轮式挖掘机电子监控装置.pdf

一种轮式挖掘机电子监控装置，属于挖掘机的监控装置。该监控装置包括有发动机控制模块、压力开关一、压力开关二、比例电磁阀、操纵控制器、多功能监视器、节能控制器、油门旋钮、变速箱，发动机控制模块、比例电磁阀、操纵控制器、多功能监视器、油门旋钮和变速箱均与节能控制器连接，压力开关一和压力开关二与比例电磁阀连接。优点：该装置通过微电子技术实现对液压挖掘机在线工况检测、使用CAN总线结构，对机器状态集中监视、自动控制功率匹配、通讯、故障诊断等功能，达到节能、高效、操作简单、舒适的先进水平，具有与GPS接口，能实现对车辆的远程管理功能，提高挖掘机的工作效率。

权利要求书
1.  一种轮式挖掘机电子监控装置，其特征是：该监控装置包括有发动机控制模块、压力开关一、压力开关二、比例电磁阀、操纵控制器、多功能监视器、节能控制器、油门旋钮、变速箱，发动机控制模块、比例电磁阀、操纵控制器、多功能监视器、油门旋钮和变速箱均与节能控制器连接，压力开关一和压力开关二与比例电磁阀连接；
所述的多功能监视器包括有显示器、控制开关和监视控制装置构成，显示器、控制开关和监视控制装置均安装在壳体中，壳体上有显示器和控制开关窗口，显示器和控制开关位于对应的窗口中；
所述的监视控制装置有外围信号输入模块、键盘输入模块、主板、显示模块、GPS锁机接口模块、输入信号处理模块、通讯连接模块、时钟模块、可擦写存储模块、复位电路、CPU模块、报警模块、存储模块、选地模块；所述的多功能监视器外围信号输入模块、键盘输入模块、显示模块、GPS锁机接口模块与主板相连，组成多功能监控器；CPU模块为主处理器，输入信号处理模块、通讯连接模块、时钟模块、可擦写存储模块、复位电路、报警模块、存储模块、选地模块与其相连；
所述的节能控制器有CPU模块、电磁阀控制模块、转速处理模块、模拟量与开关量处理模块、开关控制及信号处理模块、电源模块、电机控制模块，转速处理模块、模拟量与开关量处理模块、电磁阀控制模块、电机控制模块均与CPU模块连接，电机控制模块还通过开关控制及信号处理模块与CPU模块连接，电源模块与各模块相连接，电磁阀控制模块还与模拟量与开关量处理模块和电机控制模块连接，转速处理模块与接口(J5)连接，模拟量与开关量处理模块与接口(J6)、(J7)、(J3)和(J2)连接，开关控制及信号处理模块与接口(J3)和(J1)连接，电机控制模块与接口(J2)连接，电源模块与接口(J4)连接，电磁阀控制模块与接口(J100)连接；
所述的按钮开关包括有旋钮(5-1)、表盘(5-2)、弹簧(5-3)、滚珠(5-4)、电位计(5-5)、插头(5-6)，在电位计和外侧连接有表盘，表盘的上端连接有旋钮，在电位计和表盘之间有滚珠和弹簧。

说明书轮式挖掘机电子监控装置
技术领域
本实用新型涉及一种挖掘机的监控装置，特别是一种轮式挖掘机电子监控装置。
背景技术
目前，传统的轮式液压挖掘机的监测和控制方法存在以下缺点：
1、显示部分：对挖掘机的监测，使用的传统技术是机械式仪表、段式或二极管显示，但存在以下缺点(1)传统的监视机器工作状态只是接入的几个常用的监测点，不能够全面、综合的分析机器所处的状态，不能对机器所处的危险程度进行分析，从而提醒操作者如何处理将要出现的情况。(2)机械表显示的数值对于经验不足的操作者容易引起误解和歧义。(3)不能得到机器的时段工作情况，如燃油量，实际挖掘工作量等，不能提供更多地保养维修等机器的相关信息。(4)传统的人工诊断技术不能满足操作要求，采取相应的措施实现液压挖掘机的护养维修。这种诊断技术的缺点在于：只能实现故障的事后处理，不能避免故障的产生；由于故障的停机维修周期长，降低了挖掘机的利用率等等。为此，当时的液压挖掘机用户大多采用定期维修的方法，就是在挖掘机使用一段时间后，停机进行检查维修，这种方法增加了液压挖掘机的维修成本，同时也大大降低了挖掘机的利用率。
