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摘摘 要要 20t 地下矿山自卸汽车是我国矿山亟需应用的一种机型，现国产地下自卸汽 车成功地设计制造出来的为 12t 以下。因此，为了满足我国地下矿山运输设备 的需要，使我国在地下矿山设备的设计、制造上一个新的台阶，促进我国地下 矿山运输设备的产业升级，本设计为子项目，即整车液压系统及驱动桥轮边制 动器的设计 关键词：自卸汽车；电气系统；PLC。 全套全套 CAD 设计图纸等完整版设计，联系设计图纸等完整版设计，联系 153893706 Abstract 20t underground mine dump trucks is a Chinese mine needs application models, now domestic underground dump trucks successfully designed and manufactured for 12 of the following. Therefore, in order to meet the needs of underground mining transport equipment, makes our country in underground mining design and manufacture of the equipment on a new level, and promote our countrys underground mining transport equipment industrial upgrade, this design, namely the vehicle for the sub-project of hydraulic system and the design of driving axle wheel edges brakes. Keyword: :Dump trucks；microcomputer；electromechanical integrated design 目目 录录 1 绪论1 1.1 设计的背景与意义.1 1.2 国内外研究现状与发展趋势.2 1.3 项目实施的主要内容、技术关键与创新点、预期目标 4 1.3.1 本项目实施的主要技术内容.4 1.3.2 本项目解决的关键技术 4 1.3.3 本项目的技术路线.4 1.3.4 本项目的创新点.4 1.3.5 本项目的技术来源、合作单位情况与知识产权的归属：.5 1.3.6 本项目的预期目标： 5 1.4 应用或产业化前景与市场需求 5 1.5 现有工作基础、条件和优势 6 2 CA-20 地下矿山自卸汽车电气系统设计 7 2.1 电气系统设计概述.7 2.2 电气系统设计整体方案 8 2.2.1 设计基本思路 8 2.2.2 整机电气设计方案框图 .9 2.2.3 主要性能特点及参数： 9 2.3 电气系统设计方案的实现 9 2.3.1 总的工作原理（包括原理图） 9 2.3.2 电气系统的各部分的构成：10 2、照明和信号装置部分： 10 4、仪表部分 12 5、系统控制开关和继电器部分 12 6、器及其电路与 PLC 自动控制部分 12 7、电线束的设计 13 2.3.3 传感器及其电路设计与选型 .13 1、用传感器简介 13 2、传感器的种类及介绍 14 （1）传感器 15 （2）压力传感器 15 （3） 转速传感器 .15 （4） 、车用传感器的发展趋势 .16 2.3.4 PLC 自动控制系统设计 22 2.3.5 电气系统设计小结37 参 考 文 献38 致 谢39 1 1 绪论 1.1 设计的背景与意义 无轨采矿设备应用于地下矿山始于 20 世纪 60 年代，40 多年来，随着地下 无轨设备的完善和发展，地下矿山无轨开发技术也迅速发展。 地下汽车是实现无轨开采技术的主要运输车辆，它具有机动、灵活、多能、 经济的优势。广泛地应用于条件适宜的各类地下矿山进行强化开采，不但可以 提高地下矿山的劳动生产率和产量，促使生产规模不断扩大，而且还改变了该 类矿山的回采工艺、采矿方法和掘进运输系统，促使地下矿山朝着无轨开采的 综和机械化方向发展。采用地下矿山自卸汽车运输矿石是地下矿山无轨采矿的 一个重要组成部分。在国外，采用地下矿山自卸汽车运输的矿山基建投资一般 要比机车运输低 20%，而运行费用则高 1525%。但在计入设备折旧、工资、维 修及材料消耗和设备购置费的净现值后的运输总成本，将比机车运输便宜约 1720%。尤其对中小型规模的矿山更为有利。在矿业发达的国家，大部分地下 矿山实现了无轨开采。 近 30 年来，我国部分条件具备的地下矿山也已应用无轨开采技术。由于历 史的原因，我国在地下矿山运输设备领域装备十分落后，尽管经过太原重型机 械厂、北京矿冶研究总院、核工业第六研究所、衡阳有色冶金机械厂、金川有 色公司、长沙矿山研究院等单位的努力，分别对 5t、8t、10t、12t、18t、20t、25t 等机型进行了一些研究，取得了一些成功， 但这些探索性的研究显然还很不够，而且有些探索显然没有达到预期的目的。 因此，直到目前我国可供矿山选用的地下矿山自卸汽车比较少，远远不能满足 我国地下矿山运输设备需要。 国外的地下矿山自卸汽车应用得比较好，技术也比较先进，但价格比较高。 