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工程机械的智能化和信息化发展趋势


中国机械工业联合会机经网  发布时间:2019-01-08 10:57:07  来源:小孚说传动

关键词: 工程机械    智能化    信息化    发展趋势   

计算机技术的高速发展与快速更新,给各种传统行业带来了深刻的影响,工程机械行业也不例外。


  进入21世纪,网络信息化、计算机智能化在工业技术领域得到了长足发展。在现代化的机械工厂,从材料的输入,装卡定位,机床启停,参数调整,切削加工,工件拆卸,到运输均可实现全数字化、全自动化,无人值守;一辆普通轿车可以装备数十个微计算机控制单元,如发动机ECU、变速器TCU、自动防抱死(ABS 等)、制动力分配(EBD/CBC 等)、刹车辅助(EBA/BAS/BA 等)、牵引力控制(ASR/TCS/TRC 等)、车身稳定控制(ESP/DSC/VSC 等)、定速巡航控制、自动空调系统、数据总线通信控制、路径导航、远程定位通信服务系统以及车载影音系统等,这些部件的核心是计算机微控制器,计算机微控制器通过传感器感知外界动态信息并接受驾驶员操作指令,通过内部核心控制策略进行智能分析判断,输出控制指令,准确、及时地控制执行元件作出响应,达到理想的控制目的。

  计算机技术的高速发展与快速更新,给各种传统行业带来了深刻的影响,工程机械行业也不例外。

  一、工程机械智能化、信息化的发展概况

  1 国外概况

  长期以来,国际市场上工程机械技术产品曾被美国、日本、俄罗斯以及西欧等国家和地区的国际大型企业集团所垄断。下面以卡特彼勒的988H型轮式装载机(见图1)和797F 型矿用卡车(见图2)为例,介绍国外工程机械智能化、信息化的发展概况。

  

 

图一

  1.1 988H 型轮式装载机

  该机拥有:

  1)燃油管理系统:用于装载作业时,可节省燃油高达15%,降低每个作业周期中除挖掘部分以外所有部分的发动机速度,从而将对生产力的影响降到最低,同时节省大量燃油;

  2)自动怠速降挡功能:如果司机有一段时间没有主动操作机器,系统将暂时降低发动机速度以节省燃油,在发动机自动降低速度后,只要司机操作挡位开关或方向盘,系统便会自动恢复发动机速度到之前的设置;

  3)发动机怠速停机功能:在机器处于安全怠速状态较长时间后,自动停止发动机;

  4)负载控制系统:可帮助设备拥有者和司机管理车辆有效负载及产生准确的物料运输记录,这种高级电子控制系统专为行驶中称重而设计,准确度可达±1%,可对1 000 辆车以及25 种不同物料进行存储记录;

  5)自动限位装置:司机可从舒适的驾驶室轻松设置卸载高度或铲斗角度,当需要进行装载作业时,此功能可增强灵活性,提高生产率;

  6)Cat Product Link:该系统可获取有用信息以保证工作按计划进行,保持机器正常的工作状态,并降低车队运营成本。

  1.2 797F 型矿用卡车

  

  在很多矿山企业,巨型矿山机械每天工作长达12 h,常常是1 个司机,坐在4 层楼高的驾驶室里,忍受噪声、浮尘、酷暑和寒冷等恶劣工作环境的影响,而797F 的远程遥控操作功能使得操作者只需坐在舒适的办公室里即可驾驶重达上百吨的这一巨无霸完成各种工作任务,该机拥有:

  1)VIMS 3G 监控系统:实时提供重要的机器运行状况及有效负载数据,保证其性能始终处于高生产水平,机器上的传感器使VIMS 系统能够迅速交换和监控所有系统传来的信息,维修技师可在办公室、车间或驾驶室内迅速下载数据,生成报告,数据可用于提高定期维护计划的效率,尽量延长部件使用寿命,改善机器利用率并降低运营成本;

  2)生产和有效负载管理:该系统可用于提高卡车/ 装载工具的效率,提升车队的生产能力,有助于延长卡车机架、轮胎、轮辋和动力传动系部件的寿命,同时降低运营和维护成本;

