電控發(fā)動機智能化推土機的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢康明斯

長安大學工程機械學院 王永奇/WANG Yongqi
洛陽市政工程管理處 房立文/FANG Liwen
克拉瑪依城市投資發(fā)展有限責任公司 陶 偉/TAO Wei

摘 要：本文介紹和分析了國內(nèi)外智能化推土機發(fā)展慨況和主要技術應用，康明斯歐Ⅲ排放技術以及后處理技術。，指出智能化推土機必將成為21世紀推土機的重要發(fā)展方向。

關鍵詞：GPS 智能化推土機 CAN總線

電子技術和靜液壓技術應用于工程機械領域，使其發(fā)生了巨大變化，在推土機上采用微電腦控制的智能化電子監(jiān)測系統(tǒng)及故障診斷系統(tǒng)、GPS/GIS系統(tǒng)、CAN總線、靜液壓傳動已成為未來推土機發(fā)展的方向。

1 智能化推土機的概念
智能化工程機械通過安裝各種復雜的傳感器來獲取工作環(huán)境的信息，具有自我感知、自主決策、自動控制的功能。智能化工程機械是智能機器人的一類。目前，推土機的智能化主要體現(xiàn)在三個方面，即單機集成化操作與智能控制技術；推土機的智能監(jiān)控、檢測、預報、遠程故障診斷與維護技術以及基于網(wǎng)絡的機群集成控制與智能化管理技術。它具有如下特點：程序化作業(yè)；智能化作業(yè)；智能診斷與報警。

2 智能推土機國外發(fā)展研究情況
近年來，國外推土機產(chǎn)品以電子信息技術為先導，在計算機故障診斷與監(jiān)控、精確定位與作業(yè)、發(fā)動機電子控制和人機工程學等方面，進行了大量的研究應用，主要表現(xiàn)在以下幾方面：
2.1 GPS在推土機的應用
GPS ( Global Position System) 衛(wèi)星系統(tǒng)是由美國的通過衛(wèi)星向全球用戶提供連續(xù)實時三維位置(經(jīng)度、緯度、高度)、三維速度和時間信息的全球定位系統(tǒng)。GPS包括空間分――GPS衛(wèi)星星座；地面控制分――地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設備分――GPS信號接收機，是用戶設備的核心。近幾年GPS在推土機應用越來越廣泛，主要用來確定和控制作業(yè)時工程機械的位置和移動路徑，確定和控制作業(yè)裝置的位置和姿態(tài)，如刀板的位置和傾角、鏟斗斗尖的切削軌跡等。在GPS定位和導向的指引下，在施工成形要求、確定和控制機械運動的方向和移動距離以及確定和控制作業(yè)裝置的動作和運動軌跡時，可以不用人工操縱或簡化人工操縱，實現(xiàn)推土機的自動化和無人駕駛。如圖1：三維GPS推土機控制系統(tǒng)?；窘M成有筆記本電腦、駕駛室內(nèi)控制微機和顯示屏幕、固定GPS基準站和移動GPS接收機。筆記本電腦通過閃存盤將設計數(shù)據(jù)輸給控制微機,控制微機將GPS測量數(shù)據(jù)進行坐標變換,在顯示屏幕上顯示推土機刀板位置和設計數(shù)據(jù)，同時微機發(fā)出控制信號(高度和傾角)。利用GPS接收器確定推土機當前位置和刀板標高，并與預先輸入在控制微機里的數(shù)字地形模型進行比較。彩色顯示屏真實直觀地把刮板位置和路的橫截面圖顯示出來。GPS 3D使用于推土機進行土地粗平，其高程控制精度為2～3cm，克服了激光、木樁、線繩等限制，可減少測量和工程造價,廣泛用于公路、鐵路、堤壩等大型土方工程,該系統(tǒng)尤其適用于立體交叉高速公路的復雜曲面形狀路面的推土施工。
目前，利用GPS(全球定位系統(tǒng))、GIS和GSM技術，卡特彼勒公司、模塊采礦系統(tǒng)公司、MMS、Leica和Trimble導航設備有限公司均了基于GPS的推土機定位系統(tǒng)，大大提高推土機的作業(yè)生產(chǎn)率，如卡特彼勒的采礦鏟土運輸技術系統(tǒng)(METS)。METS包括多種多樣的技術產(chǎn)品，如無線電數(shù)據(jù)通信、機器監(jiān)測、診斷、工作與業(yè)務管理軟件和機器控制等裝置。METTS由計算機輔助鏟土運輸系統(tǒng)(CAES)、關鍵信息管理系統(tǒng)(VIMS)和CAESoffice軟件3分組成，如圖2和圖3；以及Leica公司的Dozer2000導航系統(tǒng)。其結合全球定位系統(tǒng)(GPS)并有計算機輔助設計軟件的接收器，實時地對車輛的位置做精確的判斷。車內(nèi)的顯示屏可以清楚地顯示出機器與要得到的表面有關的位置，使操作者能夠向左或向右移動，并且相應的切削和填充。
2.2 計算機故障診斷系統(tǒng)
機載計算機可根據(jù)各種傳感器的檢測信號，結合專家知識庫對機器的運行狀態(tài)進行評估，預測可能出現(xiàn)的故障，在出現(xiàn)故障時發(fā)出故障信息或指導駕駛員查找和排除故障。
2.3 關鍵信息顯示管理系統(tǒng)
如圖4,采用網(wǎng)絡通訊技術，在辦公室的控制中心實時監(jiān)控推土機的作業(yè)狀態(tài)，據(jù)此向司機提供基于文字提示的精確的故障診斷信息。如：由歐盟資助的CIRC(Computer Integrated Road Contraction)新一代路面施工工程機械的控制和監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在施工機械之間以及施工機械與控制中心之間建立數(shù)據(jù)通信聯(lián)系，實現(xiàn)機群的協(xié)調(diào)作業(yè)。
2.4 柴油發(fā)動機控制管理系統(tǒng)
根據(jù)靜壓傳動裝置及推土機的工作狀態(tài)，自動調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出功率與轉速，以滿足不同作業(yè)工況的需要，提高燃料的經(jīng)濟性。系統(tǒng)是一個基于單片機和CAN總線的燃油噴射控制與發(fā)動機最佳性能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其主要功能有循環(huán)供油、噴油定時、總體控制和故障診斷等等。一般還可通過CAN總線與其他設備進行通信，使整臺機器構成一個完整的管理系統(tǒng)。如圖5，CAT 3408E柴油發(fā)動機電子控制系統(tǒng)ECM(ELECTRONIC CONTROL MODULE)是一種電子綜合控制裝置。
2.6 自動換擋控制系統(tǒng)
根據(jù)機器的行駛速度與負載狀態(tài)自動換擋，并使發(fā)動機轉速與運行工兄相匹配，達到節(jié)能的目的。
2.7 人機工程學的普遍應用
國外工程機械特別注重駕駛員與操作界面的協(xié)調(diào)，講求操作的舒適性。文本圖形顯示器LCD/LED、無線遙控器，多功能操作手柄應用普遍，操作面分布合理。
2.8 CAN總線技術和CANopen協(xié)議在推土機上的應用
CAN是一種標準通訊協(xié)議( ISO 11898)配以主計算機的協(xié)調(diào),用串行網(wǎng)絡方式實現(xiàn)執(zhí)行機構與“智能”傳感器之間的通訊。在機械設備中,信息網(wǎng)與每種單元(每單元均有獨立的微控制器)實現(xiàn)互連,從而與主機之間建立起常規(guī)的通訊通道。CAN總線數(shù)據(jù)段長度最長8個字節(jié),通訊速率可達1Mbps,保證了通訊的實時性,同時受干擾的概率低,可滿足工程機械控制的需要；多主站依據(jù)優(yōu)先權進行總線訪問；無破壞性的基于優(yōu)先權的仲裁；具有良好的抗干擾性與糾錯功能,每幀數(shù)據(jù)都含有CRC校驗及其它校驗措施,總線節(jié)點在嚴重錯誤情況下可自動切斷與總線的聯(lián)系,以使總線上的其它操作不受影響。
在CAN的基礎上,目前在應用層比較常用的協(xié)議，其中CANopen廣泛用于工程機械。CANopen是基于CAN(ContNller Area Network)的應用層協(xié)議，是單主站(Master)系統(tǒng)，系統(tǒng)的運行由主站控制，如圖6。CANopen 是基于CAN串行通訊的網(wǎng)絡系統(tǒng),它假定硬件設備的收發(fā)器和控制器完全遵循ISO 1198標準。圖7 是CANopen 的參考模型。
目前國外著名推土機廠家John Deer、LIBBHERR等已在推土機控制系統(tǒng)中采用CANopen協(xié)議的現(xiàn)場總線技術。
2.9 推土機工作裝置自動控制技術
除了前面提及的利用GPS(全球定位系統(tǒng))、GIS和GSM技術的基于GPS的推土機定位系統(tǒng)外，國外某些推土機也采用無線電遙按、激光、電子技術、傳感技術、微機控制等先進技術，使推土機的工作裝置實現(xiàn)了自動控制，如日本新卡特彼勒-三菱公司的推土機作業(yè)激光自動調(diào)平裝置。日本小松公司的D555A推土機的自動切土控制系統(tǒng)．利用傳感技術和電子計算機技術，使推土機實現(xiàn)了自動推土作業(yè)．

