工程机械智能化控制器研究.pdf

-E q u ip m e n t M a n a g e m e n t&M a in t e n a n c e T e c h n o lo g y*i 032&-*a*RMCM工程机械智能化控制器研究王国 庆，刘洁，张宗涛，贺小平，路志军，杨宝鸿WA N G G u o-cl i n g,L I U J ie,Z H A N G Z o n g-t a o,H E X ia o-p i n g,L U Z h i-j u n,Y AN G B a o-h o n g长安大学 工程机械 学院，陕西 西安 7 1 0 0 6 4S c h o o l o f E n g i n e e r in g Ma c h i n e ry,C h a n g a n U n iv e r s it y,Va n 7 1 0 0 6 4,S h a a n x i,C h i n a山 王.1I 为了解决国内工程机械控制器市场几乎为国外厂商所垄断的问题，在分析目 前主流控制器现状的基础上，提出了完全 自主知识产权的工程机械智能化控制器的完整结构，并对涉及的多核并行管理、具备完整驱动能力的硬件设计及包括集成开发环境在内的软件设计等关键核心技术进行了研究。研究分析得出:所提出的体系结构是完全可行的，同时，它还具有完全的知识产权。I必皿翔目扭】T o s o lv e t h e p r o b le m t h a t t h e m a r k e t o f c o n s t r u c t io n m a c h in e ry c o n t r o lle r is mo n o p o liz e d b y t h e v e n-d o r s o v e r s e a,b a s e d o n t h e a n a ly s i s o f t h e p r e s e n t p o p u la r c o n t r o l le r s t a t u s q u o,t h e c o mp l e t e s t r u c t u r e o f c o n s t r u c-t io n m a c h i n e ry i n t e l l ig e n t c o n t r o l le r wh ic h h a s p r o p r ie t a ry i n t e l le c t u a l p r o p e r t y is p r o p o s e d,a n d t h e k e y t e c h n o lo g ie ss u c h a s mu lt i-c o r e p a r a l l e l ma n a g e me n t,h a r d wa r e d e s ig n wit h d r iv e a b i l it y a n d s o f t wa r e d e s ig n i n c lu d i n g I DE a r es t u d ie d.T h e a r c h it e c t u r e r e f e r r e d is f e a s i b le a n d h a s c o mp le t e i n t e l le c t u a l p r o p e rt y.皿 3 月 川 自主知识产权;工程机械;控制器;体系结构【皿弓皿泣公企州 p r o p r ie t a ry i n t e l l e c t u a l p r o p e rt y;c o n s t r u c t io n ma c h i n e ry;c o n t r o lle r;a r c h it e c t u r e中图分类 号:U4 1 5.5文 献标 识码:B文 章 编 号:1 0 0 0-0 3 3 X(2 0 0 8)0 3-0 0 7 3-0 3口 引言 工程机械控制器好比是人的大脑，是工程机械的核心部件之一。它通过各种安装在动力系统、执行机构的传感器，感知系统的运行状态，以用户的预期运动为目标，由其内部的控制算法实现。