CN103628517A - 挖掘机安全控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挖掘机安全控制系统及方法，系统包括主控制器、多功能监视器、车载GPS单元、发动机控制单元、先导安全开关、传感器报警开关、独立散热驱动单元、功率调节比例电磁阀、声光报警蜂鸣器；所述主控制器通过CAN总线通讯方式和多功能监视器、车载GPS单元、发动机控制单元、独立散热驱动单元进行数据交换传输。本发明主控制器和机器上各种控制单元、监测设备、传感器等通过CAN总线进行数据通讯实现数据共享，有效降低系统复杂性和可靠性，提高了系统灵活性。应用在大型液压挖掘机上可有效降低风险，保护人身和设备安全。

Description

挖掘机安全控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种挖掘机，尤其涉及一种挖掘机安全控制系统及方法，属于工程机械技术领域。

背景技术

大型液压挖掘机体积较大，施工过程中操作人员所能感受的视野范围有限，并且机器经常工作在环境较恶劣的危险地带，机器操作时的安全防护尤为重要，同时大型液压挖掘机自身价值、检修及运输成本较高，有时因为人为操作不当引起机器停机检修，往往需要花费大量的人力物力成本。传统大型液压挖掘机人身和设备安全主要靠操作人员个人意识掌握，人身和设备安全往往因人而异，由于不同的驾驶员操作习惯、精神状态及驾驶熟练程度等诸多因素的制约，带来很多安全隐患，有必要对大型液压挖掘机设计一种专门的控制方法用于实现大型液压挖掘机安全操作自动控制，以避免因人为操作不当造成不必要的人身和财产损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种挖掘机安全控制系统，针对现有大型液压挖掘机安全控制的不足，从人身和设备安全角度出发，结合大型液压挖掘机操作特点，运用单片机控制技术，CAN总线通讯技术、GPS远程数据传输与监控技术，进行程序化、智能化控制，从而有效避免了在操作机器时容易引起的一些安全隐患。

    本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

    一种挖掘机安全控制系统，包括主控制器1、多功能监视器2、车载GPS单元3、发动机控制单元4、先导安全开关5、传感器及报警开关6、独立散热驱动单元7、功率调节比例电磁阀8、声光报警蜂鸣器9；所述多功能监视器2包括车载摄像头21、监视器22，所述车载摄像头21与监视器22相连，所述监视器22通过CAN总线与主控制器1进行数据交换传输；所述先导安全开关5、传感器及报警开关6、功率调节比例电磁阀8、声光报警蜂鸣器9与主控制器1相连；所述独立散热驱动单元7包括独立散热马达控制单元71、独立散热马达72、独立散热换向阀73，所述独立散热马达控制单元71与独立散热马达72相连，所述独立散热换向阀73与主控制器1相连；所述主控制器1通过CAN总线通讯方式和车载GPS单元3、发动机控制单元4、独立散热驱动单元7进行数据交换传输。

一种挖掘机安全系统的启动保护控制方法，同时检测发动机转速是否过高、机油压力是否过高、发电机电压是否过高、安全手柄开关是否闭合，上述任何一项符合条件均不允许启动机器。

一种挖掘机安全系统的独立散热安全换向及反向运转控制方法，调节独立散热泵电磁阀将独立散热泵排量降到最低，等待发动机启动，检测发动机转速、机油压力、系统电压判断机器处于未启动状态后才能进行换向操作；换向运转完毕后通过延时输出控制信号，使独立散热泵排量降到最低确保独立散热马达在最低速状态停止。

一种挖掘机安全系统的工作安全保护控制方法，监测发动机冷却液温度、液压油温度，工作环境大气压，当系统液压油温、发动机水温过高时，根据采集到的温度信息调节主泵比例电磁阀电流降低液压系统功率，调节发动机转速降低发动机功率，当工作环境大气压过低时通过调节主控制器调节主泵比例电磁阀电流降低液压系统功率防止机器过载熄火。

