2电控履带起重机电气控制原理.docx

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2电控履带起重机电气控制原理

电控履带起重机电气控制原理

1.电控系统的概念

履带起重机的主要运行机构如起升、回转、变幅、行走等机构，这些机构中的泵、阀、马达的运行方式主要由电信号驱动的，而这些电信号可能有相当复杂的逻辑关系，需要经过可编程控制器控制的，则称此类履带起重机液压系统的控制为电控系统。

电控系统最明显的标志之一是有控制器的参与。

中大吨位的履带起重机一般采用电控系统，如100吨以上的系统，主要的目的在于简化电路通道，实现一些复杂的控制，如电磁阀的精确流量控制、制动器的延时制动、延时打开等功能，同时包括发动机的一部分控制，实现发动机特殊的功能。

2.电控系统的控制框图

电控系统主要的控制点在于液压发动机方面的点数，控制点比较多，控制逻辑比较复杂。

控制系统可分为6个主要的控制系统模块，如图1所示。

分别为：

1）主控制系统（MCU）

2）人机界面控制系统（HMI）

3）工作操作系统（OS）

4）力限器控制系统（LLS）

5）传感器及限位开关分系统模块（SS）

6）发动机控制分系统模块（ECS）

图1电控系统控制框图

电控系统的核心为可编程的微控制器（MCU）和人机界面（HMI）。

MCU与HMI通过CAN总线通讯，交换数据。

系统中的按钮、开关等部件提供开关量信号，电位器、传感器等提供模拟量信号，分别通过开关量及模拟量输入口进入MCU。

MCU经过内部计算处理后，通过输出口控制液压系统中的比例电磁阀、开关电磁阀及指示装置等。

操作者可通过HMI的显示屏查看起重机的各项工作参数，并通过HMI上的按键配合显示菜单来输入设定参数。

3.典型电气布置图简介

以DEMAG起重机为例，其电气系统多采用分-主-分的分布方式，如图2所示。

所有控制器都放置于驾驶室电气柜内，然后在转台、下车、臂架等部位布置多个分线盒，实现电气元器件从分散到集中于最近的分线盒，分线盒再到驾驶室实现分线，线路简单明了，很值得我们设计借鉴。

图2分-主-分式系统

与之相比，国产履带起重机采用大多是集中式的设计，转台、臂架上的所有元件都从电气元件本体直接连接到驾驶室内，导致驾驶室尾部出口处的线缆特别“粗壮”，当驾驶室进行旋转或俯仰动作时，就可能对线缆产生破坏性影响；同时进入驾驶室的线束太多，导致驾驶室电气柜“臃肿不堪”，更增加了分线的难度。

对比集中式和分布式系统的特点，我们不难看出分布式系统的优势，分布式设计将是大吨位电气系统设计的一个发展趋势。

更进一步讲，若在图2所示的分线盒中装一个控制器，将就近的开关量信号直接转化为总线信号输出，各个控制器之间采用大容量数据总线进行通讯，线路就更加简化了。

但目前这样的设计还比较少，可能由于大吨位履带起重机的设计才刚开始，设计思维还局限于小吨位的开发设计模式中；而且单个控制器的成本要远大于线缆的成本，这也是一个重要原因。

4.主要元件介绍

1）操作手柄，采用电比例手柄，一般有电位计型和CAN总线型，两者在外形上基本没有区别，如图3所示。

主要的区别在于电位计型的手柄输出是模拟量信号，如0-5V信号，因此，一个十字手柄就相当于两个电位计输出，如图4所示。

总线型手柄的输出为CAN总线形式，内部的电位计信号已经做了处理，转换成总线型再输出。

因此，在接线上就省却了一些麻烦，输出精度更高，只需连接四根线即可，包括电源、地、CAN_H、CAN_L。

图3手柄的外形图

图4电位计型手柄的原理

2）脚踏板，用于控制发动机油门，如图5所示。

输出形式大部分为电位计型，原理同手柄一样。

图5油门踏板图片

3）遥控器，基本采用无线遥控。

主要用于自装拆的相关电磁阀的控制，如支腿油缸升降控制、履带安装油缸、臂架根轴穿销油缸等。

遥控器的设计主要是方便操作人员近距离观察和接触操作元件，更加安全和可靠；如图6所示。

图6遥控系统

4）力矩限制器系统，由力传感器、角度传感器、主机及显示器组成一个完整的一个系统。

主机将力信号和角度信号进行一定的运算，得到当前的幅度和臂长情况下的真实载荷值，然后与已经存储于主机内的额定载荷值进行比较，得到载荷率，并输出相应的显示信息，如95%黄色预警，100%超载红色报警信息等，通过输出开关量信号给电气系统，然后电气系统切段相应的电磁阀来控制动作的执行，基本过程如图7所示。

