挖掘机电气控制系统说明

挖掘机电气控制系统
本篇将以SY2XXC5挖掘机为例讲述挖掘机的电气系统基本原理、基本构造、操作说明、故障分析。

一、概述
机电一体化是液压挖掘机的主要发展方向，其最终目的是机器人化，实现全自动运转，这是挖掘机技术的又一次飞跃。

作为工程机械主导产品的液压挖掘机，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，逐步向机电液控制系统方向转移。

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。

所以，对挖掘机机电一体化的研究，主要是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）的一些温度、压力、速度、开关量的检测并将有关检测数据输入给挖掘机的专用控制器EC-7，EC-7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。

（一）电气控制系统具有以下功能：
1：控制功能：负责对发动机、液压泵、液压控制阀和整机的复合控制。

2：检测和保护功能：通过一系列的传感器、油压开关、蜂鸣器、熔断器和触摸屏等对挖机的发动机、液压系统、气压系统和工作状态进行检测和保护。

3：照明功能：主要有司机室厢灯、工作装置作业灯及检修灯。

4：其它功能：主要有刮雨器、喷水器、空调器和收放音机等。

（三）系统组成及原理
SY2XXC5挖掘机电气系统由电源部分、启动部分、照明部分、电气操纵机构、空气调节装置、音响设备、节能控制及故障诊断报警系统等组成。

2.1 电源部分
系统电源为直流24V电压供电、负极搭铁方式；采用2节12V 120AH蓄电池串联作发动机启动电源，由带内置硅整流和电压调节装置的交流发电机充电，以维持蓄电池电量和稳定系统电压；蓄电池输出端装设电源继电器，由钥匙开关控制，以增加电源系统的安全性。

1) 蓄电池：采用12V 120AH免维护型蓄电池，2组串联。

2) 发电机：27V 35A交流发电机，由发动机自带，内置硅整流电路及电压调节器，带有频率输出。

D+为中性点电压输出端子，B+为电源输出端子，E为接地端子。

D+端子接充电报警灯，在启动初状态，当发电机电压尚未建立时D+端电压为0V，充电报警灯亮，蓄电池正电源通过报警灯灯丝流向D+端作为发电机的励磁电流，使发电机迅速建立起电压并进入发电工作状态。

发电机进入发电状态后，D+端电压达24V，充电报警灯熄灭。

3) 电源继电器：装于电瓶的正极控制总电源，由钥匙开关控制，以增加电源系统的安全性。

a) 接通：把钥匙开关打到“接通”位置以启动电路系统，此时电源继电器接通，系统得电。

在启动发动机之时，钥匙开关必须是接通的。

b) 断开：把钥匙开关打到“断开”位置，电源继电器断电，以切断电路系统。

注意：
维修电路系统和机器的其它部件时，请把钥匙开关打到“断开”位置或拔掉钥匙开关以切断蓄电池电路。

2.2 启动部分
2.2.1启动设备
1) 启动电机：24V 4KW
起动电机三个接线柱的作用和连接如下：
a) 50接线柱接启动开关。

b) 31接线柱为负极搭铁。

c) 30接线柱可接车上的用电器的正极。

2) 钥匙开关：用于启动发动机。

3) 转速传感器：用于检测启动过程中发动机转速。

4) 液压操纵：液压操纵杆在“锁住”位置，发动机才能启动。

2.2.2 挖掘机启动保护原理及实现过程
SY2XXC5挖掘机由EC-7来控制起动马达，并通过程序设置实现保护。

柴油机起动前，钥匙开关先打到“通电”档时，由EC-7控制器检测各传感器及相关开关输入信号，检测此时冷却液温度是否低于3℃，若是，则接通预热继电器，直到冷却液温度高于此值时断开，同时驱动油门机构向油门高位走一行程，以保证油门打开。

钥匙开关打到“启动”档后，EC-7控制器检测到“柴油机启动信号”的输入，同时判断“液压操纵秆”信号是否为闭合，若闭合，再判断此时转速是否低于
650r/m，若是，则接通启动继电器，直到转速高于650r/m，则断开启动继电器，起动后启动继电器不再输出。

此时EC-7控制器完成发动机的发动。

2.3 照明部分
为了保证夜间行车或作业安全，提高工作效率，外部照明旋转台工作灯、动臂工作灯均采用大功率工作灯，内部照明为驾驶室厢灯，触摸屏具有光控与温控电路，在光线阴暗时自动打开背光，照明液晶屏，在不同的温度下，自动调节液晶屏的灰度，以达到最佳的视觉效果。

2.4 电气操纵机构
包括各启动开关、断路开关、继电器等电气控制机构。

2.5 空气调节装置
为了营造一个舒适的工作环境，本机采用工程机械专用工程空调，能实现制冷与制暖、风量以及温度调节。

2.6 音响设备
采用国际先进的挖掘机专用收音机(以实物为准)，配以大功率放音喇叭，能获得震撼的收音效果。

2.7 故障诊断报警装置
故障诊断报警装置对挖掘机的运行状态进行监视，一旦发生异常能及时报警，并指出故障部位，从而可及早清除事故隐患，减少维修时间，降低保养和维护费用，改善作业环境，提高作业效率。

