韓懷陽

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧 530026)

基于CAN總線的智能壓路機控制及故障診斷系統(tǒng)研究

韓懷陽

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧 530026)

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化設(shè)備已經(jīng)成為了時代發(fā)展的趨勢。工程建設(shè)中的傳統(tǒng)設(shè)備已經(jīng)不能滿足城市化發(fā)展的速度，文章在國內(nèi)外學者對智能壓路機研究的基礎(chǔ)上，提出基于CAN總線的設(shè)計方案，主要針對控制系統(tǒng)與故障診斷系統(tǒng)的研究開發(fā)進行分析，并闡述了工程實現(xiàn)的解決方案。

CAN總線；智能壓路機；控制系統(tǒng)；故障診斷系統(tǒng)；工程實現(xiàn)；設(shè)計方案

0 引言

壓路機是公路建設(shè)中必不可少的壓實設(shè)備，隨著社會的不斷發(fā)展，壓路機由最初的內(nèi)燃式壓路機、輪胎壓路機以及振動壓路機，已逐漸開始將液壓控制技術(shù)、調(diào)頻調(diào)幅技術(shù)以及智能控制技術(shù)運用在壓路機中，并取得了較大的成效，實現(xiàn)了振動參數(shù)可調(diào)節(jié)、壓實效果可評估以及壓實進程的智能控制[1]。傳統(tǒng)的壓路機在施工過程中不能隨時取樣檢測，只能待壓實結(jié)束后進行效果評估，一旦出現(xiàn)壓實度達不到標準時，又要重新開工，不僅影響了工期，也會造成更大的人力以及物力的浪費。

1 CAN總線理論

1.1 CAN總線技術(shù)

CAN(Controller Area Network)控制器局域網(wǎng)是目前國際上較為常用的現(xiàn)場總線之

一，是一種總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò)[2]。最初是由一家德國公司設(shè)計并運用于汽車的檢測和控制系統(tǒng)，有效縮減了汽車通訊設(shè)備間龐大的信號線，解決了汽車控制數(shù)據(jù)接收及檢測繁雜、昂貴的問題。CAN具有位速率高、抗電磁干擾性高、價格低、性能卓越、可靠性強、靈活性高的特點，主要設(shè)計為微控制器通訊，廣泛運用于各種車載電子控制裝置間的信息交換。近年來，這項技術(shù)已經(jīng)不再局限于汽車環(huán)境中的運用，也逐步向工業(yè)以及傳感器等方向過渡發(fā)展。

1.2 CAN總線工作原理

現(xiàn)場總線一般分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得信息傳遞過程較為簡單，運行成本也可控制在較低的范圍內(nèi)。

CAN的物理層運用差分電壓的方式使信號通過光纖、雙絞線等物理介質(zhì)進行傳送，一般有CAN_H和CAN_L兩條信號線，其電壓值的常規(guī)狀態(tài)分別為3.5 V和1.5 V[3]。CAN的總線接口可對通信數(shù)據(jù)進行成幀處理，主要是因為其接口具有CAN協(xié)議的物理層及數(shù)據(jù)連接層的集成功能。應用層主要是使通訊信號與應用程序進行對應交換，再通過對象索引的方式進行訪問，同時，將對象映射至一個或多個處理完成的幀，如圖1所示。

圖1 CAN各協(xié)議層的訪問方式示意圖

1.3 CAN總線技術(shù)的應用

目前CAN總線技術(shù)已經(jīng)在工程機械中運用開來，例如推土機、鉆機、伐木機等。它不僅可以用于汽車環(huán)境的控制系統(tǒng)，還可用于其他工業(yè)設(shè)備中。例如CAN總線技術(shù)結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)可進行污水處理的控制，這種技術(shù)的應用不僅可以提高運行效率，還可有效降低能耗和勞力耗損。

2 基于CAN總線的智能壓路機控制系統(tǒng)

