基于LabVIEW的伸縮臂越野叉車參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

肖超海，程志群，張軍，何承元，洪啟升，葉敏

（1.安徽好運機械有限公司技術(shù)中心 安徽 合肥 230601；2.西安卓士博液壓工程有限責(zé)任公司技術(shù)中心，陜西 西安 710119；3.長安大學(xué)工程機械虛擬仿真實驗教學(xué)中心，陜西 西安 710064）

叉車是用于堆垛、裝卸貨物使用頻率最高、需求數(shù)量最多的工程機械車輛，在短途貨物運輸中得到廣泛應(yīng)用。越野叉車是兼具高空作業(yè)和叉車功能的伸縮臂越野叉車，具有全輪驅(qū)動、爬坡能力強的特點，在建筑工地、山林果園、油田開發(fā)、管道鋪設(shè)以及在工廠倉庫、港口碼頭貨物提升或搬運等作業(yè)環(huán)境惡劣的地方應(yīng)用廣泛，具有良好的市場前景。目前我國在越野叉車的研究和應(yīng)用上還處于起步階段，市場份額被國外品牌占據(jù)。因此，迫切需要開展伸縮臂式越野叉車的基礎(chǔ)研究，特別是掌握越野叉車的作業(yè)工況和性能，對提升產(chǎn)品品質(zhì)有重要意義。

現(xiàn)有的研究集中在越野叉車的液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)2方面，重點關(guān)注越野性能。越野叉車驅(qū)動系統(tǒng)采用變量泵和變量馬達的雙變量方案，有效分配泵馬達排量是難點。為解決行駛系統(tǒng)中無級變速和負載自適應(yīng)的功能要求，王勇等［1-2］從電控角度對泵和馬達的功率匹配、發(fā)動機的極限功率保護功能進行了分析，但未對兩者如何適應(yīng)變復(fù)雜工況做深入探討。針對相同問題，姚凱等［3］從液壓系統(tǒng)著手，采用力士樂的DA泵來滿足負載自適應(yīng)要求，借助液壓系統(tǒng)的壓力反饋進行變速，可實現(xiàn)行駛系統(tǒng)的無極變速，但犧牲了快速響應(yīng)性。王勇等［4］對行走液壓系統(tǒng)工作參數(shù)進行了設(shè)計計算，康劉陽［5］采用仿真方法對越野叉車的復(fù)合傳動系統(tǒng)進行了分析，為行走系統(tǒng)中的泵和馬達的參數(shù)選擇提供了依據(jù)。此外，針對伸縮臂式越野叉車工作臂，羅艷蕾等［6］采用Matlab分析了舉升裝置的工作參數(shù)，為研究伸縮臂式越野叉車提供參考。關(guān)于越野叉車行駛系統(tǒng)的負載自適應(yīng)以及伸縮臂式越野叉車的工作性能，還是缺乏深入研究。

為解決伸縮臂越野叉車在開發(fā)中遇到的技術(shù)難題和提升車輛的作業(yè)性能，本文以自行研制的4 t伸縮臂越野叉車為對象，采用全電比例控制方式設(shè)計了叉車的行駛和工作裝置的控制系統(tǒng)；并依據(jù)課題組前期在工程機械裝備控制系統(tǒng)和參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)積累［7-13］，設(shè)計了越野叉車的參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，為優(yōu)化越野叉車控制系統(tǒng)性能提供可視化評價方法。

