CN202159255U

CN202159255U - 一种工程机械监控系统的模拟台

Info

Publication number: CN202159255U
Application number: CN2011200892706U
Authority: CN
Inventors: 陈宝江; 曾晓渊
Original assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Current assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2021-03-30

Abstract

本实用新型提供了一种工程机械监控系统的模拟台，属于工程机械监视与控制技术领域，以解决在现有的高端大型工程机械控制系统中存在的不能直观的获取执行状态、控制操作难度较大以及无法预先对控制操作的结果进行估计的问题。该模拟台的传感器组件用于模拟采集工程机械的工况参数并发送给CAN模块；执行器组件用于接收控制信号并驱动相应的执行器；监控对象模拟装置用于模拟工程机械传动装置的动作，并将传感器组件和执行器组件连接构成闭环控制的监控系统；CAN模块用于将工况参数发送给监控上位机，将控制信号发送给执行器组件；监控上位机用于将工况参数显示给用户，并根据控制命令向CAN模块发送控制信号，根据输入的命令更改监控系统的通信设置。

Description

一种工程机械监控系统的模拟台

技术领域

本实用新型涉及一种工程机械监控系统的模拟台，属于工程机械监视与控制技术领域。

背景技术

工程机械是人类改造自然、利用自然最有力的工具，在许多领域都有着不可替代的作用。PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)由于具有可靠性高、通用型强、成本较低、软硬件易于开发以及工业现场抗干扰能力强等特点，使其在工业控制和工程机械等领域应用十分广泛。但是，随着工程机械自动化程度的进一步提高、处理信息量的加大以及作业对象复杂程度的提高，PLC所擅长的顺序控制能力已经无法满足大中型工程机械的高端产品的要求。

随着计算机以及微电子技术的发展，采用32位CPU控制器为核心以及使用C、LabVIEW等高级语言进行编程并采用提高控制性能的实时操作系统的高端大型工程机械控制系统已经成为工程机械控制领域的发展趋势。目前已有的高端大型工程机械的控制系统都非常复杂，并且对控制系统的操作比较抽象，微量的操作也会引起高端大型工程机械的执行动作产生较大的变化，甚至会产生严重的工程事故。因此，现有的高端大型工程机械普遍存在不能直观的获取执行状态、控制操作难度较大以及无法预先对控制操作的结果进行估计的问题。

发明内容

本实用新型为解决在现有的高端大型工程机械控制系统中存在的不能直观的获取执行状态、控制操作难度较大以及无法预先对控制操作的结果进行估计的问题，提出了一种工程机械监控系统的模拟台，包括：

传感器组件，用于模拟采集工程机械的动力装置、传动装置以及工作装置的工况参数，并将所述工况参数发送给CAN模块，以及向CAN模块提供0～5VDC的电压信号；

执行器组件，用于接收CAN模块发送的控制信号，并驱动相应的执行器；

监控对象模拟装置，用于模拟工程机械工作装置的动作，并将传感器组件和执行器组件连接构成闭环控制的监控系统；

CAN模块，用于将传感器组件发送的工况参数通过CAN总线发送给监控上位机，以及将监控上位机通过CAN总线发送的控制信号发送给执行器组件；

监控上位机，用于将CAN模块发送的工况参数显示给用户，并根据用户输入的控制命令向CAN模块发送控制信号，以及根据用户输入的命令更改监控系统的通信设置。

本实用新型通过将采集的工况信息通过CAN模块发送给监控上位机，并由监控上位机根据工况参数及用户输入的控制命令对工程机械的动力装置、传动装置以及工作装置进行相应的控制，能够直观的获取高端大型工程机械的执行状态，具有对高端大型工程机械的控制操作难度较小以及能够预先对高端大型工程机械控制操作的结果进行估计的特点。

附图说明

图1是本实用新型的具体实施方式提供的工程机械监控系统的模拟台的结构示意图；

图2是本实用新型的具体实施方式提供的模拟台安装的试验台架的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的具体实施方式提供了一种工程机械监控系统的模拟台，包括传感器组件、执行器组件、监控对象模拟装置、CAN模块和监控上位机，传感器组件，用于模拟采集工程机械的动力装置、传动装置以及工作装置的工况参数，并将所述工况参数发送给CAN模块，以及向CAN模块提供0～5VDC的电压信号；执行器组件，用于接收CAN模块发送的控制信号，并驱动相应的执行器；监控对象模拟装置，用于模拟工程机械工作装置的动作，并将传感器组件和执行器组件连接构成闭环控制的监控系统；CAN模块，用于将传感器组件发送的工况参数通过CAN总线发送给监控上位机，以及将监控上位机通过CAN总线发送的控制信号发送给执行器组件；监控上位机，用于将CAN模块发送的工况参数显示给用户，并根据用户输入的控制命令向CAN模块发送控制信号，以及根据用户输入的命令更改监控系统的通信设置。该工程机械监控系统的模拟台用于模拟对高端大型工程机械的监视和控制，其主要原理是在CAN总线的支持下，通过监控上位机对工程机械动力装置模拟部件的工况参数的采集以及对工程机械工作装置动作模拟部件的动作执行，以实现模拟高端大型工程机械的运行状况。

