摘要：本文介绍了国外新近推出的一种全新理念的
电子液压Ｃａｎ总线控制系统及其应用前景。
关键词：控制系统、电子、液压、Ｃａｎ总线
０、引言
工程机械发展到今天对其在作业性能、可靠性、操纵舒适性、环保指标、机群协同作业等方面都有了更高的要求，综合应用计算机、网络通讯、人工智能、微电子、自动控制、液力液压及多传感器融合等技术研究工程机械集成化操作与智能控制系统正成为２１世纪工程机械的重要发展方向之一。主要有：工程机械单机集成化操作与智能控制研究，工程机械的智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护研究，以及基于网络的机群集成控制与智能化管理研究。目前国内包括徐州工程机械集团公司在内的一些企业和科研单位正在研究的“机群智能化工程机械”课题即属于此范畴。其中又以工程机械单机集成化操作与智能控制研究为基础，包括电液控制自动换挡变速箱技术、机电液讯一体化控制技术、负荷传感全功率控制技术和可编程控制与无人操作技术等技术的研究。
近年来随着液力液压、ＰＬＣ控制、Ｃａｎ总线通讯、测量传感等核心关键单元技术的发展，国内一些企业和科研单位已经在单机集成化操作与智能控制方面取得了一系列研究成果，比如机器人化装载机的研制成功。但如何提高系统的性能和集成度、应用的灵活性和方便性，降低系统的应用成本和对维修保养操作者技术水平的要求等，仍是需要解决的问题。只有解决了这些问题才有可能得到广泛的应用。
英国Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ公司新近推出的电子液压Ｃａｎ总线控制系统较好地解决了这些问题，使得机电液讯一体化控制技术在工程机械上的广泛应用成为可能。Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ控制系统是应用于非公路车辆、物料处理设备和工业用途上的一种全新的电子控制系统，该系统采用了Ｃａｎ总线技术，提供了最先进的多级功能，这些功能是常规组合式的电子系统所不能的，而成本只与常规系统相当。Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ智能电子液压Ｃａｎ总线控制系统及元件据称是２１世纪的工程机械控制技术。在国外该技术已经在挖装机、随车吊、轮式挖掘机、垃圾车、滑移装载机等产品上得到了应用，目前该公司正积极地在国内推广该项技术，为使工程机械业的广大同行对该系统有所了解，本文即结合笔者对该系统的认识作一介绍。
１、ＵＩｔｒｏｎｉｃｓ控制系统的基本构成和主要特点
Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ控制系统的硬件一般由操纵手柄、电控单元ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）、液压阀组和外接传感器或开关等组成，其间通过Ｃａｎ总线连接，液压阀组为电控系统与液压系统的交汇点，系统的另一个重要组成部分就是软件。
手柄为光学非接触型手柄，所有比例和开关功能完全采用光控。手柄在安装面上下方的防护等级均达到了ＩＰ６７。手柄操作系统（ＪＯＳ）安装在ＥＣＵ上，支持手柄应用程序的编制、修改和运行。用户使用ＪｏｙＣａｌ程序可以改变手柄的延时特性、输出曲线和死区。
电控单元ＥＣＵ采用直流或直流转换供电，可选２５或５０路工业标准接口，使得系统可以接收来自传感器的信号，可以与其它控制系统进行信息的交换，可以将输出信息送往显示器，使用标准的无线对Ｃａｎ接口，无线远距离控制也是可能的。ＥＣＵ中存储了系统控制所需的所有应用程序可将来自于手柄或连接于ＥＣＵ上的其他器件的信号（如传感器检测信号、发动机控制系统信息等），经处理后转换成各个阀芯动作的指令。
系统的关键在于其双阀芯阀体的紧凑设计，每片阀有两个阀芯，相当于将一个三位四通阀变成两个三位三通阀的组合，两个阀芯既可单独控制，也可作为相关的一对成对控制，并且两个工作油口都有压力传感器，每一个阀芯都有位置传感器，通过对传感信号的闭环控制可以分别对两路液压油的压力和流量进行控制，由此组合出的对执行器的控制功能是极其广泛的。
每个阀芯由一个高性能的先导阀控制，每个先导阀有自己的阀芯动作控制软件、Ｃａｎ总线控制器以及Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ开发的Ａｓｉｃｓ（特定用途集成电路，用于传感器的信号处理和供电）。阀芯动作控制策略和具体的参数可由用户根据被控执行元件的要求进行设置。从ＥＣＵ经Ｃａｎ总线传往先导阀的指令被接收后，先导阀上的内嵌处理器就运行预存的阀芯动作控制软件实现设定的机能，多个先导阀间的功能协调是由ＥＣＵ完成的，从而实现复杂的系统功能。这种分级控制方式使系统的应用具有非常好的灵活性，同时易于构建复杂的控制系统。
总之，通过ＰＬＣ控制、Ｃａｎ总线通讯、测量传感等技术的集成，特别是采用了独特设计的液压阀，Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ公司的电子液压Ｃａｎ总线控制系统使得工程机械控制系统在功能的多样性、实现的灵活性、较低的性价比等方面发生了一次革命性的变化。
２、阀芯动作控制软件