  3)外部有效负载指示器:指示操作员何时停止装载,以达到最佳有效负载,从而避免过载;

  4)道路分析控制:通过测量机架的左右和上下颠簸来监控运输路况,以改善维护保养周期时间,延长机架和轮胎的寿命,并提高燃油效率。 从上述两个案例可以看出,国外的智能化工程机械已具备集成化操作与智能控制、远程监控与智能维护、工程机械智能化管理等功能。

  2、国内发展概况

  我国智能化工程机械技术的研究工作始于20世纪90 年代初。1991 年,国家启动“863 计划”,在自动化领域首席科学家蒋新松的倡导下,在国内首先开展了工程机械机器人化技术的研究工作,先后进行了挖掘机机器人化和推土机机器人化,自动导引车(AGV)的技术开发。一些高等院校、科研机构,如中国科学院、清华大学、吉林大学和天津工程机械研究院等与国内多家工程机械生产企业进行了相关的联合研究与开发。

  

  国内工程机械智能化控制系统的发展主要经历了4 个阶段:

  1)2000 年以前,控制系统软硬件全部依赖进口,国内主机厂家的设计人员主要以电气系统设计、元件选型为主,这种状况严重制约了我国工程机械智能化技术的发展,限制了我国工程机械产品与国外同类产品的竞争实力;

  2)2003 年左右,国内开始引进国外生产的控制器,设计人员根据工程机械主机控制策略进行二次开发,编制控制软件,此阶段,设计人员开始关注控制模型的搭建,但是作为工程机械智能化系统的核心,即控制器,仍然绝大部分依赖于进口,国内工程机械在智能化控制领域仍然处于初期阶段;

  3)2006 年左右,国内企业开始投入大量的人力、资金研发控制器、人机界面等产品,通过模仿进口产品或全自主研发的方式,陆续推出一些产品,但是这些产品在可靠性方面均有待改进;

  4)到了最近几年(2010 年起),国内开始运用现代化手段开发并验证工程机械控制策略,采用基于模型的开发模式进行各种工程机械主机控制系统的研究开发。

  如今,我国工程机械行业已进入高速发展的通道,而变速器、高压液压件和电子控制器等关键零部件过于依赖进口,这个限制因素影响了我国整机厂商的战略扩张,解决关键零部件的问题已经到了刻不容缓的地步,因此,“十三五”期间是投资工程机械关键零部件领域的较好时机。

  二、工程机械智能化与信息化的主要方向

  工程机械信息化与智能化是指在工程机械中应用信息集成与智能控制技术,使工程机械具有一定的自我感知、自主决策和自动控制的功能,可归类于工业智能机器人范畴。随着科技的进步和现代施工项目大型化的需求,新一代工程机械不仅需要实现集成化操作和智能控制,而且需要将它们组成基于网络的智能化机群协同控制系统,以获得项目施工的高效、低耗,并在尽可能短的时间内完成项目施工任务。工程机械产品的信息化与智能化已成为当今世界工程机械的重要发展方向之一。

  

  工程机械的智能化:工程机械利用工程机械集成信息,应用计算机微控制器,通过传感器感知外界动态信息并接受司机操作指令,通过内部核心控制策略进行智能分析判断,输出控制指令,准确、及时地控制执行元件作出响应,达到理想的控制目的。相关智能控制包括:发动机智能控制、传动系统控制、调平系统控制、整机热管理系统控制、计量系统控制、空调管理系统控制、车载影音娱乐系统控制以及各种工程机械专业核心控制。

  工程机械的信息集成:工程机械的信息包括售前信息与售后信息。售前信息是指产品销售之前,其自身所有的相关信息,是产品品质的先天因素;售后信息是指产品销售之后,在各种外界条件(如使用、运输、存储、保养与维修等)下的相关信息,是产品品质的后天决定因素。如果工程机械的售前信息与售后信息得到有效集成并方便读取,对于机器的使用、管理、故障诊断与维修维护、寿命预估、二手转售评估、按揭销售风险管控、租赁管理等将变得更加方便、快捷、准确,可保证相关各方利益。

