CAN现场总线在液压挖掘机状态监测系统中的应用.pdf

信息技术 王学慧， 等 C A N现场总线在液压挖掘机状态监测 系统中的应用 C A N现场 总线在液压挖掘机状态监测 系统 中的应用 王学慧， 于达 解放军理工大学 工程兵工程学院。 江苏 南京 2 1 0 0 0 7 摘要 液压挖掘机是 复杂 大 系统 ， 集机 、 电、 液 于一体 。设计 了该监测 系统 ， 实时采集液压挖 掘机各种状态信号， 能有效进行故障的预测。基于 C A N总线和A R M， 通过传感器采集信号， 运 用V B语言开发可执行程序， 实现了系统的功能， 对挖掘机工作状态进行了实时有效的监测， 提 高了作业效 率和 经济效 益。 关键词 液压挖掘 机 ； C A N总线 ； 监测 系统 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 3 O 2 0 1 1 9 0 3 Ap pl i c a t i o n o f CAN Bus i n Hy d r a u l i c Ex c a v a t o r M o ni t o r i ng S y s t e m W ANG Xu e h u i ． YU Da P L A U n iv e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o lo g y ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 7 ， Ch i n a Abs t r a c tHy dr a u l i c ex c av a t o r i s a c o mp l ic a t ed s y s t em wh i c h me c h an is m ，e l e c t r ic i t y an d li q uid a r e i n t e gr a t e d in． Th i s p ap er d e sign s t h i s mon it o n n g s y s t em t o c o l lec t a ll l i n d s o f c o n dit ion s i gn a ts o f t he e x c a v a t o r a nd f o r e c a s t it s f au tt s e ff e c t i v e ly．Ba s ed o n CAN bu s a n d ARM ， s i g n als a re c oll e c t ed t h r o u gh s en s o m an d t h e e x e c u t ab le program is de v e l o p ed t h r ou g h VB． Th e f u n c t ion o f t his s y s t em i s a c c omp l is h ed，t h e real- t i me mo nit o r i n g is f u lf il led a n d t h e wor k i n g pr o pe r t ie s a nd e c o n omi c be n e f it a re e n ha n c e d． ke y wor ds h y d r a uli c e xc a va t or ；CAN b u s；mon it o r in g s y s t em 0 引言 传统的液压监测 系统 主要采取 D C S 分散控制 系 统 ， 它仍需要一个中央计算机来集中地实现控制， 采用 的电缆比较多， 而 C A N总线， 既是一个开放通信网络， 又 是一种全分布控制系统， 它的出现得到了迅速的推广， 为 此 ， 在研究中引入现场总线技术。本文设计基于 C A N现 场总线的液压挖掘机状态监测系统， 能够实时监测机器运 行状态、 并显示输出其状态参数， 通过对状态参数的相关 数据进行 自动分析、 诊断， 进而预报故障， 查明原因并及时 掌握故障发展的趋势。 1 液压挖掘机状态监测系统要求 监测系统是通过安装在机器各个部位的传感器， 不断 监测主要工作部件的工作状态 ， 并判断状态参数是否正 常， 在超过规定值时 ， 发出声， 光报警等信号， 提醒操作人 员注意或采取相应措施。