与传统的三位四通阀不同，Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ公司独特设计的液压阀是通过软件实现其不同的功能的。根据不同的控制要求，预先编制存储了一些阀芯逻辑控制软件模块，通过Ｃａｎ总线即可选用。现有的逻辑控制模块涵盖了以下几个方面：回转装置、油缸、传动装置、蓄能器充压、压力控制、流量控制及许多其他标准的功能。这意味着使用Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系统可以实现所有的液压功能，而阀的种类却相当简单，需要改变的只是阀芯动作控制软件。
为了提高阀的性能，每个阀芯位置控制模块都是软件自适应的，因此可调整阀芯的响应获得最好的性能。这种调整是由处理器完成的，所以阀在使用期间可以调整，以长期保持良好的性能，并修正由于磨损或弹簧弹性和系统动力方面的变化带来的影响。阀组的接入联上有压力调节器，以控制系统的压力、决定阀的负载传感边界。压力调节器由压力控制模块控制，以保证不断变化的压力调控需要，使系统一直处于性能良好状态。
设备制造商如要采用Ｃａｎ总线系统，其所面临的问题之一就是售后服务人员的技术水平要高、更换或重设阀的软件设置需要软件工具，同时因为先导阀上可能存储不同的应用设置代码，备件的数量就多了。针对这些问题Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ采用了自动检测例行法，这样更换先导阀就不需特殊的工具了。所谓自动检测例行法就是当先导阀失效时只需将其换下来，当系统再次启动时，ＥＣＵ将每个节点与其存储的数据进行核对，看看设置是否正确，如发现设置错误将自动下载数据恢复系统设置。因此作为备件的先导阀都是一样的，库存量减小了，更换也容易了。
３、Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ控制系统可实现的功能例举
Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ控制系统功能的多样性是通过应用软件实现的，通过有针对性的编制控制软件Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ控制系统可实现的功能是极其广泛的。象履带挖掘机、轮式挖掘机、装载机等先进机型在操作舒适性、作业效率、作业成本消耗、故障诊断、环境保护等方面所做的努力，比如发动机状态与液压系统的适应控制、传动与作业间的功率分配、作业程式例行、特定作业功能等，采用Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系统都可实现。下面以挖掘装载机为例说明可以实现的部分功能。
挖掘装载机俗称“两头忙”，由主机和前后两端的装载装置、挖掘装置组成。控制系统需要控制行驶、装载和挖掘作业。系统由两个座位安装的手柄、电控单元ＥＣＵ、安装于装载和挖掘装置上的传感器、两组Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ液压阀块、转向器、泵及其它元件组成。其中一组阀块控制挖掘动作，另一组阀块控制装载动作。当座椅面向挖掘方向时，两个手柄可以控制挖掘动作，当座椅转向装载方向时，左手手柄功能被切断，右手手柄可以控制装载动作。手柄的挖掘和装载功能模式转换由座椅旋转时拨动的一个电气开关实现。另外还有一个超越开关可以允许手柄的功能与座椅的方向不一致。采用这种“二合一”的办法，挖掘和装载作业可以非常方便地通过这两个手柄操作，省去了多个手柄，使驾驶室的空间更宽敞，而且手柄安装在座椅扶手上司机的操作更舒适。从手柄到ＥＣＵ只需一根电缆连接，布置起来非常简便。
３．１安全浮动
Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系统按基本配置提供安全浮动功能，当选择浮动模式时，工作装置以可控的方式向地面降落。这是通过降落时控制回油的流量实现的，只有当工作装置接触地面，回油口的压力传感器检测到压力下降后，阀芯才会自动移到真正的浮动状态。
这一功能的优点是：下落的速率可以在厂内设定，不随载荷变化，避免了与地面的剧烈撞击。因此减轻了机器构件的磨损和损坏以及液压系统内的冲击载荷。
３．２防回落
Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系统的一个基本功能就是防止载荷回落。当控制指令发到阀后，系统首先将阀的进油压力提高到与工作油口测得的压力相一致，然后再按指令移动阀芯，以避免可能出现的载荷回落现象。
３．３转向／制动充压系统
Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系统独特的流量共享和优先功能允许对系统中的几个动作设定流量优先，系统中的其他动作根据需要分享剩余的流量。此流量共享可以设置，以适应机器的要求。
当用于转向系统时，可以是开环的或负荷传感的。在使用负荷传感时，可将外接压力传感器测得的感载信号接到系统的ＥＣＵｏ
当用作充压阀时，系统能够对蓄能器进行充压和保压（在允许的范围内）。如果由于蓄能器容积小不允许出现泄漏，那么应在阀口和蓄能器之间加上单向阀。在此种用途中也需要一个外接传感器以检测何时需要充压。
Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系统可用一个阀片实现此两个功能，而不需要其他的辅助阀。
３．４铲斗抖动和压实
