CN202492295U - 履带式起重机的网络控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种履带式起重机的网络控制系统，包括：布置在所述履带式起重机的操纵室的至少两个控制器以及布置在所述履带式起重机的转台上至少部分控制点的多个远程IO模块，所述至少两个控制器和所述多个远程IO模块均作为独立的电子控制单元并联到现场总线上。本实用新型将控制器、远程IO模块和触摸屏等独立的电子控制单元并联到现场总线，各电子控制单元按照所在区域就近连接，每个电子控制单元减少了大量线束，实现了分布式控制，并实现更加灵活和节省的空间布局。双控制器构成的冗余系统确保了起重机运行更稳定，合理利用了总线资源，并使用触摸屏以代替开关和指示灯，优化控制，简化操作。

Description

履带式起重机的网络控制系统

技术领域

本实用新型涉及电气控制技术，尤其涉及一种履带式起重机的网络控制系统。

背景技术

履带式起重机的电气控制系统，是通过内部控制器对各种数据信息(由传感器、检测开关等采集)进行运算和处理，并将结果传输给显示器或执行器，以完成整车的动作控制。目前的履带式起重机电气系统一般采用集中式控制方式，即将整车的控制信号线束(包括输入和输出)全部连接到操纵室内部的控制箱，然后再引到集中一起的数个控制器。随着产品研发吨位的扩增，更多的控制要求意味着更多的信号线束，然而受到操纵室本身的空间限制，众多的连接线束不仅影响美观，接线繁多，更容易造成接线错误，故障排除困难，不便于以后更多的功能扩展。

此外，网络控制技术发展日新月异，现场总线技术的应用不仅仅是在控制器、检测仪表和传感器中，而且已经出现了很多配有总线端口的集成开关、保险盒等，使用这种电气器件可以极大的优化系统结构，减少线束和方便检测维修。网络控制是电气控制系统发展的必然趋势。

在目前国内履带式起重机的技术方案中，通过在履带式起重机的转台上添加一个控制柜，将数个控制器由操纵室转移到位于转台箱体的控制柜中，并通过总线将它们与操纵室的控制器进行连接，即使用各控制器作为控制网络结构中的节点，以完成数据通信，缓解操纵室的空间压力，控制网络结构如图1所示。其中假设操纵室内控制器为可编程逻辑控制器(Programming Logic Controller)PLC1和PLC2，转台内控制器为PLC3和PLC4。显示器、全球定位系统(GlobalPositioning System，简称GPS)、遥控设备、PLC1和PLC2在同一个控制器局域网络1(Controller Area Network，简称CAN)总线内，发动机控制(Electronic Diesel Control，简称EDC)连接至CAN2总线，PLC3或PLC4作为中介，进行CAN1和CAN2总线上的交互式数据通信。

以350中等吨位的履带起重机为例，一般电气控制系统中数字量IO点数为140个左右，模拟量IO点数30个左右，算上部分回路的双重线束，整车的线束非常繁多。考虑到控制器自身配有的IO(输入输出)端口数量，以及转台上所需控制信号的点数较多。因此为了减少信号线束的长度，并且利用较开阔的位于转台的控制柜空间，以便于故障检查和维修，该方案将IO端口较多的控制器PLC3和PLC4放置在转台，PLC1和PLC2放置在操纵室内。部分离控制柜距离近的传感器、电磁阀等信号线束就可以直接连接至PLC3和PLC4，而无需引到操纵室内部，具体控制箱和控制柜空间布局如图2所示。

该方案中CAN1总线通信协议为CAN2.0A，CAN2总线通信协议为CAN2.0B，通信速率均为250Kb/s，满足常规信号的传输、仪表显示等。系统总线电阻设置在操纵室内，使用普通的电缆进行控制器间的通信。该方案中控制线束较多，导致转台控制柜或者操纵室处仍然需要使用大量的重载插头。此外，目前国产的履带起重机一般采用大量的触点开关和二极管指示灯来辅助整车的电气操作。

在上述介绍的电气控制系统方案中，仍存在以下几种缺陷：

首先，该方案将所有控制信号直接连接到控制器，各控制器间通过总线连接，使总线仅仅起到系统通信的作用，而没有完全体现总线应有的分散式现场控制的优势，造成大量的线束涌入控制箱和控制柜，不仅影响整车外观，还间接提高了布线成本，对以后的功能拓展和售后服务都有十分不利的影响。

