基于CAN-BUS的工程機械電氣控制系統相關分析

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200135）

基于CAN-BUS的工程機械電氣控制系統相關分析

沈華，張曉棟

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200135）

當前在我國的工程機械電氣控制系統當中，運用CAN-BUS總線技術則起步較晚。但隨著時間的推移以及科學技術水平的不斷提升，逐漸認識到CAN-BUS總線技術能夠使得工程機械協同工作能力得到大大提升，對提升工作效率與工作質量均有所幫助。本文將分別從控制模塊、顯示模塊出發，通過實例闡述CAN-BUS在工程機械電氣控制系統上的應用。

CAN-BUS總線技術；工程機械；電氣控制系統

CAN-BUS總線技術指的就是controller area network，即控制器局域網，其最早誕生于20世紀80年代，被用于解決數據交換問題，而后經過不斷發展完善，CAN-BUS總線技術已經成為國際認可并得到廣泛使用的一種現場總線。簡單來說CANBUS總線技術就是數字式串行通訊技術，其低廉的成本和高效的傳輸速率以及較好的抗干擾性等強大優勢使其逐漸被運用到工程機械電氣控制系統當中，為此，文本將著重針對基于CAN-BUS的工程機械電氣控制系統進行簡要分析研究。

1 控制模塊

1.1 主控CPU電路

主控CPU電路主要是由中央處理器、電源以及通訊電路等共同組合而成。為了能夠完成讀取和設置時間信息以及內存儲空間數據的要求，可以將CPU芯片與實時時鐘芯片進行通訊。工程機械電氣控制系統當中的控制模塊需要同各種智能的總線傳感器相連，從而利用CAN-BUS接口使得控制器能夠支持CANOPEN等協議實現與其他類型通信端口相接的目的。

1.2 輸入輸出電路

在工程系統電氣控制系統當中的輸入和輸出電路主要指的就是負責采集信號和輸出驅動的電路，控制器能夠輸出多路大電流PWM以及開關量。

2 顯示模塊

2.1 顯示電路

在基于CAN-BUS之下的工程機械電氣控制系統中，需要使用CAN-BUS總線控制器與高速收發器共同完成利用CAN通信電路實現系統和用戶相互交換信息和媒介的重要作用。根據工程機械的實際情況可以分別選擇液晶屏或是觸摸屏。在環境比較惡劣的工程機械現場當中可以使用電阻式的觸摸屏，其具有較好的抗干擾性和性價比。圖1展示的是液晶顯示模塊的接口示意圖。

圖1 液晶顯示模塊接口示意圖

2.2 存儲電路

工程機械電氣控制系統當中往往會涉及到大量的數據信息、包括其自身的故障信息、采集到的電氣數據等，為了能夠方便對數據信息進行統一管理以及日后的必要查詢，需要將其統一存儲在專門的存儲器當中。目前已有的幾種存儲器例如SDRAM、FRAM以及Flash等雖然均能夠完成數據和程序的保存，考慮到電氣控制系統中的數據信息量比較大，可以根據存儲程序和運行程序進行分別存儲，使得信息數據的讀寫等均能受到有效保護。

2 CAN總線通訊

2.1 CAN總線通訊簡介

CAN總線在物理上分為三層：物理層、數據鏈路層和應用層。其傳輸介質可以是雙絞線，同軸電纜，光釬。根據傳輸介質的不同，其傳輸速率，傳輸距離也不相同，如使用雙絞線的時候，理論上傳輸10千米的速率可以達到50Kbps。CAN總線在數據傳輸的時候是由報文進行傳輸，各個站之間的優先級由標識符進行定義，各個站之間不存在主從的關系。基于數據塊的標識符進行通訊，常用的標識符有11位和29位二進制數，其中有4位定義數據塊的長度。通過標識符，CAN-BUS總線上的各個站之間即可實現互不干涉。

2.2 CAN總線通訊的特點

CAN-BUS總線通訊不存在主站和從站的區分，各個站之間的通訊采用數據塊的形式且有優先級之分。CANBUS總線采用非破壞性的仲裁技術保證了優先級高的通訊。CAN-BUS總線的校驗機制使得在物理層完好的情況下，某些站通訊故障不會致使其它站通訊受到影響。

3 CAN-BUS總線技術在工程機械的應用實例

港口機械的吊具通訊，液壓系統比例閥控制，起重機的稱重系統等都可以使用CAN-BUS現場總線技術。通過CAN-BUS總線可以完成分系統從主系統接收指令，對某個單獨機構或者元件進行控制或監控并將一些信息通過CAN總線傳輸反饋給主系統。這樣可以減少主系統PLC的負荷，增加分系統控制的專業性，便于程序的固化與封存。下面以液壓工程機械為例說明CAN-BUS總線的應用。

3.1 液壓工程機械的機構

常見的液壓起重機的機構包括：變幅、起升、回轉及行走機構。

3.2 大型液壓工程機械的控制系統

圖2 CAN總線的工程機械控制通訊圖

大型液壓工程機械的主要控制器包括泵控制器，液壓控制器和力矩限制器等。其中泵控制、液壓控制和力矩限制器均可以采用CAN-BUS總線形式的控制器。其通訊簡圖見圖2。

圖3 帶有CAN-BUS總線的比例閥控制器

主CPU的作用是計算各機構的指令和給定，讀取各個CAN-BUS通訊站的信息，并實現各類保護和各機構的控制等，是工程機械的主要控制和保護單元。力矩限制器是通過CAN-BUS總線或者模擬量讀取傳感器信號并折算成負載根據預設的力矩曲線配合主CPU對整機的各個機構進行保護，同時通過顯示模塊直觀地顯示方便輔助操作人員和維修人員排故。液壓控制器可以整合在主CPU內，但大型的起重機械常作為獨立的單元根據比例閥特性進行控制，控制更加專業，集成性更強。

3.3 含有CAN-BUS總線的控制器

圖3的比例閥控制器支持CAN-BUS總線的多路通訊，通過編程可以實現PWM調制控制：在工程機械中有許多可以支持CAN-BUS通訊的控制器、傳感器，甚至變頻器、PLC及工控機。

4 結語

隨著科學技術水平的日益提高，CAN-BUS現場總線技術的完善度愈來愈高，并且被廣泛運用到工程機械的電氣控制中。

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[2]任紅飛，郭永，張欣，馬賽.基于CAN總線的工程機械電氣控制系統設計研究[J].內蒙古工業大學學報(自然科學版)，2016，03:182-185.

TH137

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