CAN總線技術及其在工程機械中的應用

摘 要：文章主要分析了作為主流現場總線之一的CAN總線的概念和特點，并闡述了其在工程機械領域的應用，重點介紹了其在攤鋪機、挖掘機控制系統中的應用，以及在采礦機械如自助式無人操縱鏟運機中的應用前景。

關鍵詞：CAN總線；工程機械；攤鋪機；挖掘機；鏟運機

引言

隨著工程機械各項技術的不斷發展，電子技術、計算機技術及智能控制技術越來越廣泛地應用于工程機械中，以提高工程機械的操縱性、平穩性、舒適性和工作效率。工程機械電子控制技術在設備安全、節能環保及改變設備功能等方面發揮著重要的作用，越來越成為工程機械工業發展的主導。

傳統的工程機械控制系統由眾多傳感器、儀表及控制機構組成，加上越來越復雜的工作狀態，使得電線數量、種類和節點數越來越多，造成了整機電氣設計和制造越來越復雜，布線困難，可靠性下降，故障排除時間越來越長。CAN總線技術具有成本低、線數少、適用廣、靈活性大、信息傳輸高、特別抵抗干擾等優點，因而被成功地廣泛應用于工程機械行業。

1 CAN總線的相關概念和特點

CAN是目前國際應用最廣泛的現場總線之一，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，是控制器局域網絡（Controller Area Network）的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議，如今其總線規范已被定為國際標準[1]。

CAN總線特點：（1）支持多主工作方式，網絡上任何節點均可以在任意時刻主動向其它節點發送信息，部分主從，通信靈活；（2）支持點對點、一點對多點和全局廣播傳送數據；（3）采用了獨特的非破壞性總線仲裁技術，通過設置優先級來避免沖突，能滿足實時性要求；（4）信號傳輸采用短幀結構，每幀有效字節數為8個，因而傳輸時間短，且每幀信息均具有故障自我檢測、診斷和自動關閉功能，使總線上其他節點通信不受影響，數據出錯率極低，可靠性高，具有較強的抗干擾能力；（5）通訊距離最遠可達10km/5Kbps/s，通訊速率最高可達40m/1Mbp/s，網絡節點數實際可達110個，傳輸速度快，傳送信息量大；（6）通過傳輸總線鏈接各個控制計算機，可以減少導線數量和連接端子，從而減輕整車質量和故障概率提高車輛的可靠性及安全性。控制模塊之間能共享傳感器輸入的信息，從而可以減少傳感器數量；（7）可以實現復雜的控制功能，較易實現子系統的增加或減少，系統擴充容易，改型靈活。

2 CAN總線在工程機械中的應用

CAN總線技術的引入徹底改變了工程機械控制領域的面貌，分布式控制系統完全取代了集中式控制系統，在眾多具有CAN功能的控制器、傳感器和執行器的支持下，繁瑣的連線被單一、簡潔的現場總線網絡所替代，系統設計更加靈活、信號傳輸質量也大幅提高。CAN總線在工程機械上的廣泛應用將使工程機械的控制性能、動力性、操縱穩定性、安全性都上升到一個新的高度，給工程機械技術的發展注入新的活力。

2.1 CAN總線在攤鋪機中的應用

攤鋪機是道路施工中重要的路面施工機械，其性能與可靠性會直接影響整個路面工程的質量。將CAN總線應用在攤鋪機行走控制系統中，整個控制系統可分為三個模塊，分別為電噴發動機控制器、行走控制器和顯示器，以實現集中管理以及功能和危險的分散。其中，電噴發動機控制器根據發動機實際工況對發動機的轉速進行控制；行走機構控制器在攤鋪過程中發揮恒速控制、轉向控制以及整機狀態參數檢測等作用；顯示器發揮整機狀態參數和故障報警信息的界面顯示的作用。攤鋪機的功能分散、集中監視、危險分擔，有利于提高整機的工作性能。CAN總線技術還可應用于攤鋪機自動找平系統中，在系統工程過程中，每個節點作為路面高度采樣點，實時采集路基變化樣本。當主控節點廣播式地發送數據請求幀時，各個節點將當前的實時采樣數據發送給主控制器，多點采集可以濾除干擾信號，更準確地描述路基的變化情況。當主控制器接受完所有節點的數據后，按照一定的算法進行數據處理，去除偶然因素如石塊、坑槽等影響，然后發出PWM信號控制液壓缸的電磁閥，從而控制熨平板的升降使得攤鋪厚度均一[2]。CAN總線的應用提高了道路攤鋪工程的自動化和智能化水平，使攤鋪機作業效率和路面施工質量得到提高的同時改善了道路工程的操作環境，降低了勞動強度。