2.1 智能壓路機控制系統(tǒng)的功能及要求

智能壓路機可以對工作參數(shù)以及工作進程進行自動調(diào)節(jié)，并對壓實環(huán)境、壓實材料以及壓實效果進行實時監(jiān)控，一旦出現(xiàn)任何故障，還能進行智能的自我診斷以及警報。同時可將數(shù)據(jù)信號以及GPS信息進行遠距離傳送[4]。智能壓路機的控制系統(tǒng)包括總線通訊的編程、控制器模塊以及顯示器模塊。技術(shù)人員在操作時可通過設(shè)置及調(diào)整參數(shù)后進行自動壓實，也可進行手動操作，操作簡便，容易進行控制。

2.2 基于CAN總線技術(shù)的控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

由于智能壓路機的控制系統(tǒng)具有強大的功能，不僅要對各種傳感器、子系統(tǒng)以及顯示器進行控制，還要面對各種惡劣的施工環(huán)境進行質(zhì)量控制。采用CAN總線技術(shù)，可以簡化控制系統(tǒng)復雜的邏輯關(guān)系，節(jié)省硬件投資及安裝的費用。

(1)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

壓路機的控制系統(tǒng)包括對行駛系統(tǒng)的控制、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制、蟹行控制、灑水系統(tǒng)控制等，這類控制屬于系統(tǒng)本身的控制，屬于整機控制。然而參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)的傳輸以及狀態(tài)的顯示等，均屬于通訊控制。結(jié)合CAN總線技術(shù)使數(shù)據(jù)在串行的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中進行通訊，可將整個系統(tǒng)設(shè)計成上下機位的結(jié)構(gòu)[5]。依據(jù)CANopen協(xié)議設(shè)計一個主節(jié)點，主要是對網(wǎng)絡(luò)進行啟動、檢查、引導以及停止的控制，可設(shè)計多個從節(jié)點，如圖2所示。

圖2 CAN總線系統(tǒng)組成示意圖

(2)工作原理

運行控制系統(tǒng)的程序時，首先初始化輸入輸出信息，將所有數(shù)據(jù)調(diào)制為0。單控制器系統(tǒng)會在輸入輸出初始化后立即進入運行狀態(tài)，然而多控制器系統(tǒng)要在此基礎(chǔ)上再進行網(wǎng)絡(luò)初始化，才能保證各通訊協(xié)議正常運行，并完成數(shù)據(jù)的傳輸。結(jié)合CAN總線技術(shù)后，各控制器也必須遵循CANopen通訊協(xié)議，因此還需進行CANopen初始化[6]。然后對各控制器進行檢測，將各自的信號經(jīng)總線進行傳輸，檢測各控制器是否保持一致的信號，從而確定總線通訊是否正常。最后進行PLC的循環(huán)掃描，并不斷刷新用戶的輸出信號。如圖3所示。

圖3 程序流程示意圖

2.3 CAN總線通訊節(jié)點的硬件系統(tǒng)設(shè)計

在CAN總線系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，智能壓路機的控制系統(tǒng)也采用功能分散的設(shè)計思路將其分散到各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上進行控制，如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)框圖

硬件系統(tǒng)由信號采集輸入通道、信號輸出通道、控制器模塊、顯示器模塊、遠程通訊模塊、總線接口模塊、電源模塊組成。信號輸入通道中常會用到傳感器以及密實度儀，輸出通道可采用液壓控制技術(shù)將電信號轉(zhuǎn)化為具體的處理動作。

2.4 子系統(tǒng)控制要求

(1) 行走控制系統(tǒng)

行走控制系統(tǒng)使用液壓控制技術(shù)，駕駛員可通過調(diào)節(jié)行駛手柄完成操作，自動模式下可以最佳速度勻速前進。若發(fā)生任何不規(guī)范操作，可通過軟件自動進入防護操作步驟。即使駕駛員因各種客觀原因?qū)е滦旭偸直奈恢眉眲∽兓膊粫饓郝窓C急起急停[7]。

(2) 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向控制時首先可在方向盤上輸入相應的轉(zhuǎn)向參數(shù)，再通過傳感器進行反饋，由此形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，最后將轉(zhuǎn)向角度傳送到顯示器上。

(3) 蟹行控制系統(tǒng)