一般情况是：国外的地下矿山自卸汽车整机的价格是国内价格的 23 倍，而易 损件、备件的价格却是 610 倍。因此，发展我国的地下矿山自卸汽车是非常 必要的。 20t 地下矿山自卸汽车是我国矿山应用较多的一种机型，它比较适合中型 规模的地下矿山。我国的有些公司对它有过探索，但没有达到预期的目的，至 今没有该产品通过鉴定的报道。因此，我国的 20t 地下矿山自卸汽车目前还停 留在研制阶段。而我国的用户对该产品有比较迫切的需求，有些客户已经向衡 阳力达铲运机有限责任公司提出了订购的意向。由此可见，研究该机型不仅非 常迫切，而且非常必要。 2 衡阳有色冶金机械总厂衡阳力达铲运机有限责任公司是中国第一家井下铲 运机专业制造公司、中国大型铲运机生产基地。通过 20 年引进、消化和吸收国 外先进技术，已成功研发出具有自主知识产权的铲运机系列产品，并荣获国家 级新产品称号及国家科技进步三等奖。产品有 CY、CYE 系列井下铲运机以及 CA-8 地下矿山自卸汽车，产品已经广泛应用于有色、冶金、化工及黄金矿山。 尤其是 2002 年由衡阳有色冶金机械厂的力达铲运机制造有限公司开发生产的 CA-8 地下矿山自卸汽车，经过一年的工业试验在山东某矿取得了很大的成功， 得到了该矿的认可，并于 2003 年再次向力达铲运机制造有限公司订购 4 台 CA- 8 地下矿山自卸汽车。由此可见，该公司制造地下矿山自卸汽车的技术已经成 熟。这也是本项目立项的背景之一。 由于国际工业技术大融合，国外的一些先进技术能够为我国的产品升级提 供支持。例如：我国可以选用德国道依茨(Deutz)公司、卡特(Cater)公司、底 特律(Detroit)公司的发动机，可以选用美国约翰克拉克(JCJ)公司的液力变矩 器、变速箱和驱动桥。力达铲运机制造有限公司经过 20 多年的努力，在引进、 消化和吸收克拉克公司技术的基础上已经开发成功多种能够用于地下矿山的铲 运机，而铲运机的制造技术比地下矿山自卸汽车的难度还要大。因此，开发 20t 地下矿山自卸汽车的条件已经成熟。这是本项目的又一立项的背景。 20t 地下矿山自卸汽车是地下矿山无轨运输的一个重要机型，它的研究开 发对我国地下矿山自卸汽车的产品升级、建立我国地下矿山无轨采矿配套设备 体系、促进我国地下矿山无轨采矿的发展都具有十分重大的意义，同时，开发 它的经济效益和社会效益都很显著。 1.2 国内外研究现状与发展趋势 1963 年瓦格纳(wagner)公司生产了世界上第一台柴油铲运机，从此开创了 地下采矿应用无轨运输的时代。首先在美国及瑞典等国的地下采场中，采用了 一种胶轮柴油驱动，兼有装、运、卸功能的铲运机(简称 lHD)。这种设备具有 机动灵活，高效率，改善劳动强度，节省劳动力的性能，简化了矿岩装运工艺， 适用于采场运搬和阶段运输。这种设备很快在欧美矿山中被广泛采用，逐渐替 代着多年来沿用的电耙、气动装载机和轨道运输车辆。实践证明铲运机在中、 短距离内使用是经济的，但当铲运机运距超过其经济运距时，运输能力将显著 下降，运输费用则急剧上升。因此，在较长距离和大运量时就宜采用矿用自卸 汽车。从 1976 年以来，各国制造商提供了各种载重能力的地下用自卸汽车，使 地下矿山的无轨运输得到发展。在瑞典一些地下开采矿山，日产量从 500t 到 50000t 的阶段运输都采用自卸汽车运输。自卸汽车装载量从 15t 到 50t，最大 已达 70t，可适应各种生产规模的矿山和不同的运输线路的要求，单程运距达 3 20003000m。地下运输采用无轨设备的显著特点是：设备购置费较低，无需安 装；对大块物料适应性较强；机动灵活，有利于缩短矿山基建时间加速投产。 无轨采矿技术的应用使世界地下采矿业发展发生了革命性的变化。40 多年 来，无轨采矿技术在发达国家的普及率已经超过 85%。无轨设备的种类，除了 主采设备铲运机和凿岩台车外，各种地下车辆(如地下矿山自卸汽车、地下矿山 工程服务车、装药车、维修车、加油车、运人车等)都已广泛应用，并按照工艺 的要求形成配套装备，组成各种机械化作业线，从而最大限度地提高了地下矿 山的生产效率，使矿山的生产迅速由体力加经验的劳动密集型向技术密集的集 约化方向发展。 在中型吨位地下矿山自卸汽车方面，阿特拉斯-瓦格纳(Atlas Copco Wagner Inc)、约翰克拉克(JCI)公司、格特曼(Getman)公司、偌麦特(Normet) 公司和塔姆罗克(Tamrock，也就是 EJC)公司等，在世界上处于领先地位。他们 生产的中型吨位地下矿山自卸汽车，性能良好、结构合理、质量可靠，基本上 占领了这一领域的国际市场。这些公司生产的地下矿山自卸汽车，一般采用德 国道依茨(Deutz)公司、卡特(Cater)公司、底特律(Detroit)公司的发动机，美 国约翰克拉克(JCJ)公司的液力变矩器和带有弹簧制动、液压松闸的多盘湿式制 动器，装有轮边行星减速装置的桥。这种桥的特点是承载能力大，制动性能好， 具有合适的传动比。 但是，这些公司生产的地下矿山自卸汽车价格昂贵，一般情况是：国外的 地下矿山自卸汽车整机的价格是国内价格的 23 倍，而易损件、备件的价格却 是 610 倍，而且，这些公司的备件供应周期一般要几个月，必然会严重影响 矿山的采矿生产，所以其备品备件的供应时间较难满足我国工业生产的需要。 