3 國內(nèi)智能推土機技術現(xiàn)狀和智能化發(fā)展趨勢
我國推土機行業(yè)發(fā)展于20世紀70~80年代，以引進小松、卡特和利勃海爾技術為主，經(jīng)過近20年的消化吸收，目前形成了以20世紀80年代末小松技術產(chǎn)品為主導的格，從59kW(80馬力)到235kW(320馬力)規(guī)格齊全的產(chǎn)品系列。但我國推土機技術仍處于較低水平，在運用集成電路技術、微電子技術、傳感技術、信息技術和自動控制技術，實現(xiàn)了節(jié)能化和智能化，我國仍處于起步階段。目前國內(nèi)主要有徐州工程機械集團有限公司、三一重工股份有限公司、天津工程機械研究院、長安大學工程機械學院在從事這方面研發(fā)工作，已經(jīng)完成了道路施工機械中的裝載機、材料拌和站、自卸車、攤鋪機和壓路機等單機的智能化改造，初步掌握機群智能化工程機械系統(tǒng)的設計和制造技術，但是在智能推土機研究方面，國內(nèi)還只是在涉及推土機某些裝置，如三一重工的TQ230全液壓推土機。推土機單機集成化操作與智能控制技術；智能監(jiān)控、檢測、預報、遠程故障診斷與維護技術；基于網(wǎng)絡的機群集成控制與智能化管理技術等方面；CAN總線技術；自動找平技術；行走控制技術；GPS/GIS、LED液晶顯示器和計算機控制的發(fā)動機管理技術已成為智能化推土機的發(fā)展方向。

4 結 語
隨著微電子技術與信息技術發(fā)展，智能化、集成化推土機必將成為21世紀推土機的重要發(fā)展方向。

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