此项功能可使铲斗以１５Ｈｚ的频率抖动，以帮助卸净粘土等。也可转换到振动档，以４０Ｈｚ以下的频率振动帮助压实。
３．５停止缓冲
这一功能可使油缸在行程内减速停下，避免系统内的冲击。这一功能不能代替标准油缸行程终端的缓冲结构。但如果在油缸行程终端使用了传感器，则可以替代缓冲结构。
３．６发动机管理
利用Ｃａｎ总线接口Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系统可与发动机管理系统连接起来。这样在液压系统工作时可以提供燃油更加节约的发动机控制模式。从而不仅降低了燃油消耗量，而且减轻了发动机部件的磨损。
３．７系统诊断
使用Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ提供的简单的手持式工具用户即可完成简单的系统诊断，也即系统诊断、错误查找以及基本的设置更改。如要进行进一步的详细更改或系统开发，则可使用ＰＤＡ设备或安装了专用软件的笔记本电脑。Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系统可将简单的错误信息显示在驾驶室内的显示器或小型的ＬＥＤ阵列上。
操作系统每次开机都要检查系统内的每一个节点，确定所有失效或可能失效的先导阀。
３．８机械超越
两种方式实现机械超越：简单的办法是使用螺丝刀移动阀芯使回油导通，在机器出现故障时让载荷安全地降落下来。另一种办法是在阀上设置手动手柄，动作手柄以较小的流量安全收回工作装置，比如随车吊。阀组的接入联是与超越功能相适应的，在采用机械操作时它会提高系统的压力。
３．９无动力下降
增加一个电磁阀就可以在泵不工作的情况下使用手柄利用存储在动臂缸中的能量将装置降到地面。
按客户要求或针对特殊的机器可以编写特殊的程式。下面就是这样的一些例子。
３．１０软挖功能
当机器的作业需特别小心时，例如在已知的管线地带进行挖掘时，Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系统能对压力和流量进行控制。一旦设定了参考压力，当遇到阻碍液压系统的压力升高到设定值时，机器就会停下。
３．１１返回铲掘状态／返同定位
利用外接传感器的检测信号即可在应用软件中写入“返回铲掘状态”和“返回定位”功能。有了这一功能，在重复作业、挖沟或为货车卸料时可以大大地改善司机的作业条件并提高作业效率。
３．１２动力浮动
Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系统可以提供动力浮动功能，比如在用推土机平整地面时可以根据不同的物料调整工作装置对地面的压力。
３．１３称重
利用Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系统阀上工作油口的压力传感器测量压力，同时利用外接传感器测量油缸的位置和伸出量，即可按一定的算法精确计算出吊重处的载荷重量。根据需要还可将这一功能结合到相关的工作程式中防止吊重超出稳定工作范围。
３．１４铲斗调平／叉车模式
在铲斗铰点、动臂铰点处加装测角传感器就可以实现铲斗自动调平，省去了Ｚ形连杆。而且在铲斗上加装叉装附件后可以实现叉车的功能。
４、采用Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ控制系统使得产品开发更加简便
采用传统液压阀进行多功能系统的设计常常导致开发周期延长，这是因为要对液压阀进行多次反复设计，包括节流口、阀的类型、补偿设定和浮动。所有这些都延长了开发的周期，而且最终导致系统的元件种类太多。
采用Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ系统进行产品开发，周期就大大地缩短了。因为阀的节流特性和功能都是软件实现的，只需３种阀即可（这只是取决于工作装置所需的最大流量）。设备制造商的工程师可以在审定机器性能的时候定义阀的节流特性，很短的时间就可完成。
Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ提供专用开发软件工具，用于阀和系统的设置。“ＣＡＮ工具”将允许工程师们访问任一先导阀对许多参数进行修改，比如最大流量和压力，修改阀片的控制策略，比如是流量控制还是压力控制，修改节流特性、负荷传感边界、背压、最大压力，实际上所有与某一运动相关的参数都能修改。只需将程序导入先导阀上的处理器中确认修改并测试即可，这一过程只用几分钟。
所有的修改都存到ＥＣＵ中，当系统最终开发完毕，Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ将提供存有最终编码的生产用件，连接好就可使用，所谓即插即用。所有相关的编码和例行程序也同时完成，比如用于自动设置、系统排气和外接传感器标定参数的编码和例行程序。
５、结束语
应用高新技术对我国现有的工程机械主导产品进行系统的技术改造和性能提升，以带动我国传统工程机械产品尽快实现跨越式发展，提高我国工程机械产品的竞争力，已成为必然的趋势。Ｕｌｔｒｏｎｉｃｓ控制系统的出现为这一工作的开展提供了有力的支撑，对此工程机械制造厂家应当引起必要的关注。当然也应看到该系统在理念上与传统有很大的差别，在国外的应用时间比较短，在国内的应用更是刚开始，所以还需在实践中积累更多的应用经验。
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