2、节能控制：挖掘机工作过程中存在各种功率损失，其中占主导地位的是液压系统内部损失和功率匹配损失。在传统的功率匹配控制中，(1)只有在最大负载功率下，柴油机与液压泵的功率才能匹配得较好，才能使柴油机工作点位于经济工作区。由于负载的剧烈波动，最大和最小负载功率是交替变化的，加到柴油机输出轴上的扭矩也剧烈波动，使柴油机在小负载时工作点严重偏离经济工作区，因此这种传统的功率匹配是不完全的。(2)为满足最大负载工况的要求，在工程机械的设计中必须按照工作过程中的峰值功率来选择柴油机，因此柴油机功率普遍偏大，燃油经济性较差。当选不到大功率柴油机时，很容易造成发动机过载，这在一些小挖上表现得非常明显——柴油机经常过热，也造成能源的浪费，带来操作困难。(3)如果将各环节作为一个独立系统分别进行研究，尽管取得了一定的节能效果，但效果不佳，各环节之间还存在着不协调性，甚至会产生矛盾，如：发动机与液压泵匹配环节控制量是液压泵的排量，而液压泵与负载匹配环节控制量也是液压泵的排量，对于动力系统与负载匹配方面虽然采用了分工况控制，但一般都是以人工选择并设定动力模式，一旦动力模式与实际工况不符，发动机就会工作在低效区，大幅度提高挖掘机节能性的目的就难以实现。
3、信号传输：但现在在开发使用过程中不使用电喷发动机自带的通讯口(CAN)，而只是使用导线，硬性的信号的接入，只是接入的几个常用的监测点，而对于需要电喷发动机的机器，不能满足其使用要求，线多故障率高、安装不方便、成本增加、也不能获得更多及时的发动机工作状况的信息。
实用新型内容
本实用新型的目的是要提供一种：能实现对液压挖掘机在线工况检测、自动控制、通讯、故障诊断的轮式挖掘机电子监控装置。
本实用新型的目的是这样实现的：该监控装置包括有发动机控制模块、压力开关一、压力开关二、比例电磁阀、操纵控制器、多功能监视器、节能控制器、油门旋钮、变速箱，发动机控制模块、比例电磁阀、操纵控制器、多功能监视器、油门旋钮和变速箱均与节能控制器连接，压力开关一和压力开关二与比例电磁阀连接。
所述的多功能监视器包括有显示器、控制开关和监视控制装置构成，显示器、控制开关和监视控制装置均安装在壳体中，壳体上有显示器和控制开关窗口，显示器和控制开关位于对应的窗口中。
所述的监视控制装置有外围信号输入模块、键盘输入模块、主板、显示模块、GPS锁机接口模块、输入信号处理模块、通讯连接模块、时钟模块、可擦写存储模块、复位电路、CPU模块、报警模块、存储模块、选地模块；所述的多功能监视器外围信号输入模块、键盘输入模块、显示模块、GPS锁机接口模块与主板相连，组成多功能监控器；CPU模块为主处理器，输入信号处理模块、通讯连接模块、时钟模块、可擦写存储模块、复位电路、报警模块、存储模块、选地模块与其相连。
所述的节能控制器有CPU模块、电磁阀控制模块、转速处理模块、模拟量与开关量处理模块、开关控制及信号处理模块、电源模块、电机控制模块，转速处理模块、模拟量与开关量处理模块、电磁阀控制模块、电机控制模块均与CPU模块连接，电机控制模块还通过开关控制及信号处理模块与CPU模块连接，电源模块与各模块相连接，电磁阀控制模块还与模拟量与开关量处理模块和电机控制模块连接，转速处理模块与接口(J5)连接，模拟量与开关量处理模块与接口(J6)、(J7)、(J3)和(J2)连接，开关控制及信号处理模块与接口(J3)和(J1)连接，电机控制模块与接口(J2)连接，电源模块与接口(J4)连接，电磁阀控制模块与接口(J100)连接。
