基于CAN-BUS的工程機械電氣控制系統(tǒng)相關(guān)分析

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200135）

基于CAN-BUS的工程機械電氣控制系統(tǒng)相關(guān)分析

沈華，張曉棟

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200135）

當(dāng)前在我國的工程機械電氣控制系統(tǒng)當(dāng)中，運用CAN-BUS總線技術(shù)則起步較晚。但隨著時間的推移以及科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，逐漸認(rèn)識到CAN-BUS總線技術(shù)能夠使得工程機械協(xié)同工作能力得到大大提升，對提升工作效率與工作質(zhì)量均有所幫助。本文將分別從控制模塊、顯示模塊出發(fā)，通過實例闡述CAN-BUS在工程機械電氣控制系統(tǒng)上的應(yīng)用。

CAN-BUS總線技術(shù)；工程機械；電氣控制系統(tǒng)

CAN-BUS總線技術(shù)指的就是controller area network，即控制器局域網(wǎng)，其最早誕生于20世紀(jì)80年代，被用于解決數(shù)據(jù)交換問題，而后經(jīng)過不斷發(fā)展完善，CAN-BUS總線技術(shù)已經(jīng)成為國際認(rèn)可并得到廣泛使用的一種現(xiàn)場總線。簡單來說CANBUS總線技術(shù)就是數(shù)字式串行通訊技術(shù)，其低廉的成本和高效的傳輸速率以及較好的抗干擾性等強大優(yōu)勢使其逐漸被運用到工程機械電氣控制系統(tǒng)當(dāng)中，為此，文本將著重針對基于CAN-BUS的工程機械電氣控制系統(tǒng)進行簡要分析研究。

1 控制模塊

1.1 主控CPU電路

主控CPU電路主要是由中央處理器、電源以及通訊電路等共同組合而成。為了能夠完成讀取和設(shè)置時間信息以及內(nèi)存儲空間數(shù)據(jù)的要求，可以將CPU芯片與實時時鐘芯片進行通訊。工程機械電氣控制系統(tǒng)當(dāng)中的控制模塊需要同各種智能的總線傳感器相連，從而利用CAN-BUS接口使得控制器能夠支持CANOPEN等協(xié)議實現(xiàn)與其他類型通信端口相接的目的。

1.2 輸入輸出電路

在工程系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)當(dāng)中的輸入和輸出電路主要指的就是負(fù)責(zé)采集信號和輸出驅(qū)動的電路，控制器能夠輸出多路大電流PWM以及開關(guān)量。

2 顯示模塊

2.1 顯示電路

在基于CAN-BUS之下的工程機械電氣控制系統(tǒng)中，需要使用CAN-BUS總線控制器與高速收發(fā)器共同完成利用CAN通信電路實現(xiàn)系統(tǒng)和用戶相互交換信息和媒介的重要作用。根據(jù)工程機械的實際情況可以分別選擇液晶屏或是觸摸屏。在環(huán)境比較惡劣的工程機械現(xiàn)場當(dāng)中可以使用電阻式的觸摸屏，其具有較好的抗干擾性和性價比。圖1展示的是液晶顯示模塊的接口示意圖。

圖1 液晶顯示模塊接口示意圖

2.2 存儲電路

工程機械電氣控制系統(tǒng)當(dāng)中往往會涉及到大量的數(shù)據(jù)信息、包括其自身的故障信息、采集到的電氣數(shù)據(jù)等，為了能夠方便對數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)一管理以及日后的必要查詢，需要將其統(tǒng)一存儲在專門的存儲器當(dāng)中。目前已有的幾種存儲器例如SDRAM、FRAM以及Flash等雖然均能夠完成數(shù)據(jù)和程序的保存，考慮到電氣控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息量比較大，可以根據(jù)存儲程序和運行程序進行分別存儲，使得信息數(shù)據(jù)的讀寫等均能受到有效保護。

