筑养路机械典型控制系统Hesmor 控制器.docx
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筑养路机械典型控制系统Hesmor控制器
筑养路机械典型电液控制系统
1典型车型介绍
1.1平地机方案介绍（土石方机械设备）
1.2振动压路机方案介绍（压实机械设备）
1.3混凝土泵车方案介绍（水泥混凝土设备）
1.4沥青摊铺机方案介绍（沥青混凝土设备）
1.5全路面汽车起重机方案介绍（桥梁机械）
1.6旋挖钻机方案介绍（桥梁机械）
1.7掘进机方案介绍（隧道机械）
1.8桥梁检测车方案介绍（养护机械）
2主要参考文献和先关资料
土石方机械设备
第一节平地机电液控制系统方案
1.1车型介绍
平地机是一种以铲刀为主，配以其它多种可换作业装置，进行土地平整和整形作业的施工机械。
在公路施工中，主要用于路基的基底处理、松土、切边沟、刮坡或土表层剥离；在道路养护作业中，一般用于构筑、抢修道路中的平整作业和战备临时公路的修复，清除路面冰雪等。
平地机是国防工程、交通、矿山、水利农田基本建设等施工中的重要设备之一。
1.2系统组成及功能
平地机电液控制系统主要包括Hesmor控制器、Hesmor倾角传感器、HesmorIO扩展模块、Hesmor手柄、GPRS、超声波滑靴传感器、人机界面、发动机和变距器等数据传感器。
系统采用车辆专用的CANOPEN总线通讯技术，实现Hesmor控制器、IO扩展模块、倾角传感器、GPRS和人机界面之间的通讯。
系统使用双轴电控手柄取缔了现有的纯液压操控手柄操控模式，极大地简化了操作人员的操作强度。
采用国际先进的控制器、显示器、传感器和高效、科学的算法实现了对平地机的机电液一体化控制。
电气、液压等数据被采集到控制装置之中，采用CAN数据总线管理系统，可降低油耗及排放值，简化布线，使整车更加稳定、可靠、安全、操作方便。
平地机电液控制系统结构框图如图1所示
图1控制系统结构框图
电液系统主要实现功能：
1）铲刀自动调平功能
2）系统自动找平功能
3）GPRS定位及数据处理功能
4）发动机监控和功率匹配控制
5）系统各自由度动作的实现
6）系统故障自诊断和故障代码人机界面显示
1.3系统功能介绍
系统考虑到施工人员的安全和作业的质量与效率，要求电气控制具有安全、稳定、可靠等性能，便于操作和维护等效率。
当系统硬件Hesmor控制器、Hesmor倾角传感器、HesmorIO扩展模块及各传感器无故障时，才允许整车的各个动作。
1.3.1铲刀调平功能
1.3.1.1激光调平方法
平地机系统自动找平是整车智能化的最重要体现，该功能实现了平地机在工作行走的过程中自动的保持铲刀水平并自动的将作业面刮平。
此功能通过人机界面、倾角传感器、超声波滑靴传感器以及控制器中的复杂算法协调控制油缸来实现。
人机界面可以监控铲刀作业状态如铲刀相对水平面的倾斜角度、铲刀与参考面的高度、铲刀是否处于系统自动找平状态等，通过人机界面还可以实现对铲刀的部分控制。
倾角传感器用于测量铲刀与参考面的角度，通过倾角传感器传送的数据可以根据需要方便的控制铲刀让其与水平面保持任意角度。
超声波传感器用于探测铲刀与参考面或基准绳的相对高度，通过超声波传感器的测量、数据的传送和控制器的算法，在人机界面上可以时刻清晰的显示铲刀相对于基准绳的高度，通过人机界面还可以设定铲刀相对于基准绳的高度。
控制器采集的超声波传感器组信号、倾角传感器信号和人机界面信号，通过精确的算法可以快速、平稳的控制油缸进退而控制铲刀，实现平地机在工作行走的过程中自动的根据要求将作业面刮平。
此功能降低了对平地机操作手的要求、极大地提高了平地机的工作效率，这也将是未来平地机的发展趋势。
1.3.1.2激光调平方法
激光调平平地机是把激光和自动控制技术应用到平地铲的高技术产品,可应用于现代建筑工程和农业的土方搬移平整工程,是一种高效、高精度的土方施工设备。