其次，整车的信号线束全部通过控制器自身所具有的输入/输出端口来连接。由于控制器本身信号端口数量有限，势必要通过增加控制器的数量来解决信号的连接问题，使得整车的成本增加，降低了竞争优势。在增加控制器数量的同时，势必需要额外的空间来放置控制器，有造成和其他结构件或者液压管路位置的冲突，没有从根本上解决问题。

再次，空间布局上，转台控制柜配有连接了近百条线束，造成控制柜体积较大，线路拥挤，而且控制柜位置对整车形象和转台结构布局有很大关系，容易造成干涉。转台上的信号线束数量未必恰好能完全小于在转台控制柜端口总数，因此仍有部分转台上的线束引入操纵室，造成整车的信号数据不够有序，不利于故障检测和排查。

最后，该方案中总线上的信号输入/输出优先等级一致，没有区分主次，所有通信数据同时占用总线通道。工程机械行业强调控制系统安全、稳定，该方案对于驱动系统、仪表系统、故障诊断等没有设置优先等级。发动机数据等通信需要额外的转换过程，会影响控制精度，存在一定的安全隐患。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种履带式起重机的网络控制系统，能够相比于现有技术，减少履带式起重机整车的线束，降低成本，改善空间布局。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种履带式起重机的网络控制系统，包括：

布置在所述履带式起重机的操纵室的至少两个控制器以及布置在所述履带式起重机的转台上至少部分控制点的多个远程IO模块，所述至少两个控制器和所述多个远程IO模块均作为独立的电子控制单元(Electronic Control Unit，简称ECU)并联到现场总线上。

进一步的，所述至少两个控制器互为主备组成冗余控制结构。

进一步的，所述在所述现场总线上还通过网桥并联了触摸屏单元，所述触摸屏单元提供各控制点的点动开关的控制和指示灯的显示。

进一步的，所述触摸屏单元和网桥均布置在所述履带式起重机的操纵室。

进一步的，所述在所述现场总线上还并联有至少一个带有现场总线端口的控制点设备。

进一步的，所述远程IO模块还具有电源端口和接地端口。所述各个信号线路可采用重载插头进行连接。

进一步的，所述现场总线贯穿所述履带式起重机的转台和操纵室，并且所述现场总线的部分在所述转台的内侧布置。

进一步的，所述现场总线的通信有效距离符合所述履带式起重机的转台的长度。

基于上述技术方案，本实用新型采用了控制器和远程IO模块作为独立的电子控制单元并联到现场总线上的方式，方便各电子控制单元就近连接到现场总线上，每个电子控制单元仅需总线信号线、电源线和地线，因此简化了设备连线，实现了分布式控制的目的；其次，在原有的显示器基础上还可以增加一个触摸屏，以代替大量的开关和指示灯，有效减少故障点和简化操作；最后，远程IO模块可以增加控制器的输入/输出点数，减少控制器的数量，实现更加灵活和节省的空间布局。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中履带式起重机的电气控制系统的网络结构示意图。

图2为现有技术中履带式起重机的电气控制系统的硬件布局示意图。

图3为本实用新型履带式起重机的网络控制系统实施例的网络结构示意图。

图4为本实用新型履带式起重机的网络控制系统实施例的硬件布局示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

根据目前硬件的功能参数和当前的控制要求，结合所需的IO点数和结合控制区域/功能，可以采用远程IO模块的端口来代替原先控制器的IO端口，即可以减少控制器的数量。

如图3-图4所示，为本实用新型履带式起重机的网络控制系统实施例的网络结构示意图及硬件布局示意图。在本实施例中，采用了至少两个控制器(图3、图4示出的是两个控制器PLC1、PLC2的例子)、多个远程IO模块(图3、图4简写为IO)来控制整车的运行，这些控制器和远程IO模块均作为独立的ECU并联到现场总线(以CAN总线为例)上，以屏蔽双绞线对作为传输介质，保持各ECU之间的通信。至少两个控制器互为主备组成冗余控制结构。在图3、图4中的两个互为主备的控制器均采用PLC，这种冗余控制结构可以通过多重备份来增加系统的可靠性，即一个PLC作为正常的控制系统，进行数据的运算和控制，而另一个PLC作为待机系统，只做系统数据的备份。举例来说，在正常工作时PLC1处于工作状态，而PLC2保持与PLC1的数据连接和数据更新，以保证在PLC1异常不工作时及时替代PLC1，以确保整个系统的稳定和安全。

