工程機械自動控制與CAN 總線的融合

余朝文

（云南省保山中等專業學校，云南保山 678000）

0 引言

隨著社會經濟的發展，大型一類的機電項目與技術逐漸增多，各類建筑工程對機械以及機械自動化的要求也隨之提高。為了滿足各類工程項目施工的要求，工程機械要具有實時監控能力，不僅如此，還要求新一代機械具有更加精確與復雜的操作控制能力。而工程機械因其工作環境、需求等要求機械在運行過程中必須具有時刻監測、預警、實時能夠進行自我保護的功能，這樣才能保證遇到緊急事件時能夠將工程的損失降到最低，控制在能夠接受的范圍之內。為滿足工程機械的使用要求，就必須做到智能監控與智能控制，因此要求機械的電子控制系統具有著較強的信號傳輸能力與準確性和實時性。而現場總線是自動化技術發展的方向，同時也是計算機局域網中備受關注的領域。

CAN 早期由德國BOSCH 公司開發，是國際上使用最為廣泛的一種現場總線。CAN 是能顯示節點之間實時分布控制的系統，并且為數據通信的可靠性提供技術支持。隨著工程機械的智能化發展，CAN 總線技術在工程機械之中的使用程度越來越高，通過選擇合適的傳感器與主機就能實現監視、控制機器。本文對CAN 總線的優勢、原理及在工程機械中的應用進行闡述。

1 CAN 總線運用于工程機械的優勢

1.1 信息交換

CAN 總線信息交換是指工程機械運行時，執行器、裝置傳感器與邏輯控制單元之間能夠繼續交換信息。隨著科技的發展，傳統的傳感器裝置已逐漸被智能傳感器替代，智能傳感器設備用數字技術取代傳統的模擬信號，使用數字信號同時也提升了數據傳輸過程的可靠性；此外，其控制元件中的執行器也朝著智能化的方向發展。主要原因是因為在高溫、大流量、高壓、控制精度高、快速調整等要求較高的控制系統下，精準度較低、調整速遞較慢、提升力較小的普通類型驅動已不能滿足控制系統的需求。為了適應時代的發展，需要研發出行程速度可調整、提升力大、定位精確、快速切斷、死區小、有故障防護模式能快速調節設備的智能化執行器。隨著電氣控制技術越來越廣泛的應用，各電子設備之間能否進行數據通信變得愈發重要。工程機械每個部位的數據信息都需要傳輸到不同的控制單元進行交換，要求整體系統網絡必須保證數量龐大的數據能夠進行正常通信，同時還要求系統網絡具有較高的可靠性。不僅如此，整個系統的處理器還需擁有獨立運行且必要時還能處理其余數據的能力，而CAN 總線技術的分布式控制網絡能夠滿足上述數據通信的所有要求。CAN 總線使用報文濾波技術實現點對多或點對點、全局廣播等發送數據信息和接受數據的方式，同時不要其他特殊的數據通過傳輸來達成“調度”，當2 個或2 個以上的節點在同一時間進行數據傳輸或發送數據包時，CAN 總線控制器能對其ID 進行仲裁，用ID 來控制各個節點對總線的訪問。當有節點發送最高最優先級別消息時，其余節點都會自動停止傳輸信息數據，而不使用總線發送信息時，其余節點則會繼續發送傳輸數據。

1.2 電器信號通信

工程機械通過電器信號進行連接能夠增加機械中的電子控制單元，而以往使用的連接方法是采用接線連接器。電子部件的線束連接則由電路電線組成，不僅保證傳輸的電信號，同時保證了電路的可靠性，為連接電子部件與電氣時提供預定的電流值，避免被周邊電路的電磁干擾，同時還能排除電線短路情況。

從線束功能有著運載驅動執行元件的電力線與輸入指令的信號線。其中信號線是光纖同行，粗導線是電力線，為其傳輸較大的電流。為了滿足車輛高功能與多樣化的要求，線束在車內空間不斷擴大，導致系統的可維修性與可靠性大大降低。傳統的控制無法滿足實現智能控制與一體化工程機械操作的要求，而復雜的現場連接被簡單的現場網絡替代。CAN 總線技術為降低工程車輛的線束與提高工程車輛的性能、提供了一個非常有效的解決方案。因此，將CAN 總線與工程機械融合使用，不僅能有效解決車線束過于龐大的問題，還能從整體上提升其可靠性。