1 監(jiān)控系統(tǒng)功能分析

1.1 越野叉車工作原理

4 t伸縮臂越野叉車可實現(xiàn)45°爬坡，可配置3節(jié)和4節(jié)伸縮臂，主要區(qū)別是伸縮臂結(jié)構(gòu)不同，前伸距離和最大起升高度不同，如4節(jié)伸縮臂最大起升高度可達18 m。4 t伸縮臂越野叉車的結(jié)構(gòu)如圖1所示，可分成伸縮臂工作裝置和底盤行駛系統(tǒng)兩大部分。工作裝置包括變幅、伸縮、貨叉調(diào)平和貨叉移動等4部分，與高空作業(yè)車一樣需要進行力矩安全限制。相比起重機聯(lián)合伸縮臂配的位移和舉升缸油壓的聯(lián)合判斷法，4 t叉車是通過測量后橋受力變化來判斷車輛安全狀態(tài)。底盤包括駕駛室、支腿、發(fā)動機、行駛系統(tǒng)、液壓主閥和配重等。其中，變量泵和變量馬達組成的行駛系統(tǒng)是越野叉車的關(guān)鍵點，有效分配泵馬達排量，關(guān)系到車輛的越野性能。

圖1 4 t越野叉車結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure composition of 4 t telehandler

1.2 控制系統(tǒng)組成

越野叉車的控制系統(tǒng)由伸縮臂工作裝置、行駛系統(tǒng)、發(fā)動機和儀表4部分構(gòu)成，通過CAN總線交互數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 越野叉車控制系統(tǒng)Fig.2 Schematic of telehandler control system

工作裝置是通過電液操作手柄操控，在力矩傳感器的保護下讓工作臂在安全范圍內(nèi)作業(yè)，其力矩限制原理是確保重心落在4個車輪內(nèi)。行駛系統(tǒng)的輸入主要是油門和剎車踏板，并且設(shè)有1擋低速（0～12 km/h）和2擋高速（0～37 km/h），以滿足作業(yè)和轉(zhuǎn)場要求。工作裝置、行駛系統(tǒng)與發(fā)動機均通過CAN總線進行數(shù)據(jù)交互，從而通過CAN總線可有效了解越野叉車作業(yè)狀態(tài)和工況。

1.3 監(jiān)控方案

在新產(chǎn)品開發(fā)中，須進行產(chǎn)品的性能測試，完善所必需的設(shè)計和調(diào)試。盡管伸縮臂越野叉車有顯示系統(tǒng)，但其主要目的是標定和顯示力矩傳感器，以及顯示整機的基本工作參數(shù)，難以為整機的故障診斷、系統(tǒng)優(yōu)化等提供完整參數(shù)。

鑒于工作裝置和行駛系統(tǒng)均采用PEAK CAN模塊進行程序下載，若能將下載工具與參數(shù)監(jiān)控結(jié)合，將該系統(tǒng)調(diào)試和優(yōu)化更為方便。為此，采用LabVIEW作為開發(fā)平臺，個人計算機（PC）通過CAN卡與車輛CAN網(wǎng)絡(luò)通信，系統(tǒng)方案如圖3所示。其中通信線纜符合CAN通信標準，開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)在PC端運行，通過對特定報文數(shù)據(jù)的解析，實現(xiàn)越野叉車整車工作參數(shù)的狀態(tài)監(jiān)控和性能分析，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)方案Fig.3 Monitoring system composition

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件架構(gòu)

為滿足越野叉車的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控和功能擴展要求，本次設(shè)計延續(xù)了前期柔性化測控系統(tǒng)的理念［9］，借助隊列、全局變量和多線程的技術(shù)，實現(xiàn)報文數(shù)據(jù)的采集、解析和曲線顯示，以及數(shù)據(jù)存儲和參數(shù)報警等功能。隊列是確保數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)解析、曲線顯示處理分開，以保證系統(tǒng)運行的實時性，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁堵；全局變量可以將解析的數(shù)據(jù)在曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲和參數(shù)報警模塊中進行共享；運用多線程可滿足多個任務(wù)分時運行，確保系統(tǒng)的靈活性。