目前,激光调平拖式平地机已在国外得到了广泛的应用,并积累了丰富的经验,与推土机、铲运机、自行式手动调平平地机等设备比较,在许多场合如大面积农田平整,激光拖式平地机更具有其成本低、效率高的特点。
图2激光调平示意图
激光发射装置由三角架固定在工地,发射器可转动,可在施工现场的上方构成水平或一定坡度的激光控制平面作为平整土地的参照面,由于是激光束构成的光学控制平面,故不受地形的影响和操作技术的干扰,并且具有范围大、精度高、操作方便等特点。
根据用户的不同需求,可选用不同的激光系统,其有效工作半径一般为小,并可选择水平或坡度发射器。
激光接收装置则安装在平地铲的桅杆上,接收激光信号并测出距标准高度的误差,将信号传至控制系统。
控制系统根据误差信号的大小,通过液压缸快速地调整铲刀高度,即使地面起伏不平,也可保证刀口按设定的平面刮削。
液压控制系统可以借用牵引车本身的液压系统,也可独立驱动。
后者不需要改造牵引机,通用性好。
液压系统要求反应速度快,控制精度高。
1.3.1.3电子型调平方法
目前，平地机上使用的电子调平电控系统的结构、原理等大体相同，仅在一些具体的技术问题处理上有所不同。
原理如图3所示，它由控制箱、横向斜度控制装置、纵向刮平装置及液压伺服装置等4部分组成。
控制箱位于驾驶室内，接收并传送各种信号。
驾驶员通过控制箱上的旋钮来设置刮刀高度和刮刀横向坡度。
控制箱上的仪表可以连续地显示实际作业中的刮平高度和斜度偏差。
控制箱上还有开关和状态显示，可随时打开或关闭整个电控系统，很容易实现手工操作和自动操作之间的转换。
图3电子式自动调平系统
横向斜度控制箱安装在牵引架上。
它由倾角传感器测量当前倾角，整个系统就像一个自动水平仪，连续不断地检测刮刀的横向坡度。
在控制箱上设定了斜度值后，如果实测的刮刀横向斜度与设置的斜度不同，信号立即传到液压伺服装置，控制升降油缸调节刮刀至合适的斜度。
纵向刮平控制装置安装在刮刀—端的背面，用于检测刮刀的一端在垂直方向上与刮刀基准的偏差。
其工作原理与横向控制装置基本相同。
它由倾角传感器、高度传感器、基准绳或轮式随动装置等组成。
图4所示为轮式随动装置式刮严控制装置。
方形连接套装在刮刀一侧的背面，连接整个装置的方形杆可插入套内，然后固定住。
整个装置可以从刮刀的一端换到另一端，拆装容易。
工作时轮子在基准面上被刮刀拖着滚动，轮子相对于刮刀上下跳动量直接传给刮子传感器上的摆杆，使用时使之绕摆轴转动，转动角由高度传感器测得。
转动角的大小反映了刮刀高度的变化，如果测得的高度与预先设定的高度存在偏差，通过电信号立即传给液压伺服装置，控制升降油缸调节刮刀高度至设置高度为止。
图4轮式随动装置
1.3.2GPRS数据处理
GRRS的英文全称为GeneralPacketRadioService,即通用分组无线业务。
GPRS采用分组交换技术，他可以让多个用户共享某些固定的信道资源。
现有的工程机械车辆GPRS的使用越来越光，主要应用操作权的远程设定，故障代码的远程监控及分析，重要数据的远程传输等。
平地机的使用GPRS的功能主要有：
1）远程操控配合GPRS进行实时定位；
2）发送引擎状态检测数据到服务器；
3）远程传输数据将发动机的转速，油温，水温，油压，总工作时间，总油耗，发电机电压，液压油不足报警，发动机故障报警等数据发送到服务器。
4）远程控制功能，公司可以随时对发动机和机械的主要功能进行远程控制，锁定，催缴费用等。
5）防拆报警，本功能要根据不同的车辆来锁定车辆的主要功能，当车载终端遭到破坏时其功能也不能正常使用。
6）远程修改开机密码，可以给机器设置密码，并进行远程修改。
很好的保护了机器的正确使用和防盗。
1.3.3系统各自由度动作的实现
