工程機械控制系統的新發展
摘要：本文介紹了國外新近推出的一種全新理念的
電子液壓Ｃａｎ總線控制系統及其應用前景。
關鍵詞：控制系統、電子、液壓、Ｃａｎ總線
　　０、引言
　　工程機械發展到今天對其在作業性能、可靠性、操縱舒適性、環保指標、機群協同作業等方面都有了更高的要求，綜合應用計算機、網絡通訊、人工智能、微電子、自動控制、液力液壓及多傳感器融合等技術研究工程機械集成化操作與智能控制系統正成為２１世紀工程機械的重要發展方向之一。主要有：工程機械單機集成化操作與智能控制研究，工程機械的智能監控、檢測、預報、遠程故障診斷與維護研究，以及基于網絡的機群集成控制與智能化管理研究。目前國內包括徐州工程機械集團公司在內的一些企業和科研單位正在研究的“機群智能化工程機械”課題即屬于此范疇。其中又以工程機械單機集成化操作與智能控制研究為基礎，包括電液控制自動換擋變速箱技術、機電液訊一體化控制技術、負荷傳感全功率控制技術和可編程控制與無人操作技術等技術的研究。
　　近年來隨著液力液壓、ＰＬＣ控制、Ｃａｎ總線通訊、測量傳感等核心關鍵單元技術的發展，國內一些企業和科研單位已經在單機集成化操作與智能控制方面取得了一系列研究成果，比如機器人化裝載機的研制成功。但如何提高系統的性能和集成度、應用的靈活性和方便性，降低系統的應用成本和對維修保養操作者技術水平的要求等，仍是需要解決的問題。只有解決了這些問題才有可能得到廣泛的應用。
　　英國Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ公司新近推出的電子液壓Ｃａｎ總線控制系統較好地解決了這些問題，使得機電液訊一體化控制技術在工程機械上的廣泛應用成為可能。Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ控制系統是應用于非公路車輛、物料處理設備和工業用途上的一種全新的電子控制系統，該系統采用了Ｃａｎ總線技術，提供了最先進的多級功能，這些功能是常規組合式的電子系統所不能的，而成本只與常規系統相當。Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ智能電子液壓Ｃａｎ總線控制系統及元件據稱是２１世紀的工程機械控制技術。在國外該技術已經在挖裝機、隨車吊、輪式挖掘機、垃圾車、滑移裝載機等產品上得到了應用，目前該公司正積極地在國內推廣該項技術，為使工程機械業的廣大同行對該系統有所了解，本文即結合筆者對該系統的認識作一介紹。
　　１、ＵＩｔｒｏｎｉｃｓ控制系統的基本構成和主要特點
　　Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ控制系統的硬件一般由操縱手柄、電控單元ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）、液壓閥組和外接傳感器或開關等組成，其間通過Ｃａｎ總線連接，液壓閥組為電控系統與液壓系統的交匯點，系統的另一個重要組成部分就是軟件。
　　手柄為光學非接觸型手柄，所有比例和開關功能完全采用光控。手柄在安裝面上下方的防護等級均達到了ＩＰ６７。手柄操作系統（ＪＯＳ）安裝在ＥＣＵ上，支持手柄應用程序的編制、修改和運行。用戶使用ＪｏｙＣａｌ程序可以改變手柄的延時特性、輸出曲線和死區。
　　電控單元ＥＣＵ采用直流或直流轉換供電，可選２５或５０路工業標準接口，使得系統可以接收來自傳感器的信號，可以與其它控制系統進行信息的交換，可以將輸出信息送往顯示器，使用標準的無線對Ｃａｎ接口，無線遠距離控制也是可能的。ＥＣＵ中存儲了系統控制所需的所有應用程序可將來自于手柄或連接于ＥＣＵ上的其他器件的信號（如傳感器檢測信號、發動機控制系統信息等），經處理后轉換成各個閥芯動作的指令。
　　系統的關鍵在于其雙閥芯閥體的緊湊設計，每片閥有兩個閥芯，相當于將一個三位四通閥變成兩個三位三通閥的組合，兩個閥芯既可單獨控制，也可作為相關的一對成對控制，并且兩個工作油口都有壓力傳感器，每一個閥芯都有位置傳感器，通過對傳感信號的閉環控制可以分別對兩路液壓油的壓力和流量進行控制，由此組合出的對執行器的控制功能是極其廣泛的。