一种挖掘机安全系统的安全指标分析及远程救助方法，通过主控制器采集发动机控制单元、各种温度传感器、压力传感器、报警开关异常信息，将影响人身设备安全的故障及隐患分成危害人身安全故障、设备安全故障、用户使用不当三类，每一类对应不同的故障码，主控制器通过CAN总线通讯方式将故障码传送给车载GPS单元，通过GSM网络将监测数据信息及故障码发送到监控平台，监控平台接受到所述危害人身安全故障、设备安全故障的故障码触发远程救援，利用GPS远程定位信息将车辆具体位置及故障信息发送至车主和救援人员进行处理；监控平台对接受的用户使用不当故障码累积记录，当次数累积到预先设定值时监控平台发送纠错信息至挖掘机及车主进行提醒。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、主控制器和机器上各种控制单元、监测设备、传感器等通过CAN总线进行数据通讯实现数据共享，有效降低系统复杂性和可靠性，提高了系统灵活性。2、应用在大型液压挖掘机上可有效降低风险，保护人身和设备安全。

附图说明

图1是本发明的系统硬件结构框图；

图2是本发明的启动保护模块控制流程图；

图3是本发明的启动保护模块控制流程图；

图4是本发明的独立散热安全换向控制流程图；

图5是本发明的机器工作安全保护控制模块原理图；

图6是本发明的安全指标分析及远程救助控制模块原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。         

如图1所示，挖掘机安全控制系统，包括主控制器1、多功能监视器2、车载GPS单元3、发动机控制单元4、先导安全开关5、传感器报警开关6、独立散热驱动单元7、功率调节比例电磁阀8、声光报警蜂鸣器9；所述多功能监视器2包括车载摄像头21、监视器22，所述车载摄像头21与监视器22相连，所述监视器22通过CAN总线与主控制器1进行数据交换传输；所述先导安全开关5、传感器报警开关6、功率调节比例电磁阀8、声光报警蜂鸣器9与主控制器1相连；所述独立散热驱动单元7包括独立散热马达控制单元71、独立散热马达72、独立散热换向阀73，所述独立散热马达控制单元71与独立散热马达72相连，所述独立散热换向阀73与主控制器1相连；所述主控制器1通过CAN总线通讯方式和车载GPS单元3、发动机控制单元4、独立散热驱动单元7进行数据交换传输。

在启动保护控制功能方面，传统的启动保护只是从保护机器的角度出发，仅通过发动机转速信号判断，防止发动机二次启动，这种做法在实现过程中常因为信号干扰或传感器故障等容易形成误判断，本发明从保障人身安全和机器安全两个方面出发，充分考虑多种相关因素，形成特有的启动判断依据，如图2、3所示，具体判断条件如下：

通过判断安全手柄开关状态确定机器启动前是否符合安全作业要求，如不符合安全作业要求（如安全手柄开关闭合），多功能监视器（以下简称ADU）上立刻以文字形式提示用户操作错误，此时如强行启动发动机即便启动后，主控制器将关闭液压先导电磁阀，操作机器不会有任何动作，只有将安全手柄开关放到安全位置后再重新放回作业状态位置，操作机器才会有动作，这样可避免机器启动时误碰操作手柄引起机器意外动作，以防不必要的人身和设备危害。（注：当出现用户违规操作时，MCU将记录操作频次。）实现方法：机器上电后，发动机启动前主控制器检测液压先导安全手柄状态和发动机控制单元（以下简称ECU）形成判定条件，从而决定发动机是否启动。

通过同时检测发动转速、机油压力、发电机电压进行启动判断，因为这三组数据在发动机启动前后是完全不同的，如有任何一项不符合要求均不允许启动发动机，这样可有效保护发动机避免由于人为误操作带来的机器意外损坏

通过主控制器（以下简称MCU）与ECU进行CAN总线通讯方式检测发动是否处于严重故障报警状态，或处于预热状态。如有任何一项符合条件均不允许启动机器，这样可避免机器带故障或带载启动，从而保护发动机和蓄电池等车载部件。