平地机各自由度动作实现，之前大多数采用液压操控杆来实现，这对操控人员操作熟练程度有很高的要求，本系统采用Hesmor双轴电控手柄取代了之前的液压操控杆。
通过Hesmor双轴手柄动作进行系统各自由度动作的实现。
具体动作对应关系如下：
1）左手柄控制动作:
左侧铲刀升降、前推土板升降、铲刀回转（左转、右转）、前轮倾斜（左倾斜、右倾斜）、铲刀引出（左引出、右引出）
2）右手柄控制动作：
铲刀摆动（左摆动、右摆动）、车架铰接转向（左转、右转）、铲刀铲土角变化（前倾、后倾）、后松土器升降、右侧铲刀升降（上升、下降）倾斜）、铲刀引出（左引出、右引出）
手柄对应自由度动作过多情况下，通常采用手柄上面的按键复用来实现其多余自由度动作的实现。
1.3.4发动机控制及系统数据监控
系统通过人机界面对发动机及系统参数进行实时监控，主要用来监控发动机累计工作小时、转速、冷却液温度和机油压力、燃油液位、行走速度等系统参数，对如冷却液温度过高、机油压力低、制动压力低及水箱缺水提供图文报警，此外，还可以对车辆一些功能选择及时钟编辑通过文本显示功能键来设置完成；可选用指示灯用来对充电状态、PLC工作状态、系统报警等进行报警指示。
1.3.4.1发动机状态监控（J1939）
针对欧Ш标准的发动机，通过配置在发动机上的相关传感器获得发动机的状态数据。
将传感器输出的一些模拟量、开关量的信号通过发动机ECU，经CANBUS总线（J1939协议）与控制器进行通讯。
在显示器上动态显示出来，并设有报警区域，当显示数值达到报警区域时，控制器报警提示。
欧П标准的发动机则通过控制器直接采集配置在发动机上面的传感器数据，如机油压力、水温、油温、转速等信号。
控制器将采集到的信号通过显示器上动态显示出来，并设有报警区域，当显示数值达到报警区域时，控制器报警提示。
监控内容：
1）发动机转速
2）机油压力
3）冷却水温度
4）冷却水位
5）燃油液位
6）发动机工作小时
1.3.4.2发动机油门控制
针对欧Ш标准的发动机，发动机的油门控制可通过CANBUS总线（J1939协议）直接进行发动机的转速控制，当然也可以通过以下几种方式进行控制
1）油门踏板控制：
模拟量油门踏板（自复位）给出的电压信号通过控制器，经过CAN总线发送给总线式模拟量输出模块，再由模块输出模拟电压信号量直接控制发动机油门。
2）油门电位计控制：
油门电位计给出的电压信号接到控制器模拟量输入口，通过CANBUS总线发送给总线式模拟量输出模块，再由模块输出模拟电压信号量直接控制发动机油门。
油门电位计和油门踏板的转速命令都能够单独的控制发动机的转速，若当前都有输出信号，则执行较高转速信息的控制命令。
1.3.4.3发动机紧急停车控制
当出现紧急状况时，发动机需要急停，控制器接收到紧急停车信号时，将控制发动机转速信号置为零，同时控制所有的输出为零，停止所有危险动作。
待外部故障排除是，控制器才恢复发动机的控制及整车的动作。
1.3.5系统故障自诊断和故障代码液晶屏显示
1）发动机状态显示
发动机累计工作小时、转速、冷却液温度和机油压力、燃油液位等
2）液压系统状态显示
系统泵A、B口压力值大小。
3）设备状态显示
显示当前设备的运行装状态。
4）智能故障诊断和显示
故障提示出现故障的元件和位置。
5）各自由度动作显示
根据当前各自由度的动作，用图形显示。
6）维护和设定
提供参数标定和首选项设置界面。
可通过显示器对整个控制系统进行调试和标定。
压实机械设备
第一节振动压路机电液控系统方案
1.1车型介绍
压路机属于道路设备的范畴，广泛用于高等级公路、铁路、机场跑道、大坝、体育场等大型工程项目的填方压实作业，可以碾压沙性、半粘性及粘性土壤、路基稳定土及沥青混凝土路面层，种类按照压实原理可分为静碾压压路机、振动压路机、冲击压路机三种；按照碾压表面材质及形状可分为单钢轮、双钢轮、羊脚轮、橡胶轮压路机四种。