由于工程机械功率大、载荷变化剧烈、运行环境恶劣，其控制器的软件和硬件设计难度很大，尤其是国内的控制器几乎没有自主知识产权，市场已被美国、欧洲等国家和地区的产品垄断。对于同类型的工程机械，在动力系统和执行机构性能接近时，控制器性能的好坏是设备性能的决定因素，同时也是提升设备利润率的关键环节。目前国内工程机械中，即使是采用进口发动机、进口液压系统的设备，其市场售价也仅为进口设备的1/4-1/2。然而有的设备虽也采用了进口控制器，可以说除了结构件是国产的，其他的全部是进口的，但性能和利润率仍远远低于进 口设备。出现这一现象的原因在于进口控制器只允许用户在其上进行二次开发，而不暴露内部特性，国内企业无法得知核心技术，因而在开发时常产生相同硬件条件下整机性能差异过大的困惑。工程机械装备能力是一个国家工业能力的标志，其关键技术的完全自主知识产权化是至关重要的。尤其是目前工程机械的机器人化对其自动化要求更高，而在作为“大脑”的控制器技术上取得突破，将对提高国内企业的竞争力、提升效益有比较重要的意义。金项目:陕西省自然科学项目(2 0 0 5 E 2 0 6)目 国内外控制器技术现状 从最初的手动控制到目前的专用控制器，工程机械控制系统的发展主要取决于设备的复杂性和精确性。2 0 世纪8 0-9 0 年代，P L C(可编程控制器)成为国外工程机械控制器的主流，具有体积小、可靠性高、通用性强、成本较低、软硬件开发周期短、安装维护简便、在工业现场抗干扰能力强的特点。但随着工程机械工况越来越复杂，P L C 的顺序控制能力已不能适应这一情况，只能被低端和部分中端产品使用，专用工程机械控制器由于可以满足 日益增强的自动化、智能化需求逐渐成为主流 1-4 0 目前 中国工程机械控制器市场几乎全部 为国外产品所占据，主要品牌有:力士乐(德国),E P E C(芬兰)、西门子(德 7 3-州万方数据口，.月口.月设备管理&维修技术E q u i p m e n t M a n a g e m e n t&M a i n t e n a n c e T e c h n o l o g y_.-.匕.-.一.哪用，.国),I N T E R C O N T R O L 等。力士乐公司开发的控制器中M C系列微控制器在工程机械领域应用较广。M C 微控制器采用西门子1 6 位微处理器C 1 6 7，硬件分为M C 6,M C 7,M C 8 共3 大类，主要区别是输入、输出(v 0)点数及内部存储器容量大小不同;通过安装不同的控制软件，可应用于摊铺机、铣刨机、挖掘机、履带式推土机、清扫车等工程机械。具体应用机型有:长沙中联重科的B G 2 0 0(冷铁刨机、常林L T U 7 5 多功能摊铺机及T I T A N 4 2 2,T I T A N 4 2 3 等。西门子S 7-2 0 0 系列P L C 可用于各种场合中的检测、监测及控制的自动化，可提供4 个不同基本型号的8 种C P U。具体应用机型有三一重工的Y L 2 5 C 型全液压轮胎压路机，还有部分小型铣刨机也采用了这种P L C o 芬兰E P E C 公司提供的E P E C 2 0 0 0 系列模块是用于工程机械的专用车载模块，适用于恶劣工作环境的防震、防水、防尘。具有宽温、多点P WM输出、驱动能力强、各输出点具有短路和过载保护、配有C A N 通信接口以及杭电磁干扰等特点，特别适用于 电一 液控制系统，其控制单元程序编写简单。P L C 开放式的应用程序首先通过在Wi n d o w s 环境下运行的C o D e 即，编程工具开发和调试，然后通过C A N 总线下载到控制单元中。C o D e S y s 是符合I E C 6 1 1 3 1-3 标准的P L C 编程环境，国内使用较多的是2 0 2 3 模块。美国萨澳公司(S A U E R-S U N D S T R A N D)的S 1 1 微控制器应用于西筑L T 1 2 0 0 型摊铺机;I N T E R C O N T R O L 公司移动车辆控制器等应用于陕西宏大公司的铣刨机。