为了更清楚的说明该技术方案，下面结合说明书附图进行说明，如图1所示，该工程机械监控系统的模拟台具体可以包括：

传感器组件1，用于模拟采集工程机械的动力装置、传动装置以及工作装置的工况参数，并将所述工况参数发送给CAN模块4，以及向CAN模块4提供0～5VDC的电压信号；

执行器组件2，用于接收CAN模块4发送的控制信号，并驱动相应的执行器；

监控对象模拟装置3，用于模拟工程机械工作装置的动作，并将传感器组件1和执行器组件2连接构成闭环控制的监控系统；

CAN模块4，用于将传感器组件1发送的工况参数通过CAN总线发送给监控上位机5，以及将监控上位机5通过CAN总线发送的控制信号发送给执行器组件2；

监控上位机5，用于将CAN模块4发送的工况参数显示给用户，并根据用户输入的控制命令向CAN模块4发送控制信号，以及根据用户输入的命令更改监控系统的通信设置。

具体的，由于传感器是工程机械感知其动力装置、传动装置、工作装置运行情况及周围环境状态的重要器件，其量程、精度、分辨率、信号输出类型、可靠性等参数都可影响监控系统对信号采集的质量、测控系统的价格、搭建测控平台的复杂程度。因此，为了更准确的模拟采集工程机械的动力装置、传动装置以及工作装置的工况参数，传感器组件1的组成应该考虑到工程机械的测量目的、测量对象以及测量环境，合理选择传感器，令其性价比达到最优。

在传感器组件1中，可以包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器、流量传感器、位移传感器(包括线位移和度位移传感器)、速度传感器(包括角速度传感器和线速度传感器)、扭矩传感器、风速传感器、图像传感器、开关量传感器、数字量传感器等覆盖一般工程机械运行过程工况参数检测需要的传感器等多种数据采集设备，可以根据具体的工况选择搭配其中的一种或几种相应的数据采集设备。其中，温度传感器可用来实现对工程机械液压系统内液压油温度以及油箱内温度的测定，来对整个液压系统实现安全监控，冷却系统通过检测冷却水进出口温差来实现冷却系统的安全监控；扭矩传感器可用来检测一定范围内的扭矩，实现对大力臂构件的保护，当达到扭矩极值，进行安全报警；拉压力传感器可用来对产生拉压动作的部件进行拉压力检测，对一定量程范围内的拉压力进行检测并通过变送器产生0～5VDC范围内的电压信号；风速传感器可对工程机械工作现场的风速，从一级到十二级进行检测，检测到的风速可作为驾驶员进行操作的参考，或者输入到控制器中，按照预先的程序设定来对工程机械进行进一步的控制，如果风速超过报警限度，可以报警或者停机；线位移传感器可以对于需要测定线位移的部件进行检测，位移是否到位等；角速度传感器是通过光电编码器输出的脉冲信号，经过变送器可实现对转速的测量；角位移传感器通过增量式光电编码器输出的脉冲信号，经过变送器可实现对工程机械回转机构回转角度的测量；光电开关也可实现对位移的检测，通常可用来检测运动部件是否到位；接近开关可以对金属物体进行检测，用以实现运动部件的位移是否到位，还可以通过检测与轴一起转动的金属物体经过接近开光的次数来测定轴的转速；图像传感器可以检测对象周围图像信息，以防止机械之间的干涉和碰撞的发生；等等。

典型的工程机械的执行器有各种控制流量、方向、压力的液压阀件，电动系统中的各类电机、继电器、电磁铁，气动系统中的气动阀件，冷却系统中的冷却风扇等。在本具体实施方式中的模拟台上可以选取一些典型的并且容易实现的执行器组成执行器组件2：齿轮减速马达、步进电机、两位三通气动换向阀、两位四通液压换向阀、风扇、电磁铁、固体继电器中的一种或几种。通过这些执行器的动作，来模拟检验监控系统的控制功能是否得以实现。

监控对象模拟装置3的两端分别与传感器组件1和执行器组件2相连接，以构成闭环控制的监控系统，用于模拟工程机械工作装置的动作。

CAN模块4可采用高性能16位MCU技术，具体可选用Freescale的16位微控制器HCS12系列MC9S12XEQ-512单片机，该单片机具有MSCAN块及16路8位AD采集；4路PWM通道；8路IO接口；CAN通信；模块具有抗震性能；采用专用监控软件。其中每个模块16个模拟信号通道可对0～5VDC的电压信号进行采集，4个PWM信号通道输出5V高电平，4个数字I/O通道在输出状态下，高电平为5V；在输入状态下，可以接收高电平为5V的开关信号。其MSCAN模块又有新增模块XGATE协处理器模块和FlexRay模块来支持，使得其CAN通信在数据的接收和发送性能大大提高。