压路机是利用机械自重、振动或冲击等方法对被压实材料进行重复加载，以达到必须的强度、稳定性和平整度。
1.2系统组成及功能
压路机机控制系统如图1所示，主要包括Hesmor控制器、Hesmor手柄、测速传感器和人机界面等。
系统采用车辆专用的CANOPEN总线通讯技术，实现Hesmor控制器、手柄和人机界面之间的通讯。
系统采用Hesmor控制器、显示器、欧美先进的传感器和高效、科学的算法实现了对压路机的机电液一体化控制，提高了整车的工作效率、节能环保、操作轻便、和可靠耐用。
图1控制系统结构框图
系统主要实现功能：
1）行走控制；
2）转向控制；
3）手/自动调整振动幅度、频率；
4）路面压实度自动保存；
5）发动机实时监控；
6）系统故障自诊断和故障报警；
1.3系统功能介绍
1.3.1动作功能实现
振动压路机控制系统的功能繁多，逻辑关系复杂。
包括了振动控制、行走控制、转向控制、压实参数控制、故障诊断等多个子系统。
整个控制器部分由以上几个控制子系统按照一定的逻辑关系组成。
例如其中振动子系统包括振动系统工作模式控制、调频控制、调幅控制；调频控制包括振动轮选择和调频控制两项功能。
调频、调幅控制模块内嵌在模式选择控制模块中，这三个模块共同组成了调频调幅控制模块。
在主程序中，如果有紧急停车开关输入时，屏蔽振动泵变量阀电磁铁信号、屏蔽行走泵变量阀电磁铁信号同时令行驶卸荷阀失电，这样就停止了振动和行走模块的一切动作。
如果没有紧急停车信号输入，行驶模块中制动电磁阀通电制动，这时行驶系统压力开始上升，当压力达到启动压力时，制动电磁阀掉电停止制动，卸荷阀停止卸荷，控制系统进入振动控制模块和行走模块。
1.3.1.1动力系统
对启动马达、油门步进电机及断油电磁铁进行控制，实时监控发动机机转速、机油压力及冷却水温度。
启动控制：
在启动条件满足时（行走泵斜盘归零位），启动点火开关，由蓄电池为启动马达及断油电磁铁供电，当系统检测到发动机转速达到预置值时，断开启动马达电源。
转速控制：
传统的发动机转速调节是利用机械软轴直接施力于节气门来调速，其缺陷是发动机怠速不稳，导致燃油不完全燃烧，其次，调速的快慢也受限于操作员的经验。
本控制系统，直接通过开关设定转速值，同时由飞轮转速传感器测得脉冲信号作为反馈值，形成闭环控制回路，经过精确运算后，按一定的斜坡值输出高速脉冲驱油门电机，进而平稳调节发动机转速，自动调整电机进给量，达到电机的精确定位及在怠速状态下的恒转速控制要求。
1.3.1.2 行走系统
在国内同类产品首创全液压驱动，速度快、行驶平稳，可达18Km/h，满足快速转场的要求；双操作手柄电控无级调速，实现机电液一体化控制，调速及换向便捷，制动迅速，大大提高操作舒适性和安全性。
恒速控制：
首先由行驶手柄进行行走速度值及方向设定，同时可以通过显示器的显示窗口读取所设定的行驶速度值，控制器便得到行走恒速控制的指令，行走电控系统此时处于PID的闭环控制之中。
行驶手柄中的电位器所输入的设定值（模拟量）作为系统的初始给定值，经控制器采集后送入PID调节器进行运算，通过PID的参数调节可以让机器获得一个较好的动态响应曲线，机器动作以后，由设置在行走马达上的测速传感器将实时转速值（高速脉冲值）通过控制器的高速计数器送入控制器，该传感器提供的反馈信号在进入闭环运算之前，先进行算术平均值取样处理，合成为一个总的反馈信号提供给PID调节器，最终由PID输出一个PWM调节值给行走电比例泵，通过液压系统和相应的液压行走马达驱动压路机跟随速度设定值以恒定的速度作业。
在以上恒速控制程序调试过程中，由于轮胎压路机本身质量大，行走惯量大，为使机器获得一个较好的动态响应曲线，须对PID输出调节值限幅，并且依据不同的设定值区间（两级以上）进行适当调整。
行驶制动：
在行驶手柄回中时，控制器便得到停车指令，立即将PID调节值置零，同时，输出PWM调节值（脉宽）自动按某一斜坡值递减至零，达到系统平稳停车的目的。