因此需综合考虑多种因素， 合理 规划 ， 下面给出一个实用的液压挖掘机状态监测系统应具 备的主要功能是 1 系统必须明确运行即时状态 ， 发动机转速、 机油压 力 、 液压油温等 。 2 系统必须在尽可能早的时间对故障或失效进行报 警并提示故障原因和发生故障的部位， 确保运转可靠。 3 系统必须能表达故 障与传感器信号 间的复杂 关系 。 4 系统必须具备多传感器信息融合的能力 ， 将来 自 不同的传感器组 、 人工输入等信息融合成一个综合的诊断 决策。 5 系统必须考虑液压挖掘机恶劣的工作环境对元件 故障或失效的影响。 6 系统所需的传感器数量应最少。 7 系统必须提供一个 良好的人机交互式界面， 方便 用户操作和输入从其他传感器得到的信息， 并考虑较高的 性 能价格 比。 8 系统的计算量不能太大， 可以适时地进行检测和 报警。 9 系统必须具备故障预测和趋势分析的功能。 2 国 内外基 于现场 总线液压 挖掘 机 监测 系统研究概况 2 ． 1 国外研 究现状 国外的液压挖掘机较早 的采用电子监测技术。例如 德国公司开发的B O R D电子监测系统， 能监测与液压挖掘 机作业过程和维修有关的全部重要参数。它利用微处理 器检查挖掘机作业数据 、 快速监测、 评估和显示所计算的 数据， 可识别发生故障和超出极限值的趋势， 在重大事故 前显示报警信息。德国的博世一 立士乐公 司研制带 C A N 总线接口的高性能阀和泵 ， 现场总线接 口是采用 C A N b u s ， 可以实现泵与阀与上位计算机以及其他智能单元的 通信。传感器制造商也对 C A N总线产生 了极大兴趣， 作者简介 王学慧 1 9 8 7 一 ， 女 ， 河北唐 山人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为机械电子工程 。 Ma c h i n e B u i l d i n g 8 Au to m a t io n ， 3 u n 2 0 1 3 ， 4 1 2 1 1 9 1 2 1 ， 1 3 6 1 1 9 信息技术 王学慧， 等 C A N现场总线在液压挖掘机状态监测系统中的应用 MT E公 司推出带 C A N总线接 口的四通道数据采集 系统 ， 每通道采样频率为 1 6 MH z ， 可存储2 MB数据。A ／ D转换 器为 1 4位， 通过 C A N总线可将采样通道扩展到 2 5 6个， 并可与带有 C A N总线接口的P C机进行数据交换。 2 ． 2 国 内研 究现状 国内研究液压挖掘机的状态监测与故障诊断系统方 面起步较晚。上海建筑机械厂和上海同济大学联合开发 研制了电子监控装置， 主要是对液压挖掘机的发动机和发 生故障频率比较高的系统进行监测， 对运行中的十二项参 数进行监测， 并以液晶屏幕显示监测结果， 对异常情况可 进行简单的故障诊断。 3 现场总线特点 3 ． 1 现场 总线 现场总线应当是应用在生产最底层的一种总线型拓 扑的网络， 它作为智能设备的联系纽带， 把挂接在总线上、 作为网络节点的智能设备连接为网络系统 ， 并进一步构成 自动化系统， 实现基本控制、 补偿计算 、 参数修改、 报警、 显 示、 监控 、 优化及控管一体化的综合 自动化功能。这是一 项集嵌入式系统、 控制、 计算机、 数字通信、 网络为一体化 的综合技术 。 从 2 0世纪 8 0年代现场总线技术才开始形成和发展， 在十几年的时间中， 已经出现了好几种现场总线技术走向 成熟 ， 如 F F 基金现场 总线 ， L o n wo r k s ， P R O HB U S ， C A N 等 ， 下面以 C A N为例， 说明一下现场总线的特点及其在液 压挖掘机监测 系统 中的适应性。 3 ．2 C A N 总线介绍 C A N总线 c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k 即控 制器局 域 网 ， 是 国际 上应用 最广泛 的现场 总线之 一。起先 ， C A N总线 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯， 在车载电子控制 装置 E C U之间交换信息， 形成汽车电子控制网络。 