所述的按钮开关包括有旋钮(5-1)、表盘(5-2)、弹簧(5-3)、滚珠(5-4)、电位计(5-5)、插头(5-6)，在电位计和外侧连接有表盘，表盘的上端连接有旋钮，在电位计和表盘之间有滚珠和弹簧。
有益效果：由于采用了上述方案，采用节能控制器实现了挖掘机工作过程中的监测和控制，节能控制器根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率投入工作，这样既充分利用了发动机的功率，提高挖掘机的工作效率，又防止了发动机过载熄火；多功能监控器使用CAN总线结构，对机器状态集中监视，实现对液压挖掘机在线工况检测、自动控制功率匹配、具有通讯、故障诊断等功能，达到节能、高效、操作简单、舒适的先进水平。本系统具有与GPS接口，能实现对车辆的远程管理功能。能实现对液压挖掘机在线工况检测、自动控制、通讯、故障诊断，达到了本实用新型的目的。
优点：该装置通过微电子技术实现对液压挖掘机在线工况检测、自动控制、通讯、故障诊断等功能，达到节能、高效、操作简单、舒适的先进水平。
附图说明
图1为本实用新型的结构图。
图2为本实用新型多功能监控器结构图。
图3为本实新型多功能监视器电路结构图。
图3-1为多功能监视器的外围信号输入模块电路结构图。
图3-2为多功能监视器的键盘输入模块电路结构图。
图3-3为多功能监视器的主板电路结构图。
图3-5为多功能监视器的GPS锁机接口模块电路结构图。
图3-6为多功能监视器的输入信号处理电路结构图。
图3-7为多功能监视器的通讯连接模块电路结构图。
图3-8为多功能监视器的时钟模块电路结构图。
图3-9为多功能监视器的可擦写存储模块电路结构图。
图3-10为多功能监视器的复位电路结构图。
图3-11为多功能监视器的CPU模块电路结构图。
图3-12为多功能监视器的报警模块电路结构图。
图3-13为多功能监视器的存储模块电路结构图。
图3-14为多功能监视器的选地模块电路结构图。
图4为本实用新型节能控制器电路结构图。
图4-1为节能控制器的转速处理模块电路结构图。
图4-2为节能控制器的电源模块电路结构图。
图4-3为节能控制器的CPU模块电路结构图(带CAN口)。
图4-4为节能控制器的开关控制及信号处理模块电路结构图。
图4-5为节能控制器的电机控制模块电路结构图。
图4-6为节能控制器的模拟量与开关量处理模块电路结构图。
图4-7为节能控制器的电磁阀控制模块电路结构图。
图4-8为节能控制器的RS232模块电路结构图。
图5为本实用新型的油门旋钮结构图。
图1中，1-1、发动机控制模块；1-2、压力开关一；1-3、压力开关二；1-4、比例电磁阀；1-5、操纵台部分；1-6、功能监视器；1-7、节能控制器；1-8、油门旋钮；1-9、变速箱。
图2中：2-1、预热指示；2-2、工作小时计；2-3、增压指示；2-4、自动怠速指示；2-5、行走快/慢速度显示；2-6、发动机转速表；2-7、液压油温度表；2-8、菜单控制键；2-9、自动怠速；2-10、S模式；2-11、L模式；2-12、H模式；2-13和2-14、行走快慢速度控制开关；2-15、静音；2-16、破碎模式；2-17、ECM指示灯；2-18、冷却液温度表；2-19、燃油油位表；2-20、破碎模式指示；2-21、H模式指示；2-22、支腿/推土铲切换指示。
图5中，5-1、旋钮；5-2、表盘；5-3、弹簧；54、滚珠；5-5、电位计；5-6、插头。
具体实施方式