紧急制动：
在按下紧停按钮后，一方面，通过外部的物理开关关闭所有电磁阀电源；另一方面，将开关量送入控制器，控制器得到指令后，立即关闭PID调节器，同时将其输入/输出值清零，并输出一个开关量信号给报警指示灯进行警示，系统进入紧急停车状态。
1.3.1.3 洒水系统
洒水系统对施工质量的好坏有着直接影响，因此，在控制方面既要保证洒水流量的线性可调，又要保证在最小流量水喷洒的雾化效果。
手动调节：
在施工阶段对洒水流量要求不是很严格或产品调试时，可以选择手动功能。
直接通过开关进行流量值设定，控制器根据开关接通的时间或次数换算成对应的流量值，经控制器输出PWM信号直接驱动水泵电机，线性控制洒水流量。
自动调节：
基于压路机行走速度值，经过控制器输出PWM信号直接驱动水泵电机，以达到最佳洒水流量，既不会因为水流过小使轮胎粘沥青，也不致水流过大影响沥青温度。
1.3.2发动机监控
由文本显示器及指示灯组成，主要用来监控发动机累计工作小时、转速、冷却液温度和机油压力、燃油液位、行走速度等系统参数，对如冷却液温度过高、机油压力低、制动压力低及水箱缺水提供图文报警，此外，还可以对机器一些功能选择及时钟编辑通过文本显示功能键来设置完成；指示灯则用来对充电状态、PLC工作状态、系统报警等进行报警指示。
1.3.2.1发动机状态监控（J1939）
针对欧Ш标准的发动机，通过配置在发动机上的相关传感器获得发动机的状态数据。
将传感器输出的一些模拟量、开关量的信号通过发动机ECU，经CANBUS总线（J1939协议）与控制器进行通讯。
在显示器上动态显示出来，并设有报警区域，当显示数值达到报警区域时，控制器报警提示。
欧П标准的发动机则通过控制器直接采集配置在发动机上面的传感器数据，如机油压力、水温、油温、转速等信号。
控制器将采集到的信号通过显示器上动态显示出来，并设有报警区域，当显示数值达到报警区域时，控制器报警提示。
监控内容：
1）发动机转速
2）机油压力
3）冷却水温度
4）冷却水位
5）燃油液位
6）发动机工作小时
1.3.2.2发动机油门控制
针对欧Ш标准的发动机，发动机的油门控制可通过CANBUS总线（J1939协议）直接进行发动机的转速控制，当然也可以通过以下几种方式进行控制。
1）油门踏板控制：
模拟量油门踏板（自复位）给出的电压信号通过控制器，经过CAN总线发送给总线式模拟量输出模块，再由模块输出模拟电压信号量直接控制发动机油门。
2）油门电位计控制：
油门电位计给出的电压信号接到控制器模拟量输入口，通过CANBUS总线发送给总线式模拟量输出模块，再由模块输出模拟电压信号量直接控制发动机油门。
油门电位计和油门踏板的转速命令都能够单独的控制发动机的转速，若当前都有输出信号，则执行较高转速信息的控制命令。
1.3.3系统故障自诊断和故障代码液晶屏显示
1）发动机状态显示
发动机累计工作小时、转速、冷却液温度和机油压力、燃油液位等
2）液压系统状态显示
系统泵A、B口压力值大小。
3）设备状态显示
显示当前设备的运行装状态，振动频率，幅度等。
4）智能故障诊断和显示
故障提示出现故障的元件和位置。
5）各自由度动作显示
根据当前各自由度的动作，用图形显示。
6）维护和设定
提供参数标定和首选项设置界面。
可通过显示器对整个控制系统进行调试和标定
水泥混凝土设备
第一节混凝土泵车电液控系统方案
1．1车型介绍
混凝土泵车是在载重汽车底盘上进行改造而成的，它是在底盘上安装有运动和动力传动装置、泵送和搅拌装置、布料装置以及其它一些辅助装置。
1.2系统组成及功能
混泥土泵车电液控制系统结构框图如图1所示，主要包括Hesmor控制器、HesmorIO扩展模块、Hesmor压力变送器、、Hesmor模拟量输出模块、Hesmor多圈绝对式编码器GPRS、人机界面、无线遥控器及接近开关等传感器。