2 CAN 總線技術在工程機械上的應用

CAN 總線技術的引入，徹底改變了工程機械的控制領域。集中式控制系統被分布式控制系統取代，在諸多具有CAN 功能的傳感器、控制器、執行器的支撐下，傳統的復雜連續被單一且簡潔的CAN 總線所取代，控制系統設計靈活程度越來越高，同時也大幅度提升了工程機械信號傳輸的質量。將CAN 總線技術融入工程機械，不僅能夠將工程機械的安全性、可操作性、穩定性、動力以及綜合性能提升到一個全新的高度，還能給工程機械的持續發展提供動力。

2.1 CAN 總線在攤鋪機中的應用

攤鋪機是道路施工中必不可少的工程機械，攤鋪機的綜合性能和其可靠性影響整個施工的質量。將CAN 總線技術使用到攤鋪機中，將攤鋪機控制系統劃分為3 個模塊，分別為電噴發動機的控制器、顯示器及行走控制器。其中最為典型的CAN 總線應用是工程機械電噴發動機的控制，發動機功率不管是負載如何變化，柴油機的工作狀態都會保持在最好的范圍內。而當柴油類工程機械發動機出現負荷巨變時，也可以在一定程度上保證柴油發電機穩定運轉，不會出現熄火情況。其中行走控制器在攤鋪過程中能夠發揮控制轉向、控制恒速與整個攤鋪機各項的參數與狀態檢測的作用；此外，將攤鋪機進行集中監控、分散功能與分擔風險，能有效提升攤鋪機整體工作性能。CAN 總線技術不僅能對發動機有不錯的控制效果，還可以將這項技術運用于攤鋪機的找平系統。工程中每個節點能都實時對路基樣本變化進行采集，作為路面高度的采樣點。主控節點進行廣播式發送數據請求，每個節點會將實時監測數據發送到主控制器，使用多個節點采樣，能有效濾除掉干擾信號，以此獲得更準確的路基情況。主控制器接收全部節點反饋的信息后，按照預定算法對反饋數據進行分析，處理坑槽、石塊等偶然因素。去除偶然因素后發出PWM 信號對液壓缸電磁閥進行控制，以此實現熨平板的升降控制并使攤鋪的厚度均勻。

2.2 CAN 總線在挖掘機中的應用

隨著我國挖掘機行業的高速發展，挖掘機的性能成為各生產廠家最有效的競爭力。節能、高效的智能控制成為提高挖掘機性能的關鍵。電氣控制系統是關系到挖掘機的整體性能、可維護性、智能化程度的核心系統。對挖掘機整體性能的要求越高，傳感器的數量就越多，同時其線束的數量也會隨之增加。而使用CAN 總線技術則可以在不對傳統系統造成影響的情況下，有效解決傳統控制方式的缺點。控制挖掘機的電氣系統使用CAN 總線技術，通過發動機模塊的控制器讀取轉速、油壓、工作時間、水溫等狀態信息，并以此控制挖掘機發動機的轉速、保護、節能、起停等，并且不需要在挖掘機上安裝對應的傳感器，簡化挖掘機電氣線路。

不僅如此，CAN 還能夠使用在工程機械中半主動式變阻尼油氣懸架控制。當把CAN 總線網絡當做懸架信號交換的通道時，能夠將集中控制轉變為分布式控制，不僅能將器件與線束的布置簡化，還能夠提高器件、線束的可靠性。

3 結語

因CAN 有著多主機結構的特點，使用CAN 總線技術控制工程機械，能保證工程機械控制系通信具有較高速率，并且有著良好的實時性、抗干擾能力與處理錯誤的能力，同時還有非常高的控制準確度。這些優點促使工程機械朝著更高控制精確度方向發展，也是工程機械發展的必然趨勢。