  1 发动机智能控制

  工程机械发动机通常采用柴油机,其智能电控系统由发动机微控制器、高速电磁阀和各种传感器等组成。柴油机智能电控系统通过控制最佳的燃油喷射时间、喷油压力和喷油量等,有效地调整发动机动力输出与负载、环境因素匹配,在满足发动机动力要求的基础上,提高燃料的利用率,确保发动机排出的废气符合环境控制法规要求。其基本工作原理是微控制器(ECU)根据发动机曲轴转速和油门踏板信号,以及水温、进气温度、进气压力和进气量等输入信号,按照预置的控制策略确定出最佳喷油量与喷油正时。系统一般还配置CAN 总线与整机控制系统进行数据交换,实现整机的智能化协调控制。

  2 牵引/变速控制

  行驶是工程机械的主要功能之一,不同的工程机械行驶系统动力传动路线差异较大,有发动机与变速器直接连接的,也有发动机与变矩器连接后再连接变速器的,还有发动机与液压泵直接连接的。对于不同机种,牵引/变速控制是根据驾驶操作意图,控制机器行驶速度与挡位切换,使发动机运行与行驶系统工况相匹配,达到行驶平顺与节约燃料的目的。

  3 调平控制系统

  调平是多种工程机械共同的功能需求,但不同工程机械对于调平系统的功能要求各具特点。摊铺机要求作业中熨平板的高度与道路设计标高线保持一致不变,使最终完成的摊铺路面平整,因此调平系统需要调整浮动熨平板的牵引铰点,消除整机随路基起伏引起的高程波动,使熨平板在摊铺过程中始终保持在理想高度附近。 平地机和推土机的调平是在作业过程中自动控制铲刀高度液压缸,使刮铲面保持一定高度,减轻驾驶人员的劳动强度并提高作业效率。路面铣刨机、路面再生机和桥梁运输车等也都需要不同的调平系统。

  调平系统通常由传感器(高程、角位移传感器)、控制器、人机界面和执行元件(比例、开关电磁阀)组成。调平系统可以独立组成系统,也可以与整机控制系统进行协调控制。徕卡公司的3D GPS 平地机控制系统,由定位基站接收GPS 卫星的时间和位置信息,平地机接收基站与GPS 卫星信号并综合坡度传感器信号,计算出平地机铲刀准确方位,同时调取系统计算机内置的工程设计数据,由铲刀控制器将铲刀控制在理想位置,驾驶员完全无需操作铲刀,可显著提高平地效果与作业效率。

  4 挖掘机智能控制系统

  机电一体化是液压挖掘机的主要发展方向之一,其最终目的是机器人化,实现挖掘机全自动运转。作为工程机械主导产品之一的液压挖掘机,在近几十年的研究和发展中,已逐渐完善,其工作装置、主要结构件和液压系统已基本定型。人们对液压挖掘机的研究,逐步向机电液控制方向转移,控制方式不断变革,使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、电气操纵、液压伺服操纵、无线电遥控、电液比例操纵和计算机直接控制。目前,对挖掘机机电一体化的研究,主要集中在液压挖掘机的控制系统上。 液压挖掘机电气控制系统主要是对发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件(液压缸、液压马达)的温度、压力、速度及一些开关量进行检测并将有关检测数据输入到挖掘机的控制器,控制器综合各种测量值、设定值和操作信号,发出相关控制信息,对发动机、液压泵、液压控制阀和整机进行控制,主要包括以下几项关键技术:

  1)油门自学习功能:根据设置的转速,控制系统自动标定对应转速的油门位置并进行记录;

  2)旋钮档位识别:实现油门档位的自动识别,并根据动力模式等条件判定油门电机执行挡位;

  3)自动怠速:当系统开启自动怠速功能,且工作压力开关和行走压力开关均断开一定时间后,发动机进入自动怠速(1 350 r/min);自动怠速退出条件是工作压力开关和行走压力开关闭合,则回到设定转速或进入机械怠速;当油门旋钮对应的档位速度低于自动怠速速度时,以油门旋钮设定速度为准;