2.2 CAN總線在挖掘機中的應用

隨著中國挖掘機行業的快速發展，挖掘機的性能是生產廠家市場競爭力的關鍵，高效、節能的智能控制系統成為了提升挖掘機性能的主要手段[3、4]。電氣控制系統作為挖掘機核心系統之一，關系到整機的性能、智能化程度和可維護性。挖掘機的性能要求越高，傳感器數量就越多，如果用傳統控制方式必會增加線束數量，使維護難度增大，不利于數據共享。CAN總線的應用可以在不影響原系統的前提下克服傳統控制方式的缺點。挖掘機的電氣控制系統主要由發動機控制模塊、液壓控制模塊、顯示模塊、GPS遠程管理模塊和常規控制模塊組成。發動機控制模塊中主控制器通過CAN總線可以讀取轉速、工作時間、水溫、油壓、運行狀態等信息，控制發動機起停、轉速、節能、保護，無需再安裝相應的傳感器，簡化了電氣線路。同樣在液壓控制模塊采用CAN總線采集司機的操作，根據檔位、功率模式和發動機狀況等確定主閥的開度，以控制液壓系統實現整機行走、回轉等動作，提高了系統的可操作性，簡化了液壓控制管路。此外，具有CAN總線功能的顯示器能對挖掘機運行過程中的參數進行實時顯示，也能進行參數設置、故障警報及保養提示。GPS終端也能通過CAN總線與總控制器進行數據通信，實現定位和遠程數據傳輸。

2.3 CAN總線采礦鏟運機中的應用前景

隨著礦產資源的開采逐漸向深部延伸，采礦條件更加惡劣，智能化、自助式的采礦設備已是發展必然的發展趨勢[5]。鏟運機是有色金屬深井礦山開采的關鍵設備，由于過去的人為駕駛鏟運機對工作人員的安全威脅很大，而遙控鏟運機可靠性差、系統成本高，所以自助式無人操縱鏟運機成為了采礦設備的重要研究方向。CAN總線技術的通訊系統在自助式無人操縱鏟運機中的應用能使傳感器系統和控制系統方便地對信號的采集、分析和處理，從而實現行走、鏟運等功能。CAN總線的開發應用在采礦機械領域業有廣闊的前景，定能給行業帶來飛躍性的發展。

3 結束語

CAN總線技術具有較高的可靠性、實時性和較強的靈活性，這些突出的優點使其被廣泛地應用，它的發展也推動了工程機械自動化技術的的發展，而且在許多有待開發的機械設備領域具有廣闊的應用前景。CAN總線的應用使工程機械的性能、作業效率和工作質量得到了提高，簡化了電氣線路，液壓回路，減少了傳感器的使用，從而降低了產品的成本也改善了機械的可維護性，由此CAN總線的擴展開發及應用會給許多行業帶來巨大的效益。

參考文獻

[1]陽憲惠.現場總線技術及應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

[2]吳成富，焦生杰，惠紀莊.攤鋪機自動找平控制系統研究[J].筑路機械與施工機械化，2004，21（8）：15-17.

[3]張軍，焦生杰，廖曉明，等.電控節能技術在挖掘機中的應用與發展[J].中國工程機械學報，2010，8（1）：66-71.

[4]王玉林，黃鳴輝，張軍.節能技術在挖掘機液壓系統上的應用分析[J].建筑機械化，2011（5）：31-33.

[5]王運敏，黃禮富.現代金屬礦采礦技術發展趨勢[J].中國礦業，2008，17（7）：8-9.