　　每個閥芯由一個高性能的先導閥控制，每個先導閥有自己的閥芯動作控制軟件、Ｃａｎ總線控制器以及Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ開發的Ａｓｉｃｓ（特定用途集成電路，用于傳感器的信號處理和供電）。閥芯動作控制策略和具體的參數可由用戶根據被控執行元件的要求進行設置。從ＥＣＵ經Ｃａｎ總線傳往先導閥的指令被接收后，先導閥上的內嵌處理器就運行預存的閥芯動作控制軟件實現設定的機能，多個先導閥間的功能協調是由ＥＣＵ完成的，從而實現復雜的系統功能。這種分級控制方式使系統的應用具有非常好的靈活性，同時易于構建復雜的控制系統。
　　總之，通過ＰＬＣ控制、Ｃａｎ總線通訊、測量傳感等技術的集成，特別是采用了獨特設計的液壓閥，Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ公司的電子液壓Ｃａｎ總線控制系統使得工程機械控制系統在功能的多樣性、實現的靈活性、較低的性價比等方面發生了一次革命性的變化。
　　２、閥芯動作控制軟件
　　與傳統的三位四通閥不同，Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ公司獨特設計的液壓閥是通過軟件實現其不同的功能的。根據不同的控制要求，預先編制存儲了一些閥芯邏輯控制軟件模塊，通過Ｃａｎ總線即可選用。現有的邏輯控制模塊涵蓋了以下幾個方面：回轉裝置、油缸、傳動裝置、蓄能器充壓、壓力控制、流量控制及許多其他標準的功能。這意味著使用Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系統可以實現所有的液壓功能，而閥的種類卻相當簡單，需要改變的只是閥芯動作控制軟件。
　　為了提高閥的性能，每個閥芯位置控制模塊都是軟件自適應的，因此可調整閥芯的響應獲得最好的性能。這種調整是由處理器完成的，所以閥在使用期間可以調整，以長期保持良好的性能，并修正由于磨損或彈簧彈性和系統動力方面的變化帶來的影響。閥組的接入聯上有壓力調節器，以控制系統的壓力、決定閥的負載傳感邊界。壓力調節器由壓力控制模塊控制，以保證不斷變化的壓力調控需要，使系統一直處于性能良好狀態。
　　設備制造商如要采用Ｃａｎ總線系統，其所面臨的問題之一就是售后服務人員的技術水平要高、更換或重設閥的軟件設置需要軟件工具，同時因為先導閥上可能存儲不同的應用設置代碼，備件的數量就多了。針對這些問題Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ采用了自動檢測例行法，這樣更換先導閥就不需特殊的工具了。所謂自動檢測例行法就是當先導閥失效時只需將其換下來，當系統再次啟動時，ＥＣＵ將每個節點與其存儲的數據進行核對，看看設置是否正確，如發現設置錯誤將自動下載數據恢復系統設置。因此作為備件的先導閥都是一樣的，庫存量減小了，更換也容易了。
　　３、Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ控制系統可實現的功能例舉
　　Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ控制系統功能的多樣性是通過應用軟件實現的，通過有針對性的編制控制軟件Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ控制系統可實現的功能是極其廣泛的。象履帶挖掘機、輪式挖掘機、裝載機等先進機型在操作舒適性、作業效率、作業成本消耗、故障診斷、環境保護等方面所做的努力，比如發動機狀態與液壓系統的適應控制、傳動與作業間的功率分配、作業程式例行、特定作業功能等，采用Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系統都可實現。下面以挖掘裝載機為例說明可以實現的部分功能。