C A N总线是一种多主方式的串行通讯总线， ， 基本设 计规范要求有高的位速率， 高抗电磁干扰性， 而且能够检 测出产生的任何错误。当信号传输距离达到 1 0 k m时， C A N总线仍可提供高达 5 k b i t ／ s的数据传输速率。由于 C A N串行通讯总线具有这些特性， 它很 自然地在汽车、 制 造业以及航空工业中受到广泛应 用。 作为一种技术先进、 可靠性高、 功能完善、 成本合理的 远程网络通讯控制方式 ， C A N总线已被广泛应用到各个 自动化控制系统中。从高速的网络到低价位的多路接线 都可以使用 C A N总线。例如， 在汽车电子、 自动控制、 智 能大厦、 电力系统、 安防监控等各领域， C A N总线都具有 不可比拟的优越性。 3 ． 3 C AN总线主要特征 1 C A N是目前为止唯一有国际标准的现场总线。 2 C A N采用非破坏总线仲裁技术 ， 即使在网络负载 很重的情况下， 也不会网络瘫痪 ， 极高的总线利用率。 l 20 3 C A N的直接通信距离最远可达 1 0 k m 速率在 5 k b i t ／ s 以下 ； 通信速率最高可达 1 k b i t ／ s 此时通信距离 最长 为 4 0 k m 。 4 C A N节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出 的功能， 以使总线上其他节点的操作不受影响。 5 C A N总线具有较高的性价比， 结构简单， 器件容易 购置， 每个节点的价格较低， 而且开发技术容易握， 能充分 利用现有的单片机开发工具 。 由以上分析可以看到 C A N特别适合于挖掘机的状态监 测 ， 为此在液压挖掘机状态监测系统中采用了 C A N总线。 4 基 于 C AN 现 场 总线 的 液压 挖 掘 机状监测系统的实现 4 ． 1 系统总体构成 液压挖掘机状态监测系统硬件由微控制器 、 传感器， 信号调理电路 、 C A N通信和警报系统组成， 如图 1 所示。 为了克服机械仪表精度差 、 稳定性不高、 发热量大、 耗电大 等缺点 ， 系统中采用了稳定性能良好的液晶显示屏。不同 类型的传感器在液压挖掘机各部位上采集运行状态信号。 一 般来 自传感器的信号主要是模拟信号， 经过信号调理电 路对信号进行滤波， 放大处理之后， 送入具有 A ／ D转换功 能的温控制器单元的 I ／ O口。微控制器把采集的信号一 方面控制液晶显示屏显示各种信息， 另一方面， 通过微控 制器的 S P I 将采集的数据传递给 C A N控制器 MC P 2 5 1 5 ， 数据经 C A N总线传输到上位机， 用以实时监测液压挖掘 机的各个工作状态参数。 图 1 液压挖掘机状态监测系统 结构 图 4 ． 2 关键硬件设计 a 微控制器 的选择 本文所述是 以三星公 司推 出 的 3 C 2 4 4 0 A芯片 为 中 央控制单元。它是面向高端手持设备或一般应用而设计 的芯片。采用 A R M9 2 0 T内核， 具有低功耗、 高速的处理计 算功能等特点。其片内集成了通用 I ／ O端 口， 有 2 4个外 部中断端 口和多功能输入／ 输出端口； R T C中包含全面的 时钟特性 ， 秒、 分、 时、 日期， 具有报警中断和节拍 中断； 1 6 位看门狗定时器， 在定时器溢出时发生中断请求或系统复 位； 支持三种类型的 S T N L E D显示屏和不同尺寸的液晶 屏， 并兼容 2通道的S P I 协议 2 ． 1 1 版。 b C A N通信 C A N总线种种 优点 上文 已经详 细的介 绍 ， 本文 采用 了 M i c r o c h i p公司 的 M C P 2 5 1 5是一款独立 C A N协议控 制 器， 完全支持 C A N V 2 ． 0 B技术规范。该器件能发送与接 h t t p ffZ Z HD ． c h i n a j 。 u ma 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z HD c h a i n a j o u rna 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 信息技术 王学慧， 等 C A N现场总线在液压挖掘机状态监测系统中的应用 收标准和扩展数据帧以及远程帧。