蟹行控制系統(tǒng)主要利用一個雙活塞桿的液壓缸來進行控制，采用4個電磁鐵分別控制兩個電磁閥，不同的通斷組合可實現(xiàn)油缸活塞桿不同的伸縮狀態(tài)，從而實現(xiàn)不同的蟹形狀態(tài)。

(4) 調(diào)頻控制系統(tǒng)

調(diào)頻控制系統(tǒng)也是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用變量泵對振動馬達的轉(zhuǎn)速進行控制，進而調(diào)節(jié)振動軸旋轉(zhuǎn)的方向。但操作指令并不是來自控制手柄，而是根據(jù)不同的壓實模式進行頻率大小的調(diào)節(jié)控制，并結(jié)合使用PID控制算法對振動頻率進行智能調(diào)控。

(5) 調(diào)幅控制系統(tǒng)

調(diào)幅系統(tǒng)可結(jié)合使用開關(guān)閥、定量泵以及調(diào)幅油缸的設(shè)計思路，油缸內(nèi)不同的伸縮位置代表不同的振幅。在此過程中油量保持一定，開關(guān)閥開通時間的長短可決定油缸的移動距離。

(6) 壓實控制系統(tǒng)

壓實控制系統(tǒng)是由多個系統(tǒng)共同組成，并可對控制信號進行邏輯控制，從而完成不同的壓實步驟。這一控制過程主要需要完成壓實模式控制和起振方式控制。一般均有手動控制和自動控制兩種方式。

(7) 灑水控制系統(tǒng)

灑水控制系統(tǒng)主要通過三位選擇開關(guān)來實現(xiàn)定量灑水、變量灑水以及停止灑水的運行狀態(tài)。

3 智能壓路機的故障診斷系統(tǒng)

3.1 設(shè)計方案

為了使壓路機高效、安全地運行，必須對各種故障進行及時診斷，查找故障的原因并進行故障排除。在工業(yè)機械設(shè)備強大的市場競爭力之下，已有不少學者對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及專家系統(tǒng)的故障診斷進行了優(yōu)化升級，使得智能壓路機的故障診斷系統(tǒng)體現(xiàn)出更佳的運行效率。智能壓路機的診斷系統(tǒng)由判斷系統(tǒng)、推理系統(tǒng)、解釋系統(tǒng)、學習系統(tǒng)、知識庫、數(shù)據(jù)庫、人際界面等構(gòu)成[8]。

3.2 故障診斷系統(tǒng)的流程

故障診斷系統(tǒng)首先需對故障信號進行定位，檢測其在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練樣本中是否出現(xiàn)過，若出現(xiàn)過，則通過專家系統(tǒng)進行深層診斷。若未出現(xiàn)過，則繼續(xù)診斷，并通過專家系統(tǒng)對診斷結(jié)果進行驗證。驗證結(jié)果正確時，可自動生成解釋模塊，并傳達至客戶端。具體的流程圖如圖5所示。

圖5 智能壓路機故障診斷流程圖

3.3 故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能壓路機的故障診斷系統(tǒng)是在控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上運行的一種子控制系統(tǒng)，由CAN總線將2個控制器和1個顯示器進行連接，對運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。

圖6 基于CAN總線的故障診斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.4 聲光報警系統(tǒng)的改進

智能壓路機在識別出故障后，通常會在顯示屏上給予相應的提示，可通過設(shè)計聲光報警系統(tǒng)來強化故障信號的識別，使故障能及時得到正確的處理。在以往的警報系統(tǒng)中，當解除一處故障警報后，若該故障還未得到解決，也不能對其進行再次警報?？蓪瘓笙到y(tǒng)的程序進行改進：發(fā)現(xiàn)故障時立即光報警→與以往的故障信息代碼進行比較→與以往信號一致時返回重新檢驗/與以往信號不一致時進行聲報警→聲報警幾秒后自動復位/光報警直至故障解除時復位→循環(huán)檢驗。這種警報系統(tǒng)的改進可以更好地識別故障，且可以更有效地控制故障處理的進程。

4 控制系統(tǒng)及故障診斷系統(tǒng)的工程實現(xiàn)