CAN模块4与监控上位机5通过CAN总线交互的CAN报文是以广播形式发送的，当CAN总线上有报文时，只有发送节点在发送CAN报文，其他的节点都只能接收；当其它节点接收到CAN报文之后，会将CAN报文暂时存储到一个激活的后台接收缓冲区中，进而进行滤波。如果节点所接收到的CAN报文正是其需要的报文，则接收该CAN报文；如果接收节点并不需要此报文，则暂时存储的CAN报文会被下一个CAN报文所覆盖。

监控上位机5可以采用EM9161，EM9161是一块嵌入式主板，主要面向工业自动化。其扩展的底板上设有CAN通信接口，以及触控式液晶显示屏，可以实现工程机械工作状态的监视以及对相关执行器的控制，同时也可以通过触控式界面对系统参数进行修改，实现人机交互。该主板可以作为封装好的芯片使用，其两侧有双排插针，而根据实际应用需求而设计的底板上面有插槽，这样主板和底板的配合构成了完整的智能设备。EM9161底板的基本功能主要包括依据工程应用需求提供各种通讯接口、提供电源模块为主板供电、扩展专用电路等。底板的设计包括底板尺寸以及接口放置的位置，都应该充分考虑所设计的产品的实际需求。另外整机的电磁兼容性的优劣也能在底板的设计上有所体现。

本具体实施方式提供的模拟台主要是为了模拟工程机械中最具有代表性的状态信号检测以及工作装置的典型动作，用以验证通用型工程机械监控系统的可行性，以及对工程机械监控系统进行调试。各个监控器件的功能分述如下：温度传感器可用来实现对工程机械液压系统内液压油温度以及油箱内温度的测定，来对整个液压系统实现安全监控，冷却系统通过检测冷却水进出口温差来实现冷却系统的安全监控；扭矩传感器可用来检测一定范围内的扭矩，实现对大力臂构件的保护，当达到扭矩极值，进行安全报警；拉压力传感器可用来对产生拉压动作的部件进行拉压力检测，对一定量程范围内的拉压力进行检测并通过变送器产生0～5VDC范围内的电压信号；风速传感器可对工程机械工作现场的风速，从一级到十二级进行检测，检测到的风速可作为驾驶员进行操作的参考，或者输入到控制器中，按照预先的程序设定来对工程机械进行进一步的控制，如果风速超过报警限度，可以报警或者停机；线位移传感器可以对于需要测定线位移的部件进行检测，位移是否到位等；角速度传感器是通过光电编码器输出的脉冲信号，经过变送器可实现对转速的测量；角位移传感器通过增量式光电编码器输出的脉冲信号，经过变送器可实现对工程机械回转机构回转角度的测量；光电开关也可实现对位移的检测，通常可用来检测运动部件是否到位；接近开关可以对金属物体进行检测，用以实现运动部件的位移是否到位，还可以通过检测与轴一起转动的金属物体经过接近开光的次数来测定轴的转速。

本具体实施方式的模拟台安装在如图2所示的实验台架上，其结构采用3号角钢焊接制作，三层面板采用3mm铝合金板铺设，11个CAN模块所用的插槽使用铝合金导轨粘接而成，台架四脚采用30mm万向轮。

为了模拟工程机械工作装置中所用的行程控制装置，本具体实施方式利用直流电机和凸轮机构设计了线位移信号发生装置。为了给位移传感器一个能够检测到的位移信号，利用直流减速电机带动凸轮机构旋转，产生一个行程为0～15mm的连续位移。在控制器中写入相应的控制程序，可以通过传感器传送回来的位移信息来控制电动机的开启/停止、转速以及转向，进而控制凸轮的行程。

工程机械的工作装置经常涉及到回转动作，回转的角度和角速度的测定是工程机械监测系统中的重要对象。利用PWM信号控制直流齿轮减速马达带动编码器转动，能够实现正向和反向旋转以及变速旋转，全部的检测信号通过智能仪表的变送可以实时在监控屏上进行显示。

为了模拟室外风环境，给风速传感器提供风速信号，本文利用直流微型风机和塔机专用风速传感器设计制作了风速信号产生装置。利用CAN模块产生的PWM信号可以使微型直流风机产生不同的转速和风速，变化的风速推动风速传感器的三个风杯围绕传感器轴旋转。风速传感器传回变化的脉冲信号，经过变送之后，能够实时地显示当时产生的风速，为工程机械的运行提供可供参考的环境参数。

采用本具体实施方式提供的技术方案，通过将采集的工况信息通过CAN模块发送给监控上位机，并由监控上位机根据工况参数及用户输入的控制命令对工程机械的动力装置、传动装置以及工作装置进行相应的控制，能够直观的获取高端大型工程机械的执行状态，具有对高端大型工程机械的控制操作难度较小以及能够预先对高端大型工程机械控制操作的结果进行估计的特点。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种工程机械监控系统的模拟台，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的工程机械监控系统的模拟台，其特征在于，所述传感器组件包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器、流量传感器、位移传感器、速度传感器、扭矩传感器、风速传感器、图像传感器、开关量传感器或数字量传感器中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的工程机械监控系统的模拟台，其特征在于，所述执行器组件包括齿轮减速马达、步进电机、两位三通气动换向阀、两位四通液压换向阀、风扇、电磁铁、固体继电器中的一种或几种。