(fā)展，CAN 總線技術在工程機械之中的使用程度越來越高，通過選擇合適的傳感器與主機就能實現(xiàn)監(jiān)視、控制機器。本文對CAN 總線的優(yōu)勢、原理及在工程機械中的應用進行闡述。

1 CAN 總線運用于工程機械的優(yōu)勢

1.1 信息交換

CAN 總線信息交換是指工程機械運行時，執(zhí)行器、裝置傳感器與邏輯控制單元之間能夠繼續(xù)交換信息。隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的傳感器裝置已逐漸被智能傳感器替代，智能傳感器設備用數(shù)字技術取代傳統(tǒng)的模擬信號，使用數(shù)字信號同時也提升了數(shù)據(jù)傳輸過程的可靠性；此外，其控制元件中的執(zhí)行器也朝著智能化的方向發(fā)展。主要原因是因為在高溫、大流量、高壓、控制精度高、快速調整等要求較高的控制系統(tǒng)下，精準度較低、調整速遞較慢、提升力較小的普通類型驅動已不能滿足控制系統(tǒng)的需求。為了適應時代的發(fā)展，需要研發(fā)出行程速度可調整、提升力大、定位精確、快速切斷、死區(qū)小、有故障防護模式能快速調節(jié)設備的智能化執(zhí)行器。隨著電氣控制技術越來越廣泛的應用，各電子設備之間能否進行數(shù)據(jù)通信變得愈發(fā)重要。工程機械每個部位的數(shù)據(jù)信息都需要傳輸?shù)讲煌目刂茊卧M行交換，要求整體系統(tǒng)網(wǎng)絡必須保證數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)能夠進行正常通信，同時還要求系統(tǒng)網(wǎng)絡具有較高的可靠性。不僅如此，整個系統(tǒng)的處理器還需擁有獨立運行且必要時還能處理其余數(shù)據(jù)的能力，而CAN 總線技術的分布式控制網(wǎng)絡能夠滿足上述數(shù)據(jù)通信的所有要求。CAN 總線使用報文濾波技術實現(xiàn)點對多或點對點、全局廣播等發(fā)送數(shù)據(jù)信息和接受數(shù)據(jù)的方式，同時不要其他特殊的數(shù)據(jù)通過傳輸來達成“調度”，當2 個或2 個以上的節(jié)點在同一時間進行數(shù)據(jù)傳輸或發(fā)送數(shù)據(jù)包時，CAN 總線控制器能對其ID 進行仲裁，用ID 來控制各個節(jié)點對總線的訪問。當有節(jié)點發(fā)送最高最優(yōu)先級別消息時，其余節(jié)點都會自動停止傳輸信息數(shù)據(jù)，而不使用總線發(fā)送信息時，其余節(jié)點則會繼續(xù)發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)。

1.2 電器信號通信

工程機械通過電器信號進行連接能夠增加機械中的電子控制單元，而以往使用的連接方法是采用接線連接器。電子部件的線束連接則由電路電線組成，不僅保證傳輸?shù)碾娦盘?，同時保證了電路的可靠性，為連接電子部件與電氣時提供預定的電流值，避免被周邊電路的電磁干擾，同時還能排除電線短路情況。

從線束功能有著運載驅動執(zhí)行元件的電力線與輸入指令的信號線。其中信號線是光纖同行，粗導線是電力線，為其傳輸較大的電流。為了滿足車輛高功能與多樣化的要求，線束在車內空間不斷擴大，導致系統(tǒng)的可維修性與可靠性大大降低。傳統(tǒng)的控制無法滿足實現(xiàn)智能控制與一體化工程機械操作的要求，而復雜的現(xiàn)場連接被簡單的現(xiàn)場網(wǎng)絡替代。CAN 總線技術為降低工程車輛的線束與提高工程車輛的性能、提供了一個非常有效的解決方案。因此，將CAN 總線與工程機械融合使用，不僅能有效解決車線束過于龐大的問題，還能從整體上提升其可靠性。