　　挖掘裝載機俗稱“兩頭忙”，由主機和前后兩端的裝載裝置、挖掘裝置組成。控制系統需要控制行駛、裝載和挖掘作業。系統由兩個座位安裝的手柄、電控單元ＥＣＵ、安裝于裝載和挖掘裝置上的傳感器、兩組Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ液壓閥塊、轉向器、泵及其它元件組成。其中一組閥塊控制挖掘動作，另一組閥塊控制裝載動作。當座椅面向挖掘方向時，兩個手柄可以控制挖掘動作，當座椅轉向裝載方向時，左手手柄功能被切斷，右手手柄可以控制裝載動作。手柄的挖掘和裝載功能模式轉換由座椅旋轉時撥動的一個電氣開關實現。另外還有一個超越開關可以允許手柄的功能與座椅的方向不一致。采用這種“二合一”的辦法，挖掘和裝載作業可以非常方便地通過這兩個手柄操作，省去了多個手柄，使駕駛室的空間更寬敞，而且手柄安裝在座椅扶手上司機的操作更舒適。從手柄到ＥＣＵ只需一根電纜連接，布置起來非常簡便。
　　３．１安全浮動
　　Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系統按基本配置提供安全浮動功能，當選擇浮動模式時，工作裝置以可控的方式向地面降落。這是通過降落時控制回油的流量實現的，只有當工作裝置接觸地面，回油口的壓力傳感器檢測到壓力下降后，閥芯才會自動移到真正的浮動狀態。
　　這一功能的優點是：下落的速率可以在廠內設定，不隨載荷變化，避免了與地面的劇烈撞擊。因此減輕了機器構件的磨損和損壞以及液壓系統內的沖擊載荷。
　　３．２防回落
　　Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系統的一個基本功能就是防止載荷回落。當控制指令發到閥后，系統首先將閥的進油壓力提高到與工作油口測得的壓力相一致，然后再按指令移動閥芯，以避免可能出現的載荷回落現象。
　　３．３轉向／制動充壓系統
　　Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系統獨特的流量共享和優先功能允許對系統中的幾個動作設定流量優先，系統中的其他動作根據需要分享剩余的流量。此流量共享可以設置，以適應機器的要求。
　　當用于轉向系統時，可以是開環的或負荷傳感的。在使用負荷傳感時，可將外接壓力傳感器測得的感載信號接到系統的ＥＣＵｏ
　　當用作充壓閥時，系統能夠對蓄能器進行充壓和保壓（在允許的范圍內）。如果由于蓄能器容積小不允許出現泄漏，那么應在閥口和蓄能器之間加上單向閥。在此種用途中也需要一個外接傳感器以檢測何時需要充壓。
　　Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系統可用一個閥片實現此兩個功能，而不需要其他的輔助閥。
　　３．４鏟斗抖動和壓實
　　此項功能可使鏟斗以１５Ｈｚ的頻率抖動，以幫助卸凈粘土等。也可轉換到振動檔，以４０Ｈｚ以下的頻率振動幫助壓實。
　　３．５停止緩沖
　　這一功能可使油缸在行程內減速停下，避免系統內的沖擊。這一功能不能代替標準油缸行程終端的緩沖結構。但如果在油缸行程終端使用了傳感器，則可以替代緩沖結構。
　　３．６發動機管理
　　利用Ｃａｎ總線接口Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系統可與發動機管理系統連接起來。這樣在液壓系統工作時可以提供燃油更加節約的發動機控制模式。從而不僅降低了燃油消耗量，而且減輕了發動機部件的磨損。
　　３．７系統診斷
　　使用Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ提供的簡單的手持式工具用戶即可完成簡單的系統診斷，也即系統診斷、錯誤查找以及基本的設置更改。如要進行進一步的詳細更改或系統開發，則可使用ＰＤＡ設備或安裝了專用軟件的筆記本電腦。Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系統可將簡單的錯誤信息顯示在駕駛室內的顯示器或小型的ＬＥＤ陣列上。
　　操作系統每次開機都要檢查系統內的每一個節點，確定所有失效或可能失效的先導閥。
　　３．８機械超越