国内产品中S Y M C(S A N Y M o t i o n C o n t r o ll e r)控制器是三一重工于2 0 0 6 年推出的工程机械专用运动控制器。S Y MC 控制器应用于三一重工的泵车、起重机、摊铺机、小挖等产品。国内高校和科研院所也在这方面不懈努力，但大多数是在国外产品的基础上进行的二次开发，部分在自主产权方面做了很大努力，但由于各方面的限制，还未见到与进口控制器性能相当的产品推出。由上述国内外研究现状分析可以看出，国外的控制器硬件平台处于2 0 世纪9 0 年代的1 6 位C P U 水平，开发环境大部分基于P L C 的开发模式(只有I N T E R C O N T R O L 的控制器可以采用C 语言编程，以完成复杂的控制);有些控制器内部没有实时操作系统，这一缺点也限制了其控制能力。但即便如此，核心技术的优势使其仍然占 据了国内的绝大部分市场，所以实现这方面的突破是非常紧迫的。由以上存在的问题可以得出工程机械控制器的主要研究方向应该集中在新的硬件平台、整体多任务的调度和规划、集成开发环境(I D E)、实时操作系统及各种控制库等方面。#9MSIC,g.(+90JCeimIAiil io 0,CAN,USB,T 485,422,232任意模拟信号输出控制A S I C控制 A S I 几模拟量和数字量输入调理模块并行管理 AS I C通讯接口，C A N,U S B,4 8 5,4 2 2,2 3 2显示接 口i JXrb9FL6#LcS3X-559fiaj#r-.tB#01jatiM iligm9 -VAtfM lo0sf&0i If0i0f )XAP SAW i f 5x5P1I E G 7(rte,E MC性能，高环境适应性的封装)最小功能实现的抢占式与时间片轮式实时操作系统通用控制算法库专业机种算法库信号处理算法库故障诊断 知识 与算法库 1 D E 环境图形化开发模式C+开发模式图 1 C M i C的 结构 原 理与控制相关的并行运行规划、异常情况管理等高端功能。(2)控制器的外围通讯接口，数据采集系统，故障诊断的主动激励系统，数字量、模拟量I/O 等。(3)多核控制器操作系统的完全实时性，实现抢占式和时间片轮，不但可以满足多任务的要求，而且可以很好地解决显示器的分时问题。(4)功能完善的图形化开发平台，控制器应用的基础，汇集了 相关特定应用的经验总结，是一个知识库而非数据库，允许用户通过图形化语言输入用户程序，也可以使用C+编制程序。(5)拥有针对工程机械控制的各种高级应用算法模块，如摊铺机、铣刨机的功率控制算法等。(6)能够适应恶劣工况的控制器封装，具有高的E M C 性能，满足I P 6 7 等级要求。目 C MI C 的体系结构和关键技术图1 为C M I C 的基本结构，主要包括以下几个方面的功能。(1)多核、并行硬件平台所涉及的A S I C 芯片，内部固化了圈 鱼【困 必 1 且弱 派挂 睡芳 轰 石邑 关键技术主要有以下几点。(1)多核硬件平台的并行控制问题，采用A S I C 的方法来解决。(2)目前已能实现8 个任务的最小系统，目标是达到1 6个串行同步和1 2 个并行任务，能很好地解决抢占式和时间片轮的统一编程 问题。(3)具有能够实现仿真，单步、断点等用户程序的调试，并且能够采用图形或c+语言 的编程 方式的功能完善的I D E(集成化开发环境)。(4)为满足工程机械的控制要求，要有完整的通讯和控制接口，完善硬件功能。一7 4万方数据一 E q u ip m e n t M a n a g e m e n t&M a in t e n a n c e T e c h n o lo g y f$*M&-*a*RM CM目 C MI C 的主要技*#r f 握 (1)多核并行A S I C 运行频率6 0 0 M H z，能够同时规划1 2 个并行任务。(2)通讯接口 3 个C A N 总线(1 个用于发动机J 1 9 3 9),6 个R S 2 3 2(实现与数字化传感器、G P S,G P R S 等的通讯),4 个R S 4 8 5/4 2 2,1 个以太网接口(用于网络控制与远程升级、故障诊断等)。(3)实时计数器3 2 位，共6 个。