因此，研究开发适合我国国情的地下矿山自卸汽车，形成具有自主只是产权的 产品，对满足我国地下矿山无轨采矿的需要、促进我国地下矿山无轨采矿工艺 的发展是非常必要的。 我国的地下矿山自卸汽车的开发比较晚，直到 1995 年才出现 KU-12 型地下 矿山自卸汽车。由于，它采用了露天机械设备的桥，这种桥显然不能满足地下 矿山苛刻的工作条件。尤其要提到的是露天机械设备的桥的制动性能难以满足 地下矿山的要求。因此，这种机型并没有得到推广应用。1996 年，JZC-10 型地 下矿山自卸汽车在凡口铅锌矿进行了工业试验及鉴定，但由于种种原因，这种 机型也没有推广应用。1998 年，KZC-5 型地下矿山自卸汽车在东北某铀矿进行 了工业试验，也是由于种种原因没有推广应用。在世纪之交我国的有些研究院、 公司、工厂和矿山还进行了 18t、25t 的地下矿山自卸汽车的探索，尽管取得了 一些成功，但地下矿山自卸汽车的整体水平还是停留在研究阶段。 4 2002 年，衡阳有色冶金机械厂的力达铲运机制造有限公司开发生产的 CA-8 地下矿山自卸汽车，在山东某矿进行了近一年的工业试验获得了成功，并再次 赢得了 4 台订货。这次成功的工业试验表明我国地下矿山自卸汽车的技术已经 成熟，可以在地下矿山推广应用。同时，也为本项目赢得了宝贵的试制经验。 CA-20 地下矿山自卸汽车，正是在 CA-8t 试验成功的基础上进行的一次产 品升级的研究。因此，本项目具有较好的研究基础。 1.3 项目实施的主要内容、技术关键与创新点、预期目标 1.3.1 本项目实施的主要技术内容 （1）整机电气系统参数的计算：主要解决本项目电源和启动的匹配问题。 （2）主要电气元件选型设计：选国内能用于本项目的电气元件，进行性能 价格比较。在保证产品质量和工作需要的前提下，达到性能价格比较好。 （3）压力和温度传感器的选型设计： 根据工作要求对所需压力和温度传 感器进行选型和控制电路设计，利用控制设备具有较高可靠性的特点，加强有 利于设备稳定运行的设计工作，使该设备的先进控制功能在生产过程中得以充 分体现。 （4）整机电气原理图及电气系统图的计算机绘制：本项目的所有图纸均采 用电子文本，并在计算机上进行电路仿真实验，以求得电气设计的合理性。这 个设计内容也是该产品的自动化设计重要内容之一，这项研究可以提升我国在 这类产品设计中的设计水平。使我国的地下矿山设备设计水平上一个新的台阶。 1.3.2 本项目解决的关键技术 （1）整机电气系统设计与参数计算。 （2）启动机预热系统的设计。 （3）关键信号的采样及指示。 （4）PLC 自动控制系统的应用及仿真实验。 1.3.3 本项目的技术路线 为了保证产品质量，本项目将采用目前世界上先进的地下矿山用的发动机 (底特律公司生产)，液力变矩器、变速箱和驱动桥(约翰克拉克生产)，采用进口 液压制动阀及其他液压元件。这样，本项目的关键部件的性能与国外同类产品 性能相同或相当。其它机构的生产，因为有生产 CA-8 地下矿山自卸汽车和 KZC-5 地下矿山自卸汽车的生产经验，也能保证质量。所以，整车的性能处于 国内领先水平，与目前世界水平相当。 5 1.3.4 本项目的创新点 本项目主要利用了现代汽车的设计思想，即经济人性化设计。CA-20 地下 矿山自卸汽车电气部分采用较先进电子监控控制设计，具有实时监控的优点。 仪表及灯具设计都体现人性化设计，使本项目处于国内领先水平、达到世界水 平。本项目是我国地下矿山的一个技术升级产品，在设计中采用优化设计，提 升我国在这类产品中的设计水平。 1.3.5 本项目的技术来源、合作单位情况与知识产权的归属： （1）本项目的技术来源：本项目是现有国内成熟技术(如 CA-8 地下矿山自 卸汽车、KZC-5 地下矿山自卸汽车和 CY-2 柴油铲运机)的组合；国外成熟技术 (如底特律公司的发动机、约翰克拉克生产的液力变矩器、变速箱和驱动桥)的 组合。因此，研究的成功概率较高。 （2）本项目的合作单位情况：衡阳有色冶金机械总厂衡阳力达铲运机有限 责任公司是中国第一家井下铲运机专业制造公司、中国大型铲运机生产基地。 通过 20 年引进、消化和吸收国外先进技术，已成功研发出具有自主知识产权的 铲运机系列产品，并荣获国家级新产品称号及国家科技进步三等奖。产品有 CY、CYE 系列井下铲运机以及 CA-8 地下矿山自卸汽车，产品已经广泛应用有 色、冶金、化工及黄金矿山。 1.3.6 本项目的预期目标： 总目标：研究一种性能良好，技术先进的 CA-20 地下矿山自卸汽车。该车 的技术水平处于国内领先水平，与目前世界水平相当。在研究成功后，发表有 关学术论文 35 篇。 该车的主要技术参数：斗容为 10m3，载重量为 20t，发动机功率为 207kw。 预期 2 年后产量 2 台，产值约 300 万元(人民币)；3 年后产量 4 台，产值约 600 万元(人民币)；5 年后产量 10 台，产值约 3000 万元(人民币)。 1.4 应用或产业化前景与市场需求 进入 21 世纪以来，我国的矿业形势发生了很大的变化。许多露天矿山，由 于开采深度不断增加，为了降低开采成本、保护环境，这些矿山必须由露天开 采转入地下开采。据有关协会统计，我国的铁矿山在 5 年后，露天开采与地下 开采的比将由目前的 73 转变成 37，由此可见，地下矿山设备在我国的应用前 景十分广阔。