根据设备需要，还可以设置超过两个控制器，以增强网络控制系统的处理能力及稳定性。另外，控制器也不限于采用PLC，可以采用适用于工程控制的其他现有控制器，这里就不再举例。

从图4中可以看出，控制器PLC1和PLC2被布置在履带式起重机的操纵室，远程IO模块通常外形紧凑，重量较轻，因此可以方便的布置在转台上的部分控制点(例如转台前面、转台侧面、转台后面等位置)上，而无需制定额外的控制柜。远程IO模块还可以布置在整车的其他位置的控制点，例如臂架等。这样在操纵室有足够空间容纳控制器，以及一些无需连接现场总线的开关设备(例如钥匙开关、急停开关等)。

远程IO模块在控制系统中相当于一个中间传输站，将现场的信号采集到远程IO模块中，然后通过CAN总线传输到控制器PLC；控制信号也可以从控制器PLC传输到远程IO模块，再控制对应的执行机构。远程IO模块能减少PLC数量的原因在于一个普通PLC的端口是有限的，比如共有100个控制信号，一个普通PLC有25个信号端口，则需要4个PLC。而使用远程IO模块的话，一个模块的端口数量和类型是可选的，范围从2-20都有，因此仅需要一个PLC和数个远程IO模块就可以完成同样的控制，从而极大的节约成本。

对于远程IO模块来说，可以按照现有技术制造或者直接购买，而且其实现并不属于在本实用新型所保护的重点，这里就不再详述了。

利用操纵室的空间，还可以设置通过网桥并联在现场总线上的触摸屏单元(图3、图4简写为触摸屏)。由触摸屏单元来代替大部分点动开关和指示灯，再通过网桥将现场总线与触摸屏单元连接起来。触摸屏单元内置有处理器，可以用来处理上述点动开关等的控制以及指示灯的显示，以减轻控制器的计算压力。考虑到手动开关、指示灯的线束较多、空间占用大、接触不可靠，以及以后功能扩展和控制点数增加的趋势，使用触摸屏单元可以很好的解决这一问题。采用了触摸屏单元可以有效地节省开关和指示灯的线束和空间，致使直接接入控制器的线束和继电器的数量明显减少，使得整个操纵室的电气布局更加简洁，操作更加方便。

另外，由于这些指示灯和开关的实时性控制要求不高，比如变幅状态显示、安装控制、灯光控制、支腿油缸等，采用低速的网段足以达到控制要求，因此通过增加网桥来连接触摸屏和总线，以缓解总线负荷。

除了远程IO模块之外，在现场总线上还可以并联至少一个带有现场总线端口的控制点设备(例如传感器、发动机控制、全球定位系统、显示器等)，无需通过远程IO模块来传递信号。另外，远程IO模块除了通过CAN总线与控制器之间传递信号，也可以采用具有无线功能的远程IO模块，进一步的减少整车控制系统中的线束。

从图4中可以看出，一根CAN总线贯穿整个转台和操纵室，沿转台内侧灵活的选择路线进行布置，通过与各ECU的连接采集整个系统的参数，发送给控制器、触摸屏和显示器，达到整车监控的目的。除CAN总线外，各ECU仅需提供电源端口和可靠的接地端口，并且远程IO模块拥有大功率电流输出，部分小功率电气件(功率＜100W)无需额外配置中间继电器。

对于履带式起重机来说，整车控制系统的总线协议可采用扩展标准CAN2.0B，并设置通信速率为500Kb/s。以某一型号的履带式起重机产品为例，该型号有140个数字量，30个模拟量，传递这些数据需要10个报文帧。以500Kb/s的速率进行计算，只需要0.256ms即可完成10个报文帧的传输，占用总线资源不到5％。CAN总线以500kb/s的速率进行通信时，可以达到125米的有效距离，相对于转台的长度来说，在距离上完全可以满足500KB/s的通信速率，换句话说，现场总线的通信有效距离符合履带式起重机的转台的长度。考虑到履带式起重机正常运行时动作一般均为点动控制，而且同时运行的控制点较少，因此总线负荷较小，可以达到实时控制的要求。