  4)自动暖机:开启自动暖机功能后,若启动系统时检测到水温低于10 ℃,系统执行自动暖机功能,将发动机速度调到自动怠速挡,暖机退出条件为时间累计10 min 或者水温高于30 ℃,显示器提示自动暖机信息;

  5)过热保护:当发动机冷却水温T≥105 ℃时,控制器自动控制系统下降一个挡位以保护发动机;当发动机冷却水温T≤95 ℃时,过热保护功能自动取消;发动机过热保护和返回正常功能控制确认时间均为2 min;

  6)发动机恒功率控制:H 模式,即重负荷挖掘模式,发动机油门处于最大供油位置,发动机以全功率投入工作;S 模式,即标准作业模式,液压泵输入功率的总和约为发动机最大功率的90%;L 模式,即普通作业模式,液压泵输入功率的总和约为发动机最大功率的80%;

  7)发动机与液压系统匹配控制:根据具体工况,在主要考虑动力性时,发动机恒功率输出,通过控制泵的排量使得发动机的转速和负荷率始终保持不变;在主要考虑经济性时,发动机变功率输出,使发动机始终以最适宜的输出功率运转,同时根据外负荷变化控制泵排量的变化,使发动机按燃料经济性最好的理想负荷运转。通过上述两种控制方式的组合,使发动机在整个转速范围内都能适应负荷变化,保持最佳功率利用率,最佳的动力性和经济性,液压系统具有较高的传动效率,整个负荷驱动系统具有自适应能力且具有最高的综合性能指标。

  5 基于产品全生命周期的工程机械数据集成管理

  了解掌握工程机械产品的基本状态,进行故障诊断、产品寿命预估等,必须全面掌握产品的各种信息数据,才能做出准确的判断。基于产品全生命周期的工程机械数据主要分为2 个阶段进行采集:

  1)产品设计制造阶段,采集设计信息、制造信息、配套件信息和调试试验信息,这些信息是产品品质的先天因素;

  2)产品使用维护阶段,主要采集验收试验信息、运行状态信息、保养维护信息和产品维修信息等

  现代工程机械产品通常是机电液仪多系统集合的复杂产品,选用的零配件成百上千,涉及不同材料、不同形态以及不同供应商,产品的准确描述需要大量的各种设计数据、加工数据、调整参数和使用工况数据等。工程机械产品面对的施工工况常有高温酷暑、风霜雨雪、振动冲击和潮湿、粉尘等,十分严苛,大批量工程机械产品数千小时的使用,将形成海量的产品运行状态数据、环境数据和保养维修数据。将这些工程机械产品设计制造、使用维护的全生命周期数据进行集成管理,可全面提升和支持产品售后服务,支持基于配置的设备维护计划和维修备件管理,支持视情维护,支持基于历史数据、专家系统和故障信息的远程故障诊断和设备监控,同时支持基于历史运行维护数据的数据挖掘、统计分析,为产品的设计优化、制造工艺以及质量控制提供实用可行的改进途径与方法。

  6 工程机械远程监控与服务系统

  随着现代计算机、网络技术和GPS/GIS 地理信息技术的快速发展,远程监控与服务技术已应用于许多行业,如公交、出租车、物流、农业机械以及军事领域等。

  

  在工程机械行业,利用GPS/GIS、GSM/GPRS、Internet 和数据库等技术,工程机械远程监控服务系统可以实时监测工程机械所处位置,监测产品实时运行状态,发现产品可能的极限工作状态,及时准确地针对各种参数做出不同等级的报警,直至直接参与控制、防止危险发生。监控服务平台可以提供大量产品相关服务,包括定位/历史轨迹、作业历史记录、故障诊断、呼叫/信息查询服务、服务人员调度、按揭销售管理、车辆残值评估和销售趋势评估等,为工程机械生产厂商、经销/租赁商以及最终用户,提供不同的个性化服务,从而增强生产企业的竞争能力,提高用户的企业管理水平与生产效率,实现工程机械相关方合作多赢的良性伙伴关系。


 


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