据有关资料分析，我国今后地下矿山自卸汽车的需求量将呈逐年 上升的趋势。目前的年需求量约 30 台左右，5 年后年需求量约 120 台左右。 6 20t 地下矿山自卸汽车是我国中型地下矿山主要运输车辆，其年需求量约为 我国地下矿山自卸汽车的总需求量的 30%左右。因此，其应用或产业化前景较 好。 1.5 现有工作基础、条件和优势 （1）本项目有 CA-8 地下矿山自卸汽车、KZC-5 地下矿山自卸汽车试验成 功的基础；有 CY-2 柴油铲运机成熟技术。 （2）本项目有研究过 CA-8 地下矿山自卸汽车、CY、CYE 系列井下铲运 机的一大批研究人员(包括研究这些设备的课题组长、主要成员)；有开发过 KZC-5 地下矿山自卸汽车的课题组长和主要研究人员。 （3）本项目的生产基地是国内第一家井下铲运机专业制造公司、中国大型 铲运机生产基地。因此，生产设备和加工能力均是目前国内一流的。 （4）本项目的产品已经有矿山预订。因此，开发资金方面有一定的优势。 衡阳力达铲运机有限责任公司也自筹了开发资金。 （5）本项目实现预期目标基础条件已经具备。 7 2、CA-20 地下矿山自卸汽车电气系统设计 2.1 电气系统设计概述 CA-20 地下矿山自卸汽车电气系统的设计在整个地下自卸汽车的设计项目 中占有相当重要的地位，这是由电气系统的功能决定的，CA-20 地下矿山自卸 汽车电气系统不仅要为车辆的运行提供电力能源，而且要对车辆从启动到熄火 的全过程进行适时监控，并以信号报警方式提醒驾驶员操作。该电气系统控制 突出体现了机电一体化在自卸车上的应用，它能满足人们对自卸汽车安全性、 可靠性、操作简便性等多种要求。 CA-20 地下矿山自卸汽车属于矿山工程机械，输出功率大，且受工作环境 条件和运行要求的限制，这就要求地下自卸汽车的电气系统能适应特殊的工作 环境、湿度、振动、雨淋和尘埃等条件，并具有较高的可靠性，需要时有防止 对无线电通讯和电子设备干扰的措施。因此其整机电气系统的设计与一般汽车 电气系统的设计有很大的不同。主要区别之处如下： 地下自卸汽车采用柴油机为动力，具有功率大、启动扭矩大的特点，且柴 油机转速变化大而频繁，因而发电机供电质量相当差，因此必须有蓄电池点火 系统； 地下自卸汽车在矿坑作业，工况差，油、水、泥、振动和高温等，对整机 电气设备，线束及连接形式有较高的要求。 由于工况复杂，要求地下自卸汽车的控制尽量简单，也可以来简化驾驶员 的操作，减轻驾驶员负担。这就要求地下自卸车的自动控制部分具有很高的可 靠性，且易于维护。 根据 CA-20 地下矿山自卸汽车电气系统要实现的功能，可把 CA-20 地下矿 山自卸汽车的电气系统分为六大部分：1、电源及启动部分，2、照明和信号装 置部分，3、指示仪表部分，4、电气系统控制开关和继电器部分 5、传感器及 其电路与 PLC 自动控制部分，6、线束设计部分。其各部分的功能如下： （1） 、电源及启动部分：主要由启动机、蓄电池和发电机及其电压调节器组 成。启动部分的作用是通过启动机将蓄电池的电能转换成机械运动来起动发动 机，从而带动发电机发电并联合蓄电池供给整机电力能源。 8 （2） 、照明和信号装置部分：照明系统是为了保证自卸汽车在夜间行驶及阴 暗的矿坑里工作时的照明及安全需要，信号装置是通过声响和灯光向其它车辆 的司机和行人发出警告，以引起注意，确保行驶和工作安全。其包括：前大灯、 后大灯、驾驶室内灯、倒车灯、转向灯、制动灯、示廓灯、电喇叭、报警批示 灯等。 （3） 、指示仪表部分：作为司机了解车辆工作状况的“眼睛” ，对确保车辆 行车安全、及时排除故障和避免发动机出现严重故障起着重要的作用，通常包 括车速表、时钟、燃油表、温度表、电流表、温度传感器、压力传感器等。从 而对需要监视的信号点进行检测，通过信号处理，利用以上表盘、指示灯显示， 或输往后续控制系统。各种仪表都合理的布置在仪表盘，仪表盘安装在驾驶座 前面便于观看的位置，使司机能随时了解车辆的行驶情况和发动机工作状况。 要求各个仪表结构简单、工作可靠、显示数据清晰、准确、指示值受电源的电 压波动和环境温度变化的影响小，除此之外，仪表的抗震、耐冲击性能也要好。 （4） 、电气系统控制部分：这部分是实现自动控制的关键，它组成了自卸汽 车的操纵系统。电气系统控制部分主要包括：电源总开关、启动开关、预热开 关、钥匙开关、照明及指示灯开关。 （5） 、传感器及其电路与 PLC 自动控制部分主要包括：温度传感器及其电 路、压力变送器及其电路、PLC 控制系统及继电器的选取，及 PLC 控制系统的 程序设计。这部分是实现自动控制的关键，它组成了自卸汽车的操纵系统。为 了方便驾驶员安全而准确的操作，操纵系统的各种控制开关应该按人机工程学 的要求，合理布置，并且应考虑开关的操作负荷和良好的手感，尽量要使驾驶 员对操作方向顺手。 （6） 、线束设计部分：电线束是自卸汽车的神经系统，通过合理地设计布置， 连接电源，以及各种控制器、用电器、显示器、保护器和报警器等电气设备与 装置，使之实现其功能。因此，电线束是自卸车的关键系统之一。 2.2 电气系统设计整体方案 2.2.1 设计基本思路 根据 CA-20 地下自卸汽车的性能要求和汽车电气系统设计原则，本系统的 设计包括照明指示电路、传感器电路、仪表显示电路、声光报警电路以及 PLC 控制电路等主要功能部分，各部分都由电源系统提供工作电源。