系统采用车辆专用的CANOPEN总线通讯技术，实现Hesmor控制器、IO扩展模块、多圈绝对式编码器、GPRS和人机界面之间的通讯。
系统采用国际先进的控制器、显示器、传感器和高效、科学的算法实现了对混泥土泵车的机电液一体化控制。
电气、液压等数据被采集到控制装置之中，采用CAN数据总线管理系统，可降低油耗及排放值，简化布线，使整车更加稳定、可靠、安全、操作方便。
图1控制系统结构框图
电液系统主要实现功能：
1）支腿操作控制；
2）臂架动作的无线遥控（大臂、中臂、小臂）；
3）泵送控制；
4）发动机转速控制
5）臂架定轨迹运动；
6）发动机监控和节能管理；
7）系统工作数据记录；
8）系统故障自诊断和故障代码液晶屏显示；
1.3系统功能介绍
1.3.1动力系统部分
1.3.1.1发动机状态监控（J1939）
通过配置在发动机上的相关传感器获得发动机的状态数据。
将传感器输出的一些模拟量、开关量的信号通过发动机ECU，经CANBUS总线（J1939协议）与控制器进行通讯。
在显示器上动态显示出来，并设有报警区域，当显示数值达到报警区域时，控制器报警提示。
监控内容：
1）发动机转速
2）机油压力
3）冷却水温度
4）冷却水位
5）燃油液位
6）发动机工作小时
1.3.1.2发动机油门控制
1）油门踏板控制
双模量油门踏板（自复位）给出的电压信号通过控制器，经过CAN总线发送给总线式模拟量输出模块，再由模块输出模拟电压信号量直接控制发动机油门。
2）油门电位计控制
油门电位计给出的电压信号接到控制器模拟量输入口，通过CANBUS总线发送给总线式模拟量输出模块，再由模块输出模拟电压信号量直接控制发动机油门。
说明：
油门电位计和油门踏板的转速命令都能够单独的控制发动机的转速，若当前都有输出信号，则执行较高转速信息的控制命令。
3）发动机紧急停车控制
当出现紧急状况时，发动机需要急停，在发动机紧急停车的同时，控制器接收到一个信号，所有控制器输出置零。
4）发动机转速控制
本系统采用了高精度的CAN转模拟量输出控制方式，通过控制面板上的发动机控制盘来给定相应的转速，发动机转速的高低由给出模拟量大小决定，输出电压在0.3V～2.68V之间，比传统的自动拉杆油门反应速度快，控制精度更高，更有利于节能。
通过转速传感器监控发动机转速,实时调控:
当负载变化,引起发动机转速变化时,控制器自动调整泵功率和柴油机转速，实现闭环控制.使发动机始终运行在最佳状态。
1.3.2泵送控制系统部分
1.3.2.1液压系统状态监控
控制器通过油压传感器采集泵送压力、各油路压力，并在显示界面上显示；也作为系统功率控制和臂架控制的一个参考依据。
1.3.2.2极限载荷控制
控制系统根据当前发动机的转速变化，判断发动机转速的失速状况。
如果失速过大，则控制系统自动调节（减小）工作泵比例电磁阀，降低泵的功率，使发动机的输出功率和负载功率相匹配，保障发动机处于较佳的工作状态。
1.3.2.3泵送动作的逻辑控制
根据控制要求的动作逻辑，加以完善的保护功能，保证泵送动作的可靠。
自动泵送及反泵功能，在每个混凝土活塞缸的底部都安装的有接近开关。
当活塞到达到底部时，接近开关给控制器一个脉冲信号，控制器从而实现摆缸及液压油缸的自动换向。
控制器可以直接对电磁换向阀、电磁比例阀进行控制，增加了控制系统的可靠性和准确性。
当在自动泵送状态时，电磁比例阀一直处于设定状态，手动调节时，通过调节泵功率来控制输送流量和扬程。
1.3.3臂架控制系统部分
1）回转角度检测
通过回转最大、最小限位信号检测回转最大最小角度。
2）臂架伸缩控制
臂架伸缩的控制通过无线遥控器的来遥控的置号，控制器检
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