　　兩種方式實現機械超越：簡單的辦法是使用螺絲刀移動閥芯使回油導通，在機器出現故障時讓載荷安全地降落下來。另一種辦法是在閥上設置手動手柄，動作手柄以較小的流量安全收回工作裝置，比如隨車吊。閥組的接入聯是與超越功能相適應的，在采用機械操作時它會提高系統的壓力。
　　３．９無動力下降
增加一個電磁閥就可以在泵不工作的情況下使用手柄利用存儲在動臂缸中的能量將裝置降到地面。
按客戶要求或針對特殊的機器可以編寫特殊的程式。下面就是這樣的一些例子。
　　３．１０軟挖功能
　　當機器的作業需特別小心時，例如在已知的管線地帶進行挖掘時，Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系統能對壓力和流量進行控制。一旦設定了參考壓力，當遇到阻礙液壓系統的壓力升高到設定值時，機器就會停下。
　　３．１１返回鏟掘狀態／返同定位
　　利用外接傳感器的檢測信號即可在應用軟件中寫入“返回鏟掘狀態”和“返回定位”功能。有了這一功能，在重復作業、挖溝或為貨車卸料時可以大大地改善司機的作業條件并提高作業效率。
　　３．１２動力浮動
Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系統可以提供動力浮動功能，比如在用推土機平整地面時可以根據不同的物料調整工作裝置對地面的壓力。
　　３．１３稱重
　　利用Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系統閥上工作油口的壓力傳感器測量壓力，同時利用外接傳感器測量油缸的位置和伸出量，即可按一定的算法精確計算出吊重處的載荷重量。根據需要還可將這一功能結合到相關的工作程式中防止吊重超出穩定工作范圍。
　　３．１４鏟斗調平／叉車模式
　　在鏟斗鉸點、動臂鉸點處加裝測角傳感器就可以實現鏟斗自動調平，省去了Ｚ形連桿。而且在鏟斗上加裝叉裝附件后可以實現叉車的功能。
　　４、采用Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ控制系統使得產品開發更加簡便
采用傳統液壓閥進行多功能系統的設計常常導致開發周期延長，這是因為要對液壓閥進行多次反復設計，包括節流口、閥的類型、補償設定和浮動。所有這些都延長了開發的周期，而且最終導致系統的元件種類太多。
采用Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系統進行產品開發，周期就大大地縮短了。因為閥的節流特性和功能都是軟件實現的，只需３種閥即可（這只是取決于工作裝置所需的最大流量）。設備制造商的工程師可以在審定機器性能的時候定義閥的節流特性，很短的時間就可完成。
　　Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ提供專用開發軟件工具，用于閥和系統的設置。“ＣＡＮ工具”將允許工程師們訪問任一先導閥對許多參數進行修改，比如最大流量和壓力，修改閥片的控制策略，比如是流量控制還是壓力控制，修改節流特性、負荷傳感邊界、背壓、最大壓力，實際上所有與某一運動相關的參數都能修改。只需將程序導入先導閥上的處理器中確認修改并測試即可，這一過程只用幾分鐘。
　　所有的修改都存到ＥＣＵ中，當系統最終開發完畢，Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ將提供存有最終編碼的生產用件，連接好就可使用，所謂即插即用。所有相關的編碼和例行程序也同時完成，比如用于自動設置、系統排氣和外接傳感器標定參數的編碼和例行程序。
５、結束語
    應用高新技術對我國現有的工程機械主導產品進行系統的技術改造和性能提升，以帶動我國傳統工程機械產品盡快實現跨越式發展，提高我國工程機械產品的競爭力，已成為必然的趨勢。Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ控制系統的出現為這一工作的開展提供了有力的支撐，對此工程機械制造廠家應當引起必要的關注。當然也應看到該系統在理念上與傳統有很大的差別，在國外的應用時間比較短，在國內的應用更是剛開始，所以還需在實踐中積累更多的應用經驗。