4.1 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1.1 I/O接口的通訊

對CAN總線接口進行安裝，保障各設(shè)備之間通訊正常，并使用每種軟件自帶的調(diào)試工具進行現(xiàn)場調(diào)試。利用總線將電腦和其他設(shè)備進行連接，并通過動態(tài)連接庫文件Can-VCI.DLL對電腦的CAN接口進行識別，完成I/O接口的通訊。

4.1.2 控制器設(shè)置及程序下載

利用CANMOON軟件對電腦與控制器之間的連接是否正常進行檢驗，并通過對節(jié)點ID的控制完成總線數(shù)據(jù)檢測。首先確保電腦與各控制系統(tǒng)的接線正確，若CAN卡安裝正確，則會在界面上顯示“Starting Can Open”等信息，反之則為“Can Open Failure”。然后運行CANMOON軟件，PC設(shè)備尋找CAN總線上的控制器可通過操作tools菜單下的Scan nodes來完成，若未發(fā)現(xiàn)接線錯誤，則不會出現(xiàn)任何響應，可點擊Ctrl+Alt+Del執(zhí)行終止命令；若發(fā)現(xiàn)接線錯誤，則可在顯示屏上顯示“..the node ID is xx..”，通過控制器的ID號可對錯誤位置進行智能識別。進而將控制器的ID號輸入在node ID框內(nèi)，并執(zhí)行Configure Module命令，可見彈出全為0的窗口。在CANMOON軟件下進行Start Remote Nodes操作可對總線信號進行啟動發(fā)送，Stop Remote Nodes操作可停止發(fā)送[9]。

首先完成程序的編寫，編程線由CAN_H、CAN_L以及地線構(gòu)成，將CAN線用120歐姆的電阻進行連接，再將編寫完成的程序下載至控制器中；使用對應針腳連接的方式將CAN線與地線進行連接，最后對控制器通電。

4.1.3 現(xiàn)場調(diào)試

檢查輸入信號、開關(guān)量信號、 模擬量輸入范圍、 輸出信號等是否正常，從而避免出現(xiàn)接線錯誤或電源錯誤，進而對各個子控制系統(tǒng)模塊進行安裝和調(diào)試。

4.2 故障系統(tǒng)的實現(xiàn)

智能壓路機的故障診斷系統(tǒng)首先需對各個傳感器采集的信號進行接收，經(jīng)控制系統(tǒng)處理后，反映在顯示器中。故障系統(tǒng)中對各個參數(shù)的上下限均有所設(shè)置，一旦出現(xiàn)超出指標的參數(shù)，則會立即啟動警報系統(tǒng)，并及時進行相應的處理。此時會在顯示屏上顯示超標指標的信息，點擊故障鍵，即可對故障原因及處理辦法進行瀏覽。點擊解釋鍵，則可對故障診斷給出充分的解釋。

5 結(jié)語

綜上所述，本文首先對CAN總線技術(shù)進行分析，進而詳細探討基于CAN總線技術(shù)的智能壓路機控制系統(tǒng)以及故障診斷系統(tǒng)，隨后就工程研發(fā)的實現(xiàn)提出了具體的操作提示。在現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷改進壓路機的智能控制系統(tǒng)，不僅能夠高效地完成作業(yè)，還能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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Research on Intelligent Roller Control and Fault Diagnosis System Based on CAN Bus

HAN Huai-yang

(Guangxi Vocational and Technical College of Communications，Nanning，Guangxi，530026)

With the continuous development of information technology，the intelligent device has become the trend of the times.The traditional equipment of engineering construction center has been not able to meet the speed of urbanization development，thus based on the intelligent roller researches of scholars domestic and abroad，this article proposed the design plans based on CAN bus，mainly analyzed the research and devel-opment on control system and fault diagnosis system，and described the engineering implementation solu-tions.

CAN bus；Intelligent roller；Control system；Fault diagnosis system；Engineering implementation；Design plan

U415.52

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.021

1673-4874(2015)06-0083-04

2015-05-02

韓懷陽，碩士，主要從事車輛工程、工程機械研究工作。