為說明隊列和多線程在系統(tǒng)設(shè)計中的作用，圖4給出了系統(tǒng)中原始報文到終端的數(shù)據(jù)流。當PEAK CAN收到報文后，隊列模塊會將所有報文壓入隊列，然后在報文解析模塊中對緩沖數(shù)據(jù)進行解析并釋放緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)解析是按照已經(jīng)定義好的參數(shù)來逐個對報文進行比對和解析，然后將參數(shù)定義中的參數(shù)內(nèi)容按照順序存入AI_Data數(shù)組。而后續(xù)的參數(shù)顯示、曲線顯示和數(shù)據(jù)存儲則按照通知形式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時更新。圖4中各個模塊均在不同的循環(huán)內(nèi)，即各自線程中運行，通過全局變量進行數(shù)據(jù)共享，如Stop來實現(xiàn)停止，AI_Data來實現(xiàn)參數(shù)交互。

圖4 數(shù)據(jù)傳遞流程Fig.4 Data transferring process

2.2 隊列模塊設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)中采用了隊列的異步處理和消息通信2大功能，異步處理是將報文采集與報文解析分開，實現(xiàn)異步處理；消息通信用于參數(shù)顯示、曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲和報警等功能模塊，實現(xiàn)定時更新。隊列主要包括隊列初始化、出入隊列和注銷隊列等3大模塊，隊列初始化是為各個隊列變量定義其匹配的數(shù)據(jù)類型和隊列形式；入隊和出隊，則分別是向隊列（或隊列通知）變量寫入數(shù)據(jù)以及讀隊列（或隊列通知）中變量的數(shù)據(jù)；而注銷隊列是在系統(tǒng)結(jié)束時將初始化隊列中所有變量注銷。

以隊列初始化為例，如圖5所示，前3個模塊是Obtain Queque函數(shù)，用于報文解析、曲線顯示和保存模塊的隊列。報文采集的隊列名為CAN Frame que，其變量格式與CAN報文一致，但由于需要存儲多個報文，因此這是一個結(jié)構(gòu)體數(shù)組變量。后面的Notifier變量是通知信息，通過Obtain Notifier進行消息通知，實現(xiàn)曲線數(shù)據(jù)更新等定時操作功能。

圖5 隊列初始化后面板Fig.5 Queue initialization function

2.3 報文解析

報文解析是按照物理參數(shù)所在報文的位置逐步解析，接收的報文CAN_MSG變量包括ID和幀數(shù)據(jù)Data_array，如圖6所示。如果解析的參數(shù)已定義，則根據(jù)其數(shù)據(jù)起始位Start_bit、數(shù)據(jù)位長度number_of_bit、數(shù) 據(jù) 類 型data_type、數(shù) 據(jù) 模 式Byte_order（大端或者小端模式）、數(shù)據(jù)比例系數(shù)a和b，解析參數(shù)后獲得參數(shù)數(shù)據(jù)值value。以泵比例閥電流為例，該參數(shù)位于16#101報文的第1和2字節(jié)，為此判斷接收的CAN_MSG報文是否存在101報文；若有，則取出該報文中的第1和2字節(jié)，計B1和B2，按照小端模式方式進行數(shù)據(jù)拼接，獲得比例閥電流為B1+B2×256。按照這個規(guī)則將所有物理參數(shù)進行解析。

圖6 報文解析流程Fig.6 CAN frame parsing flow chart

參數(shù)顯示則是通過隊列通知來實現(xiàn)，如圖7所示，參數(shù)顯示分配到一個while循環(huán)中，并通過全局變量stop來控制參數(shù)顯示模塊的啟停。如果接收到通知，則更新通知里的數(shù)據(jù)變量AI_Data，相關(guān)的參數(shù)定義則根據(jù)參數(shù)序號進行一一解析。如發(fā)動機的故障碼SPN和FMI分別位于參數(shù)定義的78和79號，則直接通過索引即可獲得它們的參數(shù)。

圖7 參數(shù)解析Fig.7 Parameters parsing from queue

3 監(jiān)控系統(tǒng)功能試驗

將設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)部署在個人計算機上，通過USB PEAK CAN卡與4 t伸縮臂越野叉車連接，分別在正常和故障越野叉車上進行功能試驗，從而確定故障源。