2 CAN 總線技術在工程機械上的應用

CAN 總線技術的引入，徹底改變了工程機械的控制領域。集中式控制系統(tǒng)被分布式控制系統(tǒng)取代，在諸多具有CAN 功能的傳感器、控制器、執(zhí)行器的支撐下，傳統(tǒng)的復雜連續(xù)被單一且簡潔的CAN 總線所取代，控制系統(tǒng)設計靈活程度越來越高，同時也大幅度提升了工程機械信號傳輸?shù)馁|量。將CAN 總線技術融入工程機械，不僅能夠將工程機械的安全性、可操作性、穩(wěn)定性、動力以及綜合性能提升到一個全新的高度，還能給工程機械的持續(xù)發(fā)展提供動力。

2.1 CAN 總線在攤鋪機中的應用

攤鋪機是道路施工中必不可少的工程機械，攤鋪機的綜合性能和其可靠性影響整個施工的質量。將CAN 總線技術使用到攤鋪機中，將攤鋪機控制系統(tǒng)劃分為3 個模塊，分別為電噴發(fā)動機的控制器、顯示器及行走控制器。其中最為典型的CAN 總線應用是工程機械電噴發(fā)動機的控制，發(fā)動機功率不管是負載如何變化，柴油機的工作狀態(tài)都會保持在最好的范圍內。而當柴油類工程機械發(fā)動機出現(xiàn)負荷巨變時，也可以在一定程度上保證柴油發(fā)電機穩(wěn)定運轉，不會出現(xiàn)熄火情況。其中行走控制器在攤鋪過程中能夠發(fā)揮控制轉向、控制恒速與整個攤鋪機各項的參數(shù)與狀態(tài)檢測的作用；此外，將攤鋪機進行集中監(jiān)控、分散功能與分擔風險，能有效提升攤鋪機整體工作性能。CAN 總線技術不僅能對發(fā)動機有不錯的控制效果，還可以將這項技術運用于攤鋪機的找平系統(tǒng)。工程中每個節(jié)點能都實時對路基樣本變化進行采集，作為路面高度的采樣點。主控節(jié)點進行廣播式發(fā)送數(shù)據(jù)請求，每個節(jié)點會將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到主控制器，使用多個節(jié)點采樣，能有效濾除掉干擾信號，以此獲得更準確的路基情況。主控制器接收全部節(jié)點反饋的信息后，按照預定算法對反饋數(shù)據(jù)進行分析，處理坑槽、石塊等偶然因素。去除偶然因素后發(fā)出PWM 信號對液壓缸電磁閥進行控制，以此實現(xiàn)熨平板的升降控制并使攤鋪的厚度均勻。

2.2 CAN 總線在挖掘機中的應用

隨著我國挖掘機行業(yè)的高速發(fā)展，挖掘機的性能成為各生產(chǎn)廠家最有效的競爭力。節(jié)能、高效的智能控制成為提高挖掘機性能的關鍵。電氣控制系統(tǒng)是關系到挖掘機的整體性能、可維護性、智能化程度的核心系統(tǒng)。對挖掘機整體性能的要求越高，傳感器的數(shù)量就越多，同時其線束的數(shù)量也會隨之增加。而使用CAN 總線技術則可以在不對傳統(tǒng)系統(tǒng)造成影響的情況下，有效解決傳統(tǒng)控制方式的缺點?？刂仆诰驒C的電氣系統(tǒng)使用CAN 總線技術，通過發(fā)動機模塊的控制器讀取轉速、油壓、工作時間、水溫等狀態(tài)信息，并以此控制挖掘機發(fā)動機的轉速、保護、節(jié)能、起停等，并且不需要在挖掘機上安裝對應的傳感器，簡化挖掘機電氣線路。

不僅如此，CAN 還能夠使用在工程機械中半主動式變阻尼油氣懸架控制。當把CAN 總線網(wǎng)絡當做懸架信號交換的通道時，能夠將集中控制轉變?yōu)榉植际娇刂疲粌H能將器件與線束的布置簡化，還能夠提高器件、線束的可靠性。

3 結語

因CAN 有著多主機結構的特點，使用CAN 總線技術控制工程機械，能保證工程機械控制系通信具有較高速率，并且有著良好的實時性、抗干擾能力與處理錯誤的能力，同時還有非常高的控制準確度。這些優(yōu)點促使工程機械朝著更高控制精確度方向發(fā)展，也是工程機械發(fā)展的必然趨勢。