传感器把检测 到的各种数据，一路采用仪表盘并结合声光报警单元在数据超过报警极限时发 送电信号到发光报警电路，直观的显示出来并发出报警信号，以利于驾驶员实 9 时监控整机的工作状况，采取相应的操作。另一路则把传感器所测得的各检测 点的实时数据信号，通过合适的模块传输到 PLC 控制器内部，在程序的运行中， 使 PLC 发出指令实现实时的自动控制。由于驾驶员通过仪表显示的数据可以通 过各种开关及 PLC 控制系统来做出合理操作，从而使整个汽车可以在各种工况 下都可以安全可靠的运行。 2.2.2 整机电气设计方案框图 图 1 电气系统原理图 2.2.3 主要性能特点及参数： 由于本设计是与衡阳冶金合作的横向课题中的分支，根据合作单位的设计 要求：CA-20 地下自卸汽车是载重量为 20t 的矿用车，我们选择了底特律公司 的 series50 系列柴油发动机，根据在本电气系统设计的要求及参数需要，从而 查出选用柴油发动机各项参数如下： 发动机排量：8.5L 额定输出功率：207kW 额定转速： 2100r/min 输出扭矩： 1186MN 发动机冷却剂容量：16L 压缩比率：15.0：1 2.3 电气系统设计方案的实现 10 2.3.1 总的工作原理（包括原理图） 根据整车的用电需要及柴油机的启动要求，本地下自卸汽车电气系统采用 标称电压为 24V，单线负极搭铁制。根据地下自卸汽车的特殊性，其电气设计 中应考虑它工作的环境及在特殊条件下汽车自身部件的性能和参数要求，而且 考虑整车设计的经济性，我们按照其实现的要求进行系统设计和功能设置，电 气原理图如下页图 2 所示。 2.3.2 电气系统的各部分的构成： 1、电源与启动部分： 电源与启动部分作为 CA-20 型地下矿山自卸汽车的的能源核心和运行起点， 在整个电气系统的设计中是个关键。 启动部分由三部分组成：启动机、蓄电池和发电机及其调节器。 地下自卸汽车的电源由蓄电池与发电机并联组成，在启动时，蓄电池放电， 向启动机供电以启动发动机，在发动机工作时，由发动机带动发电机给车辆用 电设备供电，并向蓄电池充电。 在此部分设计中要特别注意三个方面的问题：1 启动机功率与蓄电池容量 的匹配；2 发电机功率的选配；3 启动机预热系统的选择。 2、照明和信号装置部分： 为了保证汽车行使安全和工作可靠，在汽车上装有各种照明和信号装置， 用以照明道路，标示车辆宽度，照明车厢内部及仪表指示和夜间检修等。此外， 在转弯、制动和倒车等工况下，还应发出光信号和音响信号。 照明和信号装置部分包括两大部分：照明装置（有前大灯、后大灯、倒车 灯、驾驶室内照明灯等）和信号装置（转向灯、刹车灯、倒车灯、示廓灯、位 置灯、电喇叭、报警指示灯等） 。灯、喇叭与其他用电设备之间是并联在电路中 的，以保证他们需要的供电电压，并可单独控制各个用电设备的接通和断开， 从而实现它们的单独控制。 11 图 2 CA-20 型地下矿山自卸汽车电气系统原理图 12 4、仪表部分 对汽车仪表的设计，要满足整车行使过程中关键信息参数、信号或工作状 态的速度指示需要，根据整车设计，适量选择需要准确指示的信息并用表头指 示，选取其它信息并用报警指示。 指示仪表部分主要包括：车速里程表、时钟、燃油表、温度表、电流表等。 指示仪表是为方便司机了解汽车工作状况，对确保汽车行使安全、及时排 除故障和避免发动机出现严重故障而引起重大事故，因此要求各个仪表结构简 单、工作可靠、显示数据清晰、准确、指示值受电源的电压波动和环境温度变 化的影响小，除此之外，仪表的抗震、耐冲击性能也要好。 5、系统控制开关和继电器部分 电气系统控制开关部分主要包括：电源总开关、点动开关、预热开关、前 后照灯开关。 电气开关和继电器担负着发动机启动、灯光照明通断、用电器的控制、警 报信号的发生等功能，其结构、种类、操作方法是多种多样的。为适应电器的 功能，要求其安全准确的动作，并且有足够的耐久性和可靠性，同时对温度、 湿度、振动冲击、腐蚀等各种环境及使用条件有较高的适应性。 继电器的基本组成件是电磁线圈和带复位弹簧的触点，其工作方式利用通 电线圈产生的电磁力来改变触点的原始状态。继电器在汽车里主要起保护开关 和自动控制作用。 6、器及其电路与 PLC 自动控制部分 汽车电子控制系统的基本组成如图 3。 13 图 3 控制与检测部分框图 传感器的作用是将发动机的工况及状态，汽车的行使工况和状态等物理参 量转变为电信号，输送给 PLC 控制芯片。传感器又是电子控制系统的“眼睛”和 “耳朵”。 PLC 控制单元的作用是对各传感器输入的电信号进行综合的处理，作出实 时的判断，并输出控制信号。PLC 控制单元是电子控制系统的“大脑”。 执行单元是根据控制器的控制信号作出相应的控制动作，将控制参数迅速 调整到设定的值，使控制对象工作在设定的状态。 7、电线束的设计 CA-20 地下自卸汽车电气系统中的各个电气设备是通过导线并联起来的。 为了使全车繁多的导线不凌乱、方便安装和保护导线的绝缘层不被损坏，一般 将同路的各异线用棉纱编织或用聚氯乙烯塑料管做成线束。同时为了安装和维 修方便，将全车线束分为几个分支线束。 该自卸汽车线束中的导线均采用 QFR 汽车专用低压导线，低压导线的截面 主要是根据用电设备的工作电流选择的，对于功率很小的电器，仅根据工作电 流的大小选择导线，其截面积将太小，机械强度差。由于蓄电池与启动机的距 离应尽可能缩短，并选取尽可能大的导线截面。