2 CAN總線通訊

2.1 CAN總線通訊簡介

CAN總線在物理上分為三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，同軸電纜，光釬。根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，其傳輸速率，傳輸距離也不相同，如使用雙絞線的時候，理論上傳輸10千米的速率可以達到50Kbps。CAN總線在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候是由報文進行傳輸，各個站之間的優(yōu)先級由標(biāo)識符進行定義，各個站之間不存在主從的關(guān)系?；跀?shù)據(jù)塊的標(biāo)識符進行通訊，常用的標(biāo)識符有11位和29位二進制數(shù)，其中有4位定義數(shù)據(jù)塊的長度。通過標(biāo)識符，CAN-BUS總線上的各個站之間即可實現(xiàn)互不干涉。

2.2 CAN總線通訊的特點

CAN-BUS總線通訊不存在主站和從站的區(qū)分，各個站之間的通訊采用數(shù)據(jù)塊的形式且有優(yōu)先級之分。CANBUS總線采用非破壞性的仲裁技術(shù)保證了優(yōu)先級高的通訊。CAN-BUS總線的校驗機制使得在物理層完好的情況下，某些站通訊故障不會致使其它站通訊受到影響。

3 CAN-BUS總線技術(shù)在工程機械的應(yīng)用實例

港口機械的吊具通訊，液壓系統(tǒng)比例閥控制，起重機的稱重系統(tǒng)等都可以使用CAN-BUS現(xiàn)場總線技術(shù)。通過CAN-BUS總線可以完成分系統(tǒng)從主系統(tǒng)接收指令，對某個單獨機構(gòu)或者元件進行控制或監(jiān)控并將一些信息通過CAN總線傳輸反饋給主系統(tǒng)。這樣可以減少主系統(tǒng)PLC的負(fù)荷，增加分系統(tǒng)控制的專業(yè)性，便于程序的固化與封存。下面以液壓工程機械為例說明CAN-BUS總線的應(yīng)用。

3.1 液壓工程機械的機構(gòu)

常見的液壓起重機的機構(gòu)包括：變幅、起升、回轉(zhuǎn)及行走機構(gòu)。

3.2 大型液壓工程機械的控制系統(tǒng)

圖2 CAN總線的工程機械控制通訊圖

大型液壓工程機械的主要控制器包括泵控制器，液壓控制器和力矩限制器等。其中泵控制、液壓控制和力矩限制器均可以采用CAN-BUS總線形式的控制器。其通訊簡圖見圖2。

圖3 帶有CAN-BUS總線的比例閥控制器

主CPU的作用是計算各機構(gòu)的指令和給定，讀取各個CAN-BUS通訊站的信息，并實現(xiàn)各類保護和各機構(gòu)的控制等，是工程機械的主要控制和保護單元。力矩限制器是通過CAN-BUS總線或者模擬量讀取傳感器信號并折算成負(fù)載根據(jù)預(yù)設(shè)的力矩曲線配合主CPU對整機的各個機構(gòu)進行保護，同時通過顯示模塊直觀地顯示方便輔助操作人員和維修人員排故。液壓控制器可以整合在主CPU內(nèi)，但大型的起重機械常作為獨立的單元根據(jù)比例閥特性進行控制，控制更加專業(yè)，集成性更強。

3.3 含有CAN-BUS總線的控制器

圖3的比例閥控制器支持CAN-BUS總線的多路通訊，通過編程可以實現(xiàn)PWM調(diào)制控制：在工程機械中有許多可以支持CAN-BUS通訊的控制器、傳感器，甚至變頻器、PLC及工控機。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)水平的日益提高，CAN-BUS現(xiàn)場總線技術(shù)的完善度愈來愈高，并且被廣泛運用到工程機械的電氣控制中。

[1]呂灝.工程機械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)故障分析及檢查排除[J].無線互聯(lián)科技，2015，01:114-115.

[2]任紅飛，郭永，張欣，馬賽.基于CAN總線的工程機械電氣控制系統(tǒng)設(shè)計研究[J].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，03:182-185.

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