实施例1：该监控装置包括有发动机控制模块1-1、压力开关一1-2、压力开关二1-3、比例电磁阀1-4、操纵控制器1-5、多功能监视器1-6、节能控制器1-7、油门旋钮1-8、变速箱1-9，发动机控制模块1-1、比例电磁阀1-4、操纵控制器1-5、多功能监视器1-6、油门旋钮1-8、和变速箱1-9均与节能控制器1-7连接，压力开关一1-2和压力开关二1-3与比例电磁阀1-4连接。
所述的多功能监视器包括有显示器、控制开关和监视控制装置构成，显示器、控制开关和监视控制装置均安装在壳体中，壳体上有显示器和控制开关窗口，显示器和控制开关位于对应的窗口中。在显示器上有预热指示2-1、工作小时计2-2、增压指示2-3、自动怠速指示2-4、行走快/慢速度显示2-5、发动机转速表2-6、液压油温度表2-7、菜单控制键2-8、自动怠速2-9、S模式2-10、L模式2-11、H模式2-12、行走快慢速度控制开关2-13和2-14、静音2-15、破碎模式2-16、ECM指示灯2-17、冷却液温度表2-18、燃油油位表2-19、破碎模式指示2-20、H模式指示2-21、支腿/推土铲切换指示2-22。
所述的监视控制装置有外围信号输入模块3-1、键盘输入模块3-2、主板3-3、显示模块3-4、GPS锁机接口模块3-5、输入信号处理模块3-6、通讯连接模块3-7、时钟模块3-8、可擦写存储模块3-9、复位电路3-10、CPU模块3-11、报警模块3-12、存储模块3-13、选地模块3-14。所述的多功能监视器外围信号输入模块3-1、键盘输入模块3-2、显示模块3-4、GPS锁机接口模块3-5与主板3-3相连，组成多功能监控器；CPU模块3-11为主处理器，输入信号处理模块3-6、通讯连接模块3-7、时钟模块3-8、可擦写存储模块3-9、复位电路3-10、报警模块3-12、存储模块3-13、选地模块3-14与其相连，共同组成监视控制装置的主板部分。
所述的节能控制器有CPU模块4-3、电磁阀控制模块4-7、转速处理模块4-1、模拟量与开关量处理模块4-6、开关控制及信号处理模块4-4、电源模块4-2、电机控制模块4-5，转速处理模块、模拟量与开关量处理模块、电磁阀控制模块、电机控制模块均与CPU模块连接，电机控制模块还通过开关控制及信号处理模块与CPU模块连接，电源模块与各模块相连接，电磁阀控制模块还与模拟量与开关量处理模块4-6和电机控制模块连接，转速处理模块4-1与接口J5连接，模拟量与开关量处理模块4-6与接口J6、J7、J3和J2连接，开关控制及信号处理模块4-4与接口J3和J1连接，电机控制模块4-5与接口J2连接，电源模块与接口J4连接，电磁阀控制模块与接口J100连接。
所述按钮开关包括有旋钮5-1、表盘5-2、弹簧5-3、滚珠5-4、电位计5-5、插头5-6，在电位计和外侧连接有表盘，表盘的上端连接有旋钮，在电位计和表盘之间有滚珠和弹簧。
工作原理：本系统由监视部分、控制器部分、油门旋钮、压力开关、转速传感器，速度传感器，压力开关等组成。通过总线结构，节能控制器，监视控制装置的接收发动机ECM的信号(如油压、水温)、机器的模拟和开关量信号(如速度、压力开关)，进行处理判断，输出相应的信息，送显、控制泵的斜盘摆角、发动机的转速，车辆自动导航等，实现了对挖掘机工作过程中的监测和控制。节能控制器为核心部分，根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率投入工作，这样既充分利用了发动机的功率，提高挖掘机的工作效率，又防止了发动机过载熄火；监视部分实现对机器的工作状况的监测，方便操作需要，并具有故障报警，自诊断等功能，
一、多功能监视器使用时主要表现为两部分，在图2中，