当通过最大功率的电流时，该 导线的电压降对 12V 系统不大于 0.5V，对 24V 系统不大于 1V。因此所选用的 导线截面积最小不小于 0.5。 2 mm 2.3.3 传感器及其电路设计与选型 1、用传感器简介 为了实现汽车工作的实时控制，人们不得不求助于微型计算机、PLC 和传 感器。随着微电子技术和传感器电子学的发展，汽车电子学使汽车工业焕然一 新。特别是在当今传感器的发展落后于计算机、PLC 的情况下加速开发汽车用 传感器就更为重要。汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子 控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。汽车传感 器在汽车上主要用于发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系 统中。 传感器是一种转换器，它把物理量、电量、化学量等被测量转换成容易处 理和传输的电信号。由下面的图 4 系统信息的信息处理过程框图可知，传感器 是控制系统的关键性部件。如果没有各种传感器，PLC、计算机或微处理控制 则根本无法实现。而汽车用传感器是用于汽车显示和电控系统的各种传感器的 统称，与其它用传感器相比有自己的特点。 14 图 4 系统信息的处理过程 汽车传感器的特点如下： .精度要求高：它的精度要求位于家电和计测之间，要求 1%或 1%以下的精 度。汽车传感器在-40+120的范围内长期工作，抗振为 15g（1502000Hz） ， 冲击：从 1 米高处在混凝土上而不引起精度的下降，抗电磁干扰、耐腐蚀。 .使用环境恶劣：有来自发动机产生的热、振动、汽油和油的蒸气，以及轮 胎的污泥、飞溅的水花，可概括为：温、湿度等气候条件，振动冲击等机械条 件；电源、电磁干扰等电气条件，或简单地归纳为温度、湿度、振动等物理环 境、过电压电磁波等电气环境。 要求可靠性好：汽车用传感器同飞机用传感器一样，有高可靠性要求，要 绝对可靠地动作，甚至它比飞机用传感器有更高的要求，因汽车又同家用电器 一样，本身价格便宜，使用者是一般大众，因此，要求汽车传感器价格低，性 价比高。汽车传感器用于电子控制时主要是弥补原来机械控制精度的不定，所 以，汽车传感器的可靠性指标寿命是 10 年，汽车行驶 10 万公里无故障。 2、传感器的种类及介绍 汽车传感器大致有两类，一类是使司机了解汽车各部分状态的传感器，另 一类传感器是用于控制汽车运行状态的控制传感器。 汽车用传感器的主要种类如下表 5 所示： 表 5：汽车用传感器种类 项目检测量、检测对象 温度冷却水、发动机油、吸入及排出气体、室内外空气 压力制动压、发动机油压、各种泵压、轮胎压 液量燃料油量、冷却液高度、机油量、制动液量 转速曲柄转角、曲柄转数、车轮转速 （加）速度车速、负加速度 流量吸入空气量、燃油流量、排气量、二次空气量 位移方位节流阀开度、行驶距离、行驶方位 排出气体O2、CO2、NOx、CH 化合物、柴油烟 其它转矩、湿度、电池电压、蓄电池容量、荷重、轮胎失效率 下面具体介绍在 CA-20 地下自卸汽车电气系统自动监控中起着重要作用的 15 三种类型传感器：温度传感器、压力传感器以及转速传感器。 （1）传感器 温度是表示汽车系统工作状态的基本参数之一。为了弄清发动机及其它零 部件的热状态、计算进气的质量、流量以及排气净化处理，需要有能够连续、 精确地测量冷却液温度、吸入气体温度与排气温度及检测发动机温度、燃油温 度以及催化温度的传感器，通常采用温度用传感器有线绕电阻式、热敏电阻式 和热偶电阻式三种主要类型。三种类型传感器各有特点，其应用场合也略有区 别。线绕电阻式温度传感器的精度高，但响应特性差；热敏电阻式温度传感器 灵敏度高，响应特性较好，但线性差，适应温度较低；热偶电阻式温度传感器 的精度高，测量温度范围宽，但需要配合放大器和冷端处理一起使用。当前， 汽车传感器中用量最大的是温度传感器（如：吸气温度、水温、油温、燃料温 度、车内温度、车外温度等） ，在一般的汽车中，通常需要使用 10 多支温度传 感器。 已实用化的产品有热敏电阻式温度传感器(通用型-50130，精度 1.5，响应时间 10ms；高温型 6001000，精度 5，响应时间 10ms)、铁 氧体式温度传感器(ON/OFF 型，-40120，精度 2.0)、金属或半导体膜空 气温度传感器(-40150，精度 2.0、5，响应时间 20ms)等。 （2）压力传感器 压力传感器主要用来测量气体和流体的压力，而车用压力传感器用来检测 汽缸负压、大气压、涡轮发动机的升压比、发动机油压、汽缸内压、制动压、 轮胎压等。吸气负压式传感器主要用于吸气压、负压、油压检测。汽车用压力 传感器应用较多的有电容式、压阻式、差动变压器式（LVDT） 、表面弹性波式 （SAW） 。 电容式压力传感器主要用于检测负压、液压、气压，测量范围 20100kPa，具有输入能量高，动态响应特性好、环境适应性好等特点；压阻式 压力传感器受温度影响较大，需要另设温度补偿电路，但适应于大量生产； LVDT 式压力传感器有较大的输出，易于数字输出，但抗干扰性差；SAW 式压 力传感器具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、分辨率高、数 字输出等特点，用于汽车吸气阀压力检测，能在高温下稳定地工作，是一种较 为理想的传感器。 （3） 转速传感器 转速传感器主要用于检测曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等。 目前汽车使用的位置和转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、 16 簧片开关式、光学式、半导体磁性晶体管式等，其测量范围 0 360 ，精度 0.5 以下，测弯曲角达 0.1。 车速传感器种类繁多，有敏感车轮旋转的、也有敏感动力传动轴转动的， 还有敏感差速从动轴转动的。当车速高于 100km/h 时，一般测量方法误差较大， 需采用非接触式光电速度传感器，测速范围 0.5250km/h，重复精度 0.1，距 离测量误差优于 0.3。 （4） 、车用传感器的发展趋势 由于汽车传感器在汽车电子控制系统中的重要作用和快速增长的市场需求， 世界各国对其理论研究、新材料应用和新产品开发都都非常重视。未来的汽车 用传感器技术，总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。 微型传感器基于从半导体集成电路技术发展而来的 MEMS (微电子机械系 统)，微型传感器利用微机械加工技术将微米级的敏感元件、信号处理器、数据 处理装置封装在一快芯片上，由于具有体积小、价格便宜、便于集成等特点， 可以明显提高系统测试精度。目前该技术日渐成熟，可以制作各种能敏感和检 测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器。由于基于 MEMS 技术的微型传感器在降低汽车电子系统成本及提高其性能方面的优势，它们已 开始逐步取代基于传统机电技术的传感器。 多功能化是指一个传感器能检测 2 个或者两个以上的特性参数或者化学参 数，从而减少汽车传感器数量，提高系统可靠性。 集成化是指利用 IC 制造技术和精细加工技术制作 IC 式传感器。 智能化是指传感器与大规模集成电路相结合，带有 CPU，具有智能作用， 以减少 ECU 的复杂程度，减少其体积，并降低成本。 总之，随着电子技术的发展和汽车电子控制系统应用的日益广泛，汽车传 感器市场需求将保持高速增长，微型化、多功能化、集成化和智能化的传感器 将逐步取代传统的传感器，成为汽车传感器的主流。 （5） 、-20 地下自卸汽车主要传感器及电路的设计 在 CA-20 地下自卸汽车的电气系统设计中，如何检测和保证地下汽车的发 动机及其它重要零部件（如：液力变矩器、制动系统蓄能器等）是否正常工作 是非常必要的，而能够对它们进行实时检测和监控的传感器及其电路设计是一 个非常重要的部分。在本电气系统设计中，我们把传感器及其变送电路的设计 作为一个专项设计来进行，而对地下车正常工作影响最大的是发动机以及液力 变矩器的正常运转，发动机冷却液水温及发动机转速、变矩器油温和蓄能器压 力作为它们是否正常工作的最主要参数，我们把它们是否工作在正常状态作为 衡量地下车运转正常的标志，因此，最重要的部分是发动机冷却水温度和液力 17 变矩器油温的测量与监控以及制动系统中制动液压力的测量与监控，此外，发 动机转速也是其中之一。这就需要车用温度、压力和转速传感器/变送器及其电 路来提取信号并转换成容易识别的电信号，如：电流、电压等。在本设计中， 温度和压力传感器/变送器电路是重点设计部分，全部是转换成电流信mA204 号输出。 （1） 发动机冷却水温度的测量与监控 CA-20 地下自卸汽车工作时，当它的发动机柴油机的水冷系统中的缸 体及冷却水的温度超过其允许的最大温度时，司机必须停车熄火以便让发动机 冷却下来，否则将影响发动机以及汽车的正常工作。为了实时监控它们的温度 以便司机能够及时了解情况以便迅速的采取措施，就有必要使用温度传感器及 变送器对其采集信号并转换成电信号输出。 根据发动机冷却水最大温度极限值及传感器/变送器所要工作的环境C90 情况，我们选择美国 Honeywell 公司生产的 TD4A 液体温度传感器及其相应的 电路对发动机冷却水温度进行实时监控并输出信号给 PLC 系统及显示仪表。 TD 系列温度传感器提供一个相对温度变化的输出电压。电阻温度检测器 （RTD）是电阻系数正比于温度变化的器件。TD 系列温度传感器对温度变化响 应快。它无需标定，在时就可达到的精度互换，RTD 提供C20C7 . 0 的灵敏度，近似线性输出。C/8 其特点是： 互换性好，响应快，检测空气或液体温度，温度灵敏度为线性，长期稳定 性好，在下标称值电阻为。工作温度范围：，存储温C202000C15040 度范围：。C17055 TD4A 液体温度传感器，是二线制，在静止空气中响应时间 4min，在静止 水中是 5s。导线挂在静止空气中，温升是。