如图4所示，大型挖掘机多采用液压马达驱动的独立散热系统，在对独立散热控制中最易引起安全隐患的是马达换向，传统的马达换向多采用低速换向或停机换向方法，前者换向过程中或多或少会引起对液压马达的冲击，后者多未考虑停机瞬间由于马达突然停止工作时的反向液压冲击，对设备造成剧烈冲击造成设备使用寿命大大缩减。本发明为了有效避免上述弊端，既实现安全换向又避免瞬间设备冲击，具体实现方法如下：

独立散热风扇换向选择设置在ADU特定的一个页面中，通过菜单选择方式实现。独立散热风扇换向必须在发动机停机状态下操作，MCU通过检测发动机转速、机油压力、系统电压判断机器处于未启动状态后才允许进入换向选择页面进行操作。

当上述条件满足选择换向方式后，ADU通过CAN总线将换向指令发送给MCU控制独立散热换向电磁阀换向，同时MCU通过调节独立散热泵电磁阀将独立散热泵排量降到最低，等待发动机启动，这样能够保证启动机器时风扇速处于低速状态。

发动机启动后MCU通过调节独立散热泵比例电磁阀电流逐渐提高独立散热泵的排量，直到最大，实现对散热器的清扫。整个过程控制在5分钟左右；当反转允许合适时间后车辆熄火，MCU将输出延时信号继续驱动独立散热换向阀继续工作10秒钟左右，在此期间MCU通过调节独立散热泵的排量从而风扇转速降低并最终停止，停机后MCU自动切换反转开关状态换向阀复位，通过这个操作过程可避免风扇马达在高速运转时突然反向旋转而损坏。通过MCU设定保证在每次开机状态下默认为风扇马达正转状态。

如图5所示，机器工作安全保护控制模块实现机器工作过程中过载保护和警示提醒功能，可有效避免机器出现异常超载或异常操作时带来的潜在危害，具体实现如下：

MCU通过监测发动机冷却液温度传感器、液压油温传感器，当系统液压油温、发动机水温过高时，MCU将发出警报信息，通过CAN总线通讯方式发送给GPS单元，同时根据采集到的温度信息调节主泵比例电磁阀电流降低液压系统功率，调节发动机转速降低发动机功率，从而避免机器长期工作在高温状态下导致重要部件损坏。

MCU通过CAN总线通讯方式采集ECU数据，获取大气压力传感器数据信息，根据当前大气压力值自动调节液压系统保证发动机与液压泵之间的功率匹配，避免机器因周围大气环境改变导致发动机功率降低后，负载过高引起发动机意外熄火。

MCU通过采集行走压力传感器信号判断机器是否处于行走状态，当机器处于行走状态时控制车载报警蜂鸣器发出声光警报信息，以提示周围人员避免发生意外人身伤害。

如图6所示，挖机安全指标和远程救助功能是将MCU的数据分析、智能控制技术与GPS远程数据传输技术相结合，MCU通过预先设置和通过车载各类传感器、报警开关、控制单元实时采集统计的方式将将影响挖机人身设备安全的隐患分成A,B,C三类，根据故障情况每一类对应不同的故障码，举例说明：A类表示因设备故障直接危害人身安全的问题，如故障码A00代表机器处于危险地带，发动机无法启动，A01代表机器启动后操作手柄失控，挖机处于危险地带请尽快组织救援；B类故障一般是引起设备安全的故障，如故障码B11代表发动机冷却液温度大于98℃，需要尽快检修；B20代表液压油温高于100摄氏度，原因不明需尽快到现场处理；C类故障一般由于用户使用不当造成，存在一定安全隐患但短期内又不会影响人身和设备安全的情况，这类故障一般累计到一定次数时监控中心会通知车主纠正不当操作。例如：C01代表用户每次启动机器时将安全手柄放在不当位置，造成发动机启动后整机无动作，又如C11故障代表用户挖机活动范围超过了GPS预设的电子围栏区域，MCU将每次不当操作进行记录，相同不当操作一天内发生3次时进行上报，MCU通过CAN总线通讯方式将故障数据传给GPS终端，利用GSM网络将MCU监测到数据信息不定期的发送到监控平台，监控平台对数据进行入库整理，定期发送给车主，对于经常出现严重违反安全指标的情况，监控平台服务人员会及时与车主沟通，以便更有效防范安全隐患。