1.显示部分：该装置的监视部分由显示部分、报警部分(内置蜂鸣器)、控制开关部分组成，并具有自诊断功能。液晶显示屏主要实现显示和报警功能，实时的显示机器的工作状况、机器的状态信息、维修保养手册等；
2.控制开关部分：控制开关部分包括模式开关、控制按键(翻页、静音)、机器操作所需的功能按钮等。通过监视器面板上的报警指示标识，及蜂鸣器提醒操作者机器出现故障信息点：泵控制器、发动机冷却液温度、液压油温度、燃油油位、发动机油压等检测点出现工作异常。
二、节能控制器
该装置使用单片机技术，对发动机和液压泵系统进行综合控制，功率优化，达到最佳匹配，从而到达节能的目的，并具有自诊断功能。
主要功能：
(1)实现发动机功率与主泵功率的最佳匹配，达到机器最佳作业工况的液压功率；
(2)根据机器的外负载，调节泵的输出功率；
(3)根据发动机的不同转速对泵的输出进行平稳控制；
(4)发动机自动怠速(AEC)功能，节约能源。
图4中，节能控制器系统的控制器通过采集发动机速度旋钮信号和发动机的转速信号，参考功率模式，形成控制信号后将信号通过CAN总线与发动机的ECM模块通讯，来调整发动机的速度，同时向电液比例减压阀发出控制信号，比例减压阀将电信号转换为液压压力信号调节泵的排量大小。泵的最大允许输出由模式开关设定。功率模式H提供最大的泵功率输出，功率模式S产生中等泵功率输出，功率模式L产生最小泵功率输出，模式的选择取决于所进行的作业工况。
2.1功率模式H
该模式也叫动力模式，用于需要重负荷的工作状况的一种工作模式。按下监控器上H模式开关按钮，控制器把处理后的信号通过控制发动机的转速和调节泵的输出，为作业提供最大的发动机功率。
在工作过程中控制器不断地通过转速传感器检测发动机的实际转速，由于外围负载的变化，发动机的转速也跟着变化，实际转速若低于设定的额定转速，控制器便减小驱动电磁比例减压阀的电流，继而通过油泵斜盘角度调节装置减小斜盘角度，降低泵的排量，以使实测发动机转速与设定的额定转速一致，从而避免因负载增加过大过速，发动机掉速过大而导致发动机熄火的现象。如果实际发动机转速高于设定的额定转速，控制器便加大驱动电磁比例减压阀的电流，继而通过油泵斜盘角度调节装置增加斜盘角度，增大泵的排量，最终使发动机也工作在额定转速附近。
2.2功率模式S
S模式即节能模式、标准模式，用于一般作业，通过监控器上的按钮来选择此工作模式，此模式的作业速度比模式H稍微降低，但是降低了噪音和减少了燃油消耗。
2.3功率模式L
功率模式L为轻载作业模式，用于不需要高功率和速度的轻载作业，适合于挖掘机的平整作业等。选择此模式比模式S降低了工作速度，但改进了精细操作并降低了噪声和燃油消耗。
2.4附加工作模式
附加工作模式为用户设置模式，如破碎模式等。
2.5发动机自动怠速控制(AEC)
当自动怠速开关打开，此时机器处于自动怠速状态(自动怠速按钮在监控器上)，如果所有操纵杆在中位，8秒后，发动机自动进入低速运转---自动怠速状态(发动机自动怠速转速由设备出厂前设定)，如果操纵操纵杆，发动机的转速将立即升到设定的转速。从而可减少液压系统的空流损失和机器的磨损，起到减少作业噪声，节省燃油的作用。
2.6备用模式
本系统还配备一备用模式开关，当控制器失效时，将此备用模式上的开关向下拨动，由此备用模式中的电阻向电磁比例减压阀提供电流，使挖掘机处于S模式继续工作，此时监控器上出现备用模式标识。
三、油门旋钮的功能
1、燃油控制旋钮安装在右扶手箱上。电位计安装在旋钮下面，转动旋钮，电位计轴也转动。
2、电位计轴转动时，电位计内可变电阻器的电阻改变，将理想的节流信号传给泵控制器。