其硬件主要由EC-7控制器和显示器为系统核心，辅以其他检测和保护控制元件，实现对控制对象的各种监测目的，它有如下特点：
1）触摸屏面板能防水、防尘，整个装置抗干扰能力强，并能防震。

2）能对机器的运行情况进行连续监测，并根据要求进行报警。

3）装置在硬件上具有光控电路，在光线阴暗时自动打开背光，照明液晶屏，在不同温度下，自动调节液晶屏的灰度，以达到最佳视觉效果。

4）装置具有工作小时总计，系统时间显示且能对其进行调整，使其与当地时间一致。

5）可以对液晶屏进行翻屏操作，可查阅采集的各路参数的具体数值或者各开关量的正常与否。

6）工作后每次只选一个工作模式，选定一个新的工作模式之后，原工作模式自动消除。

每次重新启动挖掘机后，功率模式重新回到S（标准）模式。

7）每次重新接通并启动挖掘机后，行驶高低速选择开关处于低速状态，只有当按下开关后才依次在高速与低速之间转换。

8）每次重新启动挖掘机后，自动怠速开关处于自动怠速有效模式，只有按下自动怠速开关，自动怠速功能才能取消。

9）本装置自动查找故障，根据测得的故障参数找出发生故障的部位，并能查询某个故障发生的时间及某个时间内所发生的故障名称。

图1 故障诊断报警系统结构图
本监控报警系统各功能显示方式、采集信号具体情况列表如下：
显示屏界面如下：
界面1：主画
面 界面6：工作状态监测表
界面3：输入点状态
1 界面5：输出点状态
2.8 电子节能控制装置
本系统由EC-7控制器、显示器、油门控制单元以及一些必要的模拟量、开关量传感器、模式电磁阀组、开关阀等组成。

通过对发动机和液压泵系统进行综合控制，使二者达到最佳匹配，以达到明显的节能效果。

该装置主要实现四种工作模式的选择，自动怠速功能、过热保护及柴油机转速控制等功能。

各种控制指令（包括触摸屏控制指令）和检测信号以开关量或模拟量形式进入EC-7控制器后，EC-7控制器根据要求输出控制信号给受控元件，达到控制的目的。

另外将各种信号以通信的方式送入触摸屏。

通过触摸屏实现相关控制的操作、实时显示和报警信息提示。

2.8.1 四种工作模式控制
挖掘机配备工作模式控制系统，可以使操作者根据作业工况不同，选择适合的作业模式，使发动机输出最合理的动力。

SY2XXC5挖掘机有四种作业模式可供选择，模式的选择通过显示屏上的“模式”选择按钮实现。

挖掘机工作后每次只选一个工作模式，选定一个新的工作模式后，原工作模式自动消除。

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%。

B 模式：即轻载作业模式，液压泵输入总功率约为发动机最大功率的70%，适合于挖掘机的平整作业或破碎模式。

2.8.2 功率优化系统
该功率优化系统采用闭环控制，工作中它能根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使液压泵的功率始终与发动机的功率相匹配，EC-7控制
器即对发动机采取分段功率控制，不再追求完全用足发动机功率，而是根据具体的工作状况设定发动机的工作能力，减轻发动机的工作强度，使发动机稳定地运行在经济工况点上。

图2 功率优化系统原理图
该系统由恒功率泵、模式阀组（功率阀）、发动机转速传感器、油门位置传感器、EC-7控制器、触摸屏及5个压力传感器组成。

发动机转速传感器为电磁感应式，他固定在飞轮壳的上方，用以检测发动机的实际转速。

油门位置传感器为电阻感应式，他固定在油门机构转盘上，用以检测油门的实际位置。

通过5个压力传感器测得的工装实时负荷大小，由EC-7控制器程序计算液压泵的需求功率，从而自动调节功率阀电流，实现液压泵的功率调节，使液压系统充分吸收柴油机发出的功率，又不会使柴油机熄火，充分发挥挖掘机的工作能力。

2.8.3 柴油机转速控制原理
本系统采用EC-7控制器，油门控制器作为控制单元，油门机构作为执行机构控制柴油机油门的开度。

升速时，由EC-7控制器给出步进脉冲信号，驱动油门机构正转，柴油机油门开度加大，柴油机转速上升，同时油门位置参数减少，达到设定的油门位置后，升速信号停止，进入转速自动调节阶段。

油门位置信号由安装在油门机构上的油门位置传感器获得，EC-7控制器通过模拟通道采集此信号，并送入EC-7控制器内部寄存器处理，EC-7控制器根据实际油门位置与设定油门位置的差值，进行处理运算后，输出相应数量的脉冲，控制步进电机运行，从而实现对柴油机转速的自动控制及自动调节。

降速时，EC-7控制器给出步进脉冲和步进方向信号，转速自动调节断开，油门机构反转，油门开度减少，柴油机转速下降，达到怠速状态时，EC-7控制器给出停止信号，油门机构停止运行，柴油机在怠速状态运行。