基于EPEC控制器的履带吊电气系统研制

摘 要：本文介绍了基于EPEC控制器的履带吊电气系统的基本构成。采用CAN总线作为系统中各单元间交换信息的通道，人机界面详细的显示工作状态和故障状态。最后在我公司生产的QUY80履带起重机上成功运用，系统稳定可靠，履带吊动作响应迅速、工作平稳，取得了良好的控制效果。

关键词：履带吊 EPEC控制器 人机界面 CAN总线 力矩限制器

中图分类号：U448 文献标识码： A

1 引言

履带吊是履带起重机的简称，是一种下车地盘是履带行走机构，靠履带行走的吊车。履带起重机是广泛应用于电力建设、市政建设、桥梁施工、石油化工、水利水电等行业的一种起重运输设备，随着经济建设的发展，对其需求越来越大，对其性能的要求也越来越高。武桥重工集团研发的QUY80履带起重机由水冷机械式柴油机提供动力，主卷扬、副卷扬、变幅、回转和行走机构均由液压系统操纵，主泵采用变量调节，发动机和主泵功率匹配控制，达到节能环保的目的。

2 电气系统设计

该电气系统采用EPEC2023，2024可编程控制器，具有丰富的I/O和PWM口资源，CoDesys软件编译程序，CANOpen和CAN2.0B总线接口与人机界面和力矩限制器进行通讯，使得用户迅速、直观的了解履带吊的工作状态和故障状态。电气系统主要实现以下功能：

（1）发动机状态监测与显示（2）发动机与液压系统功率匹配控制（3）系统安全监测与保护控制（4）主动作控制策略及状态显示（5）系统应急操作控制（6）视频监控及辅助功能

该系统主要由发动机状态监视及控制、EPEC控制器、人机界面、安全限位及力矩限制器和照明辅助装置组成，系统框图如下：

图1 系统框图

2.1 发动机状态监测与显示

控制器通过发动机外部传感器获得发动机的状态数据，在人机界面上以虚拟仪表的形式动态显示出来，并设有报警区域，当显示数值达到报警区域时，控制器报警提示。发动机状态监控主要内容如下，见图2：

图2 人机主界面

（1）发动机转速小时计（2）燃油油位（3）冷却水温度（4）电瓶电压（5）主泵压力（6）副泵压力（7）机油压力

2.2 发动机与液压系统的功率匹配控制

脚踏板和油门旋钮同时控制，控制器采集踏板信号和电位计信号并通过油门电机控制发动机转速。油门踏板控制方式有缓冲处理。当油门突然踩到底时，控制器会按一定的曲线控制油门电机，发动机转数按一定的曲线上升到指定的转速。

控制系统根据当前发动机的转速变化，判断发动机转速的失速状况。如果失速过大，则控制系统自动调节变量泵的排量，降低马达的吸收功率，使发动机的输出功率和负载功率相匹配，保障发动机不因过载而熄火，并处于较佳的工作状态，达到节能环保的目的，并延长发动机的使用寿命。

2.3 系统安全监测与保护控制

EPEC控制器通过限位开关和传感器的信号来实现系统的安全监测与保护控制，力限器，控制器与人机界面之间通过CANOpen总线完成数据交换，故障报警状态在人机界面上显示，见图2：

（1）力矩限制器报警时，控制器控制卸荷电磁阀卸荷，切断履带吊不安全的动作（2）主副卷扬过卷限位控制：防过卷开关，报警提示，禁止卷扬上升，可强制解除（3）臂架上下限位控制：人机界面报警提示，禁止臂架朝危险方向动作，可强制解除（4）车体姿态显示：控制器采集水平仪数据，显示当前车体姿态，并设定报警值（5）液压系统传感器：控制器采集空气滤清器堵塞传感器信号，当发生堵塞时，控制器给出报警信号，提醒操作者清理。控制器还采集液压油位和油温传感器信号，并设定报警值（6）回转解除制动控制：控制器采集回转制动按钮的状态，输出驱动回转解除制动电磁阀，解除回转制动