上述故障码中A类和B类故障一旦发生将触发远程救援，其中A类级别最高一般是预设的，当出现该类故障时一般操作人员可通过监控器（ADU）进入紧急求助页面，选择对应的菜单，即可将求助代码发送给监控平台，当监控平台一旦接收到求助信息后会做出最高级别的迅速响应，会将车辆具体位置及故障信息以最快速度同时通知车主、服务救援人员尽快奔赴事故现场尽快处理。B类故障一旦申报监控中心会根据不同的故障救助码组织相关救助事宜。

该功能最明显的优势是既能够精确定位车辆位置，又能及时通知各方面人员及时响应。

以上4个模块的实现均是通过MCU和机器上各种控制单元、监测设备、传感器等进行数据通讯实现数据共享，整个通讯系统采用CAN总线控制技术，本控制方法的应用在大型挖掘机上可有效降低风险，保护人身和设备安全。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种挖掘机安全控制系统，其特征在于，包括主控制器（1）、多功能监视器（2）、车载GPS单元（3）、发动机控制单元（4）、先导安全开关（5）、传感器及报警开关（6）、独立散热驱动单元（7）、功率调节比例电磁阀（8）、声光报警蜂鸣器（9）；所述多功能监视器(2)包括车载摄像头(21)、监视器(22)，所述车载摄像头(21)与监视器(22)相连，所述监视器(22)通过CAN总线与主控制器(1)进行数据交换传输；所述先导安全开关(5)、传感器及报警开关(6)、功率调节比例电磁阀(8)、声光报警蜂鸣器(9)与主控制器(1)相连；所述独立散热驱动单元(7)包括独立散热马达控制单元(71)、独立散热马达(72)、独立散热换向阀(73)，所述独立散热马达控制单元(71)与独立散热马达(72)相连，所述独立散热换向阀(73)与主控制器(1)相连；所述主控制器(1)通过CAN总线通讯方式和车载GPS单元(3)、发动机控制单元(4)、独立散热驱动单元(7)进行数据交换传输。

2.一种如权利要求1所述的挖掘机安全控制系统的启动保护控制方法，其特征在于，同时检测发动机转速是否过高、机油压力是否过高、发电机电压是否过高、安全手柄开关是否闭合，上述任何一项符合条件均不允许启动机器。

3.一种如权利要求1所述的挖掘机安全控制系统的独立散热安全换向及反向运转控制方法，其特征在于，调节独立散热泵电磁阀将独立散热泵排量降到最低，等待发动机启动，检测发动机转速、机油压力、系统电压判断机器处于未启动状态后才能进行换向操作；换向运转完毕后通过延时输出控制信号，使独立散热泵排量降到最低确保独立散热马达在最低速状态停止。

4.一种如权利要求1所述的挖掘机安全控制系统的工作安全保护控制方法，其特征在于，监测发动机冷却液温度、液压油温度，工作环境大气压，当系统液压油温、发动机水温过高时，根据采集到的温度信息调节主泵比例电磁阀电流降低液压系统功率，调节发动机转速降低发动机功率，当工作环境大气压过低时通过调节主控制器调节主泵比例电磁阀电流降低液压系统功率防止机器过载熄火。

5.一种如权利要求1所述的挖掘机安全控制系统的安全指标分析及远程救助方法，其特征在于，通过主控制器采集发动机控制单元、各种温度传感器、压力传感器、报警开关异常信息，将影响人身设备安全的故障及隐患分成危害人身安全故障、设备安全故障、用户使用不当三类，每一类对应不同的故障码，主控制器通过CAN总线通讯方式将故障码传送给车载GPS单元，通过GSM网络将监测数据信息及故障码发送到监控平台，监控平台接受到所述危害人身安全故障、设备安全故障的故障码触发远程救援，利用GPS远程定位信息将车辆具体位置及故障信息发送至车主和救援人员进行处理；监控平台对接受的用户使用不当故障码累积记录，当次数累积到预先设定值时监控平台发送纠错信息至挖掘机及车主进行提醒。

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