图7力限器动作基本过程

5）控制器：

微控制器是系统中的核心，提供与液压系统中电磁阀等控制元件的主要硬件接口，完成主要的数据处理和控制算法任务。

考虑因素包括高振动冲击、电磁兼容性、短路与过载保护、低温、高温、温度变化剧烈和高湿度等。

目前市场上主要有：

EPEC3G系列、RexrothRC系列、HirschmannIFlEX5系列控制器，都可以满足基本的要求，如图8所示。

EPEC3GREXROTHRCHirschmannIFLEX5

图8目前市面上主流的控制器模块

6）人机界面模块

人机界面模块为操作者提供一个可视化的信息界面，同时操作者根据显示内容通过键盘操作实现对系统的参数设定、信息查询和动作控制等任务。

通常采用液晶图形显示器，模块具有高的EMC抗干扰能力、宽的工作温度范围以及抗冲击振动能力，适合车载应用。

具有PLC功能，提供方便的图形、变量及控制功能的开发工具，支持LD和C语言开发。

目前市场上较成熟的工程机械用显示器有：

TTCVisionST104、RexrothDI2、HirschmannSK2001大屏幕彩显等，分别与相应的控制器配套使用，都具有宽温高亮耐高震、防水耐冲击等特点，适合于工程机械用。

REXROTHDI3TTCVisionHirschmannIK2001

图9显示器模块

7）发动机控制模块（发动机自带）

发动机为电控发动机，其配套的控制模块具有SAEJ1939总线接口，可通过其进行发动机的常规控制（如启动、停止和调速等），并可检测发动机的各项状态（如水温、机油压力等）。

通过J1939接口与系统的通讯，可将发动机的控制融合到系统中，实现更方便和优化的发动机控制和运行状态信息显示。

图10发动机模块

8）其他模块

包括远程监控GPRS/GPS模块，视频监视系统模块、数据存储模块等，都是根据用户的选择来配置，根据不同的客户而定制，满足不同客户对产品的不同需求。

图11GPRS模块

图12视频监视系统

9）安全装置介绍：

[1]力限器超载控制，如上述的力限器功能，力限器系统会在后面有一章详细的专门介绍。

[2]臂架上限位、下限位、防后倾控制，防止臂架的后倾。

中大吨位一般采用油缸防后倾，可以在液压油路中进行设计，使防后倾的力量可调。

主臂防后倾油缸图片如图15所示。

一般在油缸的顶部都有限位开关，作为电气限位的最后一道控制，如图16所示。

主臂防后倾油缸

超起防后倾油缸

图15防后倾装置

图16油缸防后倾限位开关

[3]主钩、副钩过卷控制，防止吊钩碰到臂架头部，损坏臂架，如图17所示，一般在大钩上两侧都装备重锤，防止钩子大偏斜时只碰到没有装备开关的一侧臂架。

重锤形式多种多样，可以是吊环式，可以式钢管式，吊环式如图17所示。

图17防过卷开关与重锤

[4]三圈保护控制，防止卷扬过放，如图18所示，这是最普通的三圈保护开关。

在高端机器上，目前采用编码器来计算卷扬所转过的圈数，同时还可以精确控制卷扬的速度，但是价格较贵，如图19所示；

图18三圈保护装置的安装位置

图19编码器安装位置

[5]车体水平监控，让驾驶员注意不能工作在倾斜度太大的平面上。

如图20所示，一般大吨位的车辆，上车装1个，下车也装一个，在吊车支腿的安装过程中，必须保证车体的水平。

图20车架水平仪安装方式

[6]环境风速监控，国家标准规定，臂架超过50米必须安装风速仪，只允许在风速允许范围内工作，最大允许工作风速在6级风（10.8-13.8米/秒），否则将会发生危险。

风速仪的安装一般在臂架最高点，安装方式如图21所示。

图21风速传感器的安装

5.设计流程

图22设计流程

6.特点

1）模块化和互换性设计

各个控制器之间各司其职，通过相应端口的功能设计进行互相调换，例如，当完成起升操作的控制器突然出现问题，在外部技术服务达不到时间要求时，可以暂时将其他辅助油缸操作的控制器“平移”过来，以完成重要的动作。

这种设计更多应用于多控制器主机中，目前已经应用于国内履带起重机的设计中，如与山东福田重工有限公司合作开发的200吨产品。

2）国际化配套和分包设计

中、大吨位履带起重机所需元器件种类繁多，国产电气元件质量不过硬，尤其在传感器方面，因此，采取国际化配套也是当前必然的选择。

主机生产厂也可以把相对独立的一部分系统分包给专业的设计公司来做，自己只做核心部分。

在国内很多主机厂普遍存在的一种思维定式：

电气系统成本就只能占整车成本的1-3%左右。

然而，在国外中、大吨位电气系统所占的比例有时高达10-15%，国外起重机之所以性能优越，这也是其中一个重要原因：

他们所配套元件的质量相当好，数量、种类也非常齐全。

例如，国产起重机很多故障点都出现在接插件上，原因在于国产接插件的质量不过关，长时间裸露在外面很容易发生氧化、进水短路等现象。

纵观国外的起重机，大都采用高质量的重载接插件或航空插头，因此整车发生硬件故障的几率就很少。