相对于CAN2.0A标准的有限节点数，CAN2.0B总线上的节点数目几乎不受限制，并且可以直接和符合SAE J1939协议的设备进行通讯，读取相应的参数，如发动机控制EDC等。各个远程IO模块端口除了配有总线端口，还有电源端口和接地端口，并且整车的线路连接均采用重载插头，保证连接的可靠性和整齐美观。

触摸屏总线端口支持CAN2.0B，低速网段的传输速率为250Kb/s，足够满足照明灯、部分参数显示、辅助油缸等的控制要求，并且按照正常的使用情况，这些功能使用频率相对较低。触摸屏用来显示系统的参数数据和状态，替代部分指示灯输出和点动开关输入，而显示器主要用来提供力限器系统的相关参数(拉力、风速、高度限位等)，两者并不冲突。网桥用来连接高速CAN总线和低速网段的触摸屏，通过网桥可以方便的集中整车信息。

应说明的是，本实用新型各实施例可选用任何已有的现场总线，例如CAN总线、LIN总线等，不失一般性，本实用新型以CA N总线为例进行上述各技术方案的阐述。

综上所述，本实用新型的各实施例至少包括以下优点：

首先，本实用新型将总线贯穿操纵室和整个转台，各ECU直接就近连接到总线上，每个ECU仅需现场总线信号线、电源线和地线。现场信号只要连接到最近的ECU即可，整车所需线束将大幅减少。在上述某实施例中，500Kb/s的传输速率更好的达到实时控制和安全可靠，不仅可以完成整车的通信，而且充分体现了现场总线的优势，即达到分布式控制的目的，为以后的总线更新或功能扩展奠定良好的基础。

其次，本实用新型使用双控制器、远程IO模块和触摸屏更好的完成整车的信号采集和控制。高性能双控制器组建成的冗余控制系统，以其特殊的控制和备份功能，能够极大的保证了整车的稳定运行。使用远程IO模块来增加控制器的输入/输出点数，减少原先的控制器数量，在空间布局上更加灵活，而且能够有效的降低成本。触摸屏替代了大量的开关和指示灯，进一步简化了操作，减少故障点，使操纵室更简洁美观，并且能够直观的显示各控制点参数，及进行必要的在线修正。

再次，本实用新型中各ECU空间布局按照区域进行划分，合理设置在所需控制点附近，不需要额外制作控制柜，通过重载插头达到有效、可靠的连接。整车ECU布局整齐有序，通过系统故障诊断，在显示器上可以直接显示故障点所属ECU和故障原因，达到一目了然，更加方便的使驾驶员了解整车信息，提高产品人性化设计。

最后，本实用新型合理的区分整车信息的重要程度，将整车动力系统、关键检测数据、系统故障诊断等主要功能的通信速率设定为较高速率(例如500Kb/s)，而把雨刮、灯光、支腿连接油缸等辅助功能的通信速率定为较低速率(250Kb/s)，并通过网桥有效的降低系统总线的负荷，提高总线的利用率和控制整车的实时精度，更好的确保整车运行时的安全、稳定、高效，为以后的智能控制算法建设良好的平台。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种履带式起重机的网络控制系统，其特征在于，包括：

布置在所述履带式起重机的操纵室的至少两个控制器以及布置在所述履带式起重机的转台上至少部分控制点的多个远程IO模块，所述至少两个控制器和所述多个远程IO模块均作为独立的电子控制单元并联到现场总线上。

2.根据权利要求1所述的网络控制系统，其特征在于，所述至少两个控制器互为主备组成冗余控制结构。

3.根据权利要求1所述的网络控制系统，其特征在于，在所述现场总线上还通过网桥并联了触摸屏单元，所述触摸屏单元提供部分控制点的点动开关的控制和指示灯的显示。

4.根据权利要求3所述的网络控制系统，其特征在于，所述触摸屏单元和网桥均布置在所述履带式起重机的操纵室。

5.根据权利要求3所述的网络控制系统，其特征在于，在所述现场总线上还并联有至少一个带有现场总线端口的控制点设备。

6.根据权利要求1所述的网络控制系统，其特征在于，所述远程IO模块还具有电源端口和接地端口。

7.根据权利要求1所述的网络控制系统，其特征在于，所述现场总线贯穿所述履带式起重机的转台和操纵室，并且所述现场总线的部分在所述转台的内侧布置。

8.根据权利要求1-7任一所述的网络控制系统，其特征在于，所述现场总线的通信有效距离符合所述履带式起重机的转台的长度。

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