3.1 參數(shù)監(jiān)控功能試驗

越野叉車涉及行駛系統(tǒng)、工作裝置和發(fā)動機等3大裝置，僅發(fā)動機的J1939協(xié)議就包含很多報文，因此總線上的數(shù)據(jù)量比較大。按照車輛運行參數(shù)監(jiān)控和故障診斷的思路，系統(tǒng)選擇了17個報文，共110個參數(shù)，部分參數(shù)定義見表1，所有解析的報文均為標準幀，數(shù)據(jù)模式是小端模式。

表1 部分報文參數(shù)定義表Tab.1 CAN frame parameters define table

通過CAN總線與叉車連接后，啟動越野叉車，發(fā)動機擴展幀報文與行駛控制器和工作控制器的標準幀報文合并后，報文總數(shù)量超過50個ID，數(shù)據(jù)量大。

設(shè)置行駛擋位為1，方向為前進，進行測試，測試結(jié)果如圖8所示。從圖中可知：目前支腿已經(jīng)收起，符合行駛條件；系統(tǒng)檢測到了前進和1擋的行駛條件，但車速仍為0，其原因是當前發(fā)動機轉(zhuǎn)速僅為999 r/min，處于低帶速狀態(tài)，行駛系統(tǒng)不能工作。從以上信息可知，設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)能正確的解析報文，實現(xiàn)了越野叉車的參數(shù)監(jiān)控功能。

圖8 參數(shù)監(jiān)控結(jié)果Fig.8 Monitor result of telehandler

3.2 故障診斷功能

參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的一個主要功能是故障排查。某樣機車速不平穩(wěn)，無法實現(xiàn)高速行駛，且阻力較大，行駛有頓挫感。為此，分別對比了正常機型故障機型的行駛系統(tǒng)壓力曲線。

叉車的原地轉(zhuǎn)向阻力較大，采用該工況進行對比試驗。圖9為性能良好的叉車在原地轉(zhuǎn)向時進行后退和前進的壓力曲線，行駛系統(tǒng)壓力在8～10 MPa，變化平穩(wěn)。圖10為故障車行駛系統(tǒng)的壓力曲線，系統(tǒng)壓力波動大，并存在溢流狀態(tài)，表明泵和馬達是正常工作，但存在大的行駛阻力，初步懷疑是行走系統(tǒng)被鎖住，導(dǎo)致車速無法提升，壓力波動。

圖9 正常設(shè)備原地轉(zhuǎn)向的測試結(jié)果Fig.9 Travel pressure for normal telehandler insitu steering

圖10 故障車行駛壓力變化曲線Fig.10 Travel pressure for faulty telehandler insitu steering

經(jīng)過對液壓系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)的輔助判斷，懷疑是剎車油路存在空氣，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)油溫高后因氣體膨脹而觸發(fā)制動，導(dǎo)致行駛時阻力太大，出現(xiàn)系統(tǒng)溢流和較大的壓力波動。為此，去掉制動系統(tǒng)的油路并進行行駛測量，故障車的車速正常，表明制動阻力已經(jīng)釋放，說明參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)為叉車的故障診斷提供了科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)語

針對伸縮臂越野叉車的運行狀態(tài)、故障診斷等功能要求，采用LabVIEW為軟件平臺，PEAK USB/CAN為硬件平臺，通過隊列、全局變量和多線程等技術(shù)完成了越野叉車的參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，通過實驗測試，系統(tǒng)功能良好。將設(shè)計的系統(tǒng)用于故障車輛監(jiān)控，快速發(fā)現(xiàn)了越野叉車的故障源，為叉車工作過程中的故障診斷提供了可視化的判斷方法。采用CAN總線監(jiān)控方式有效實現(xiàn)了車輛狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷，但仍依賴于個人電腦，后期可以考慮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過藍牙/WIFI來獲得車輛信息，為改進越野叉車性能奠定基礎(chǔ)。