(4)输入输出口 1 6 通道1 6 位模拟信号采集，高速A D C,输入。-1 0 V，完善的高精度调理前端;6 通道1 2 位任意信号波形输出，实现主要故障诊断的在线激励;1 6 通道P WM(可扩展到3 2 通道)，每个通道电流最大为3.5 A;1 6 通道数字量(可扩展至犯通道)。(5)专用液压、电机控制模块。(6)存储空间用户程序2 M B,数据存储1 2 8 M B(可以扩展)。(7)电源1 2/2 4 V 直流，电源监控，过载保护，用户数据独立电池保护。(8)封装I P 6 7 等级，符合美国U L 认证的E M C 性能要求，与进口控制器相同的安装接口.有利于市场兼容。支持以 I E C 6 1 1 3 1-3 为标准的梯形图语言输入、S T 结构化文本输入方法。该I D E 支持用户程序的单步、断点调试及离线仿真。实现1 6 个串行同步任务和1 2 个并行任务的具有抢占式和时间片轮的紧凑型实时操作系统。(3)通用控制算法库、专业控制算法库及故障诊断知识库，允许用户将自己的知识添加入库，有利于用户 自身的知识积 累。(1)I D E 可以方便地为控制器编写用户程序，输入方式为图形化、C 十 十 语言编程模式，为了与目前市场相适应，还口 结语 工程机械智能化控制器在掌握关键核心技术 的基础上进行开发，具备完全自主的知识产权，设计的性能指标预期高于同类进口产品，是一种很有发展前景的控制器。参考文献:1 J康存峰，杨建武，费仁元，等.开放式P C 型运动控制器的研究1 l.中 国机械工程，2 0 0 4,1 5(9):8 0 0-8 0 2.2 l杨帆，侯哲生一 种基于P L C 的单抽运动控制器日 .吉林化工学院 学报，2 0 0 1,1 8(2):4 4-4 6.3 l吴宏，蒋仕龙，龚小云，等.运动拉制器的现状和发展口 .制造技术 与机床，2 0 0 4,5 4(1):2 4-2 6.4 l张承瑞，王恒，武洪恩.基于D S P-U S B 的运动控制器的开发和应 用口 .山东大学学报:工学版，2 0 0 3,3 3(4):3 8 6-3 8 9.收 稿 日期:2 0 0 8-0 1-1 7 【贵 任 编 辑:谭 忠 华 稗，111!1!，11!1!111!，!配比 I 与 I级配配比1 呈 计与级配调试技木服务 (电算程序技术咨询技 术转让)配比 I 与 I级配一步到位、一 目了然、随意直观五大功能切实为各类型搅拌设备现场解决配比与级配难题1.配比设计:根据原材料或热料仓筛分结果，一键单击精确速解设计或生产配比(级配居中)。2.级配调试:利用级配图表和配比微调按钮，图表联动直观调试任意型理想级配(配比同步)。3.级配修正:根据成品料取样抽提筛分结果，全盘皆活稳妥修正变异料生产配比(级配趋中)。4.级配检验:根据成品料取样抽提筛分结果，研判级配偏粗偏细透视其超标与否(智能解析)。5.数据处理:根据配料示值或抽提筛分数据，自动计算级配数据并绘制级配曲线(级配监测)。*.附加功能:何时确需更换筛网何时确需更换原料何时确需计最校准等据此查验切实可靠。气 核心提示:配比设计 级配调试 数据处理 过程控制 总量检验;模板式指数坐标规范化。气 显著作用:搅拌设备生产级配符合目标级配;原材料物尽其用;实验室级配监管上档次。气 郑重承诺:设计便捷精确级配吻合到位无可超越;成品料优质高产旧路修补无级配疤痕。地址:西安市南二环路中段长安大学校本部4 2 2 信箱(7 1 0 0 6 4)电话:1 3 9 9 1 8 5 9 7 5 8(左文军)传x.0 2 9-8 2 3 3 4 6 7 4月峭，口，刁 门，口 月 困心门 叹，峨 曰七，嘴 曰 月 卜洲，目刀嘴 目，.司 月.，.劝 月 峨，心 门 二.心 月 二.月 匀目月 弓，峭 峭.，嘴 曰.，峭 门.，目 M，目 M，叫 洲刀叫 洲弓，心 闷 口困峭，.，峭 闷 口，峭 闷 口困目叫 弓翻 肠 心 曰 刀叫 洲二.嘴 曰二.心 月 二.刁 门 二，。月 弓翻.心 叫.目 卜。弓 弓 翻 巨 心 月 七1:二，口 二，二，二，二，:二，r，J广11111111111111;，1111缸7 5.万方数据