2.4 主动作控制策略及状态显示

该系统一共有14个DC24V开关电磁阀控制液压系统动作。具体功能如下：

SV1 启动油扇马达；SV2 A型架油缸卸荷；

SV3A 下车体供油； SV3B A型架供油；

SV4A A型架升；SV4B A型架降；

SV5 双泵合流； SV7 打开回转制动；

SV8 伺服系统供油；SV9 切断主卷扬升；

SV10 切断副卷扬升；SV11 切断变幅升；

SV12 切断变幅降； SV13 自由划转功能

通过手柄，脚踏板，油门和面板上的开关按钮等主令控制器来操作，具体逻辑控制功能均通过编程由EPEC控制器完成。输入、输出口状态；工作状态等信息都通过CANOpen总线传送到人机界面上动态显示出来，见图2。

2.5 系统应急操作控制

按下紧急停止按钮，控制器将停止一切PWM输出和DO输出，发动机停车，报警页面显示。

2.6 视频监控及辅助功能

安装卷扬机构摄像头和胃部摄像头以及监视器，监视起重机三个卷扬钢丝绳缠绕工作情况以及尾部作业情况。配有喇叭、雨刮、航空示警灯、三色警示灯和声光报警器等辅助设备。

3 电气系统的特点

3.1 EPEC控制器

针对履带吊的硬件要求，充分考虑整体布线的方便以及小型机械在恶劣工作环境下的正常工作要求，系统使用两个防护等级达到IP67的EPEC OY公司（芬兰）开发的可编程控制器EPEC2023、2024的方案，2023主要负责接收限位和发动机传感器信号，2024主要负责接收司机室面板和手柄信号，两者共同输出开关电磁阀和指示灯信号，控制器之间通过CANOpen总线通讯。控制软件为CoDesys，采用模块化设计，为软件升级、维护、扩展功能提供良好的构架平台。

3.2 CANOpen通讯协议

CANOpen是基于CAN总线的应用层协议，开发符合CANOpen协议的系统有利于设备的标准化，使得任何符合CANOpen协议的设备都可以很方便地挂接到此系统中。本系统就在CANOpen总线上挂接了两个控制器，一个人机界面和一个力矩限制器。CANOpen协议标准定义了4种类型的通讯对象，即网络管理信息（NMT）、预先定义信息、过程数据对象（PDO）和服务数据对象（SDO）。本系统所有节点模块之间都采用PDO通讯方式。系统工作时，控制器、人机界面和力矩限制器之间的信息以PDO方式发送到总线上，各模块根据相应的地址从总线上读取数据，经过控制器内执行程序处理后，发出相应的控制信号，驱动履带吊相关部件动作。

3.3 力矩限制器

力矩限制器由主机、重量传感器、角度传感器组成，主机输出信号有超载、变幅上下限位。

（1）当实际起重力矩（G）小于额定起重力矩（GN）的90%时，力矩百分比条码显示在绿色区域：标示吊机处于安全负载状态；（2）当90%GN

当我们需要对仪表的工况参数进行修改，那么首先启动显示器和主机，显示器显示在主窗口工作状态，找出“设置”按钮对应的功能按键{F7}，轻按“F7”键（约2秒）进入“力限器设置”窗口，见图3：

图3 力限器设置窗口

4 结束语

我公司生产的QUY80履带起重机已经成功投产，系统稳定可靠，履带吊动作响应迅速、工作平稳，取得了良好的控制效果。

参考文献：

[1] 裘为章.实用起重机电气技术手册.第一版

[2] 杨翔，朱建新，梅勇兵.EPEC控制器在挖掘机总线通讯系统中的应用.工程机械，2007（第8期）

[3] 赵明.轮胎式/履带式起重机维修图解手册.第一版

作者简介：

张峥（1980-），男，工程师，2006年毕业于武汉理工大学自动化专业，硕士学位，2005年3月至2006年3月作为学校交换生在法国ESIGELEC学校留学一年。