MC P 2 5 1 5自带的 2个 验收屏蔽寄存器和 6 个验收滤波寄存器可以滤掉不想要 的报文。它还包括 3个发送缓冲器和 2个接收缓冲器 ， 减 少了主芯片负担。MC P 2 5 1 5与 3 C 2 4 4 0 A的连接时通过 业界标准串行外设接 口 S P I实现 的。C A N总线收发器 T J A 1 0 5 0 是 P h i l i p s 公司生产的高速 C A N总线收发器。该 器件提供了 C A N控制器与物理总线之间的接 口以及对 C A N总线的差动发送和接功能。它具有的主要特性 ， 最 高速率可达 1 k b i t ／ s ， 具有强电磁干扰， 总线及电源及地之 间的短路保护等等。 12 传感器的选择 液压挖掘机需要实时监测的数据很多 ， 所以在液压挖 掘机上安装很多类型的传感器， 有温度传感器 水温和油 温 、 压力传感器、 转速传感器和角度传感器等。以下 以 温度传感器为例， 进行说明。程序实现的部分代码， 实现 不停循环监测温度值 ， 通过串口传出来， 如下。 v o i d w d v o i d ； v o i d D e l a y u n s i g n e d i n t X ； v o i d u w d v o i d ； v o i d D S 1 8 b 2 0 P R O v o i d i n t M a i n v o i d { Wh i l e 1 { D S 1 8 B 2 0 P R O ； w d ； u w d ； D e l a y 3 0 ； } R e t u m 0 ； } 实现精确延时函数， 代码如下 v o i d y s h s u n s i gne d i n t t ； v o i d y s h s u n s i g n i n t t { u n s i gn e d i nt i ； u n s i gne d i n t j ； n 1 t f o r i 0 ； i j ； i } 4 ． 3 软件 开发 本系统中的软件开发采用 V B 6 ． 0 。它采用了一种高 级的出错处理技术并且提供了种类多样的控件 ， 非常适合 开发液压挖掘机状态监测系统。V B主要完成了各芯片的 状态控制与管理， 各芯片之间的数据通信。系统的软件主 要包括以下几个模块 监控模块 ， 这是最重要的模块， 主要 功能既是实时的进行数据采集 ， 控制计算与数据处理、 优 化控制、 报警控制、 运行参数的显示画面、 参数修改等。维 护模块 ， 监测系统软硬件的运行状态 ， 提示系统是否需要 维修 ， 进行简单的诊断。数据管理模块， 进行一系列的文 Ma c h in e B u i l d i n g日 A u t o m a t i o n ， ”2 0 1 3 ， 4 1 2 1 1 9 1 2 1 ， 1 3 6 件管理， 数据库管理和存取历史记录。 5 液压挖掘机在线监测系统测试及 毒 士 田 皇 日 系统能实时的记录多个传感器所收集的记录 ， 以图形 或者是矩阵的形式表现出来。 图 2 ， 3 ， 4是液压挖掘机作业时各个参数显示曲线。 2 1 1 1 1 窖 时 言 若 两 液压挖 掘机在线监测 液压泵压力 ． ] f 、 ，一 t ／ s 图 2 液压 挖掘机液压泵压力 曲线 液压挖掘机在线监测斗杆液压缸进出口压力 ＼ 斗杆液压缸进出口压力1 一一 斗杆液压缸进出口压力2 r u 、 、 ， q 卜 一 姑 r1 ～ ～ f 一 、- √ l～ ～ t ／ s 图3 液压挖掘机斗杆液压缸进出口压力曲线 液压挖掘机在线监测转速 图形 6 结论 t ／ s 图 4 液压挖掘机转速 曲线 系统采用了高性能的嵌入式系统， 其具有丰富的片内 资源， 使外围设备得到了最简化， 体积小 ， 功能大。并且与 快速发展的 C A N现场总线技术相结合， 实现了对液压挖 掘机状态监测。本系统对机器运行状态、 并显示输出其状 态参数 ， 通过对状态参数的相关数据进行 自动分析、 诊断， 进而预报故障苗头， 最终实现减少对挖掘机进行拆卸， 大 大缩短其故障停机时间， 同时还能改善作业条件， 提高作 业效率和经济效益具有重要意义。 下转第 1 3 6页 1 2 1