其互换性如下表 6：mWC /12 表 6 TD4A 液体温度传感器的互换性（1mA 最大电流） 温度电阻/温度电阻/ -40(-40F)158412(1.9)60(140F)23149(1.1) -30(-22F)164911(1.7)70(158F)239710(1.2) -20(-4F)171510(1.5)80(176F)248212(1.4) -10(14F)17849(1.3)90(194F)256914(1.6) 0(32F)18548(1.1)100(212F)265816(1.8) 10(50F)19266(0.8)110(230F)274818(2.0) 20(68F)20005(0.7)120(248F)284019(2.0) 30(86F)20765(0.7)130(266F)293421(2.2) 40(104F)21536(0.8)140(284F)303023(2.4) 50(122F)22337(0.9)150(302F)312825(2.5) 18 计算电阻用方程如下 2 0 6 0 3 0 1064 . 4 1083 . 3 TRTRRRT 式中在温度 T 的电阻； T R 在 0的电阻； 0 R 0温度。T 线性度2%（-2585） ，3%（-40150） ；重复性1，TD 系列传感器 可线性化至2%以内。 TD 系列温度与电阻关系曲线图 7 如下： 图 7 TD 系列温度与电阻关系 （2） 液力变矩器油温的测量与监控 同样，液力变矩器也存在相同的情况，其油温也不能超过其允许的最大温 值。根据变矩器允许的最大油温和工作环境,以及测量与监控发动机冷却C120 水的温度传感器电路一样适合测量与监控变矩器油温，并且考虑到采用相同的 传感器电路易于简化电气系统的设计与维护。所以我们选择同测量与监控发动 机冷却液温度一样的 TD 系列温度传感器电路。 采用图 2.6 所示电路，最大通过 TD。对 TD 系列传感器，用此电路时，mA1 在为，线性变化至输出电流为。用测量电流大小表示C 40mA4C150mA20 测温。 19 图 8 TD 系列 420mA 变送电路 上图中 REF 是基准，是 LM10/LM10B/LM10C 运算放大器，1 点电压设 1 A 定 5V，增益 2.286，调节电位器使输出电流，TD 具有电阻 1584，输 1 AmA4 出，TD 具有温度。安培表连在 A、B 间或才、C、D 间。mA203128 （3） 蓄能器压力的测量与监控 液压系统是 CA-20 地下自卸汽车设计的关键，该系统的好坏直接影响车辆 的各种使用性能和安全性能，在 CA-20 地下自卸汽车液压制动系统中，当制动 液压回路压力低于安全制动压力时，就要实行制动欠压报警，提醒司机要检查 制动压力下降的原因，在末排除之前，不能使用车辆。 CA-20 地下自卸汽车在矿区作业，工况恶劣复杂，这就要求所选择的压力 测量与监控装置压力变送器能够在恶劣的环境下持续正常的工作，而且便 于与所设计的 PLC 控制系统接口，综合考虑到地下自卸汽车的这些情况，并联 系当前压力变送器的发展状况。我们选用康宇测控仪器仪表工程有限公司生产 的 KYBG18 系列绝压/压力变送器，而此系列绝压/压力变送器的检测部分选用 著名的美国 NovaSensor 公司高精度、高稳定性的 NPI 系列，隔离式扩散硅压力 敏感传感芯片，通过高可靠性的放大电路，将被测介质的表压或绝压转换成 420mADC、010mADC 或 05VDC 等标准电信号。高质量的传感器、精湛的 封装技术以及完善的装配工艺确保了该产品的高质量和优异性能，保持了优良 的灵敏度、线性度和迟滞，采用了温度补偿技术，用来进行温度补偿的电阻环 20 路制作在混合陶瓷基片上。敏感组件在 070的温度补偿范围内，提供了最C 小的温度误差 0.75%（最大值） 。即使是在恶劣的环境下，如：污水、蒸气、弱 腐蚀介质等，仍具有优良的性能。它外观图如下： 图 9 压力变送器外观图 根据液压系统中我们需要测量与监控的液压力范围，并考虑到变送器的安 装方式，我选用 KYB18G09M1P2C2 变送器。它的性能参数如下： 量程范围：016Mpa 过载压力：最大量程的 2 倍 输出信号：420mA (直流) 工作电压：标准 24VDC，纹波小于 1%5 工作温度：-40125 C 负载电阻（420mA）： 其中：U 为电源电压，为电缆 D R U R 02 . 0 14 D R 内阻 精 度：FS%25 . 0 稳 定 性：年1/%25 . 0 FS 膜片材料：316 不锈钢 外壳材料：302 不锈钢 过程接口：M12X1、M20X1.5 或 G1 外接 引线方式：电缆线（零点、量程可调节） 安装尺寸如下图： 27 L=118 3 M 12X1.5-6g 21 图 10 KYB18G09M1P2C2 变送器 其中 L=1183mm KYBG18 压力变送器的接线电路如图 9 所示： 变 变 变 变 V / I 变 变 变 (-) 变 (+) 变 变 变 K Y B G 18变 变 图 11 压力变送器电路 （4）CA-20 地下自卸汽车发动机转速测量 CA-20 地下自卸汽车发动机选用底特律公司的 series50 系列柴油发动机， 根据在本电气系统设计的要求及参数需要，需要的柴油发动机各项参数如下： 发动机排量：8.5L 额定输出功率：207kW 额定转速： 2100r/min 输出扭矩： 1186MN 发动机冷却剂容量：16L 发动机工作时，发动机转速是否在其允许的范围内，是其是否正常工作的 最主要的参数之一。为此，我们把转速作为衡量发动机是否正常工作的标志。 根据转速的大小来确定发动机是否正常工作。 为了实时了解和监控发动机的工作状况是否正常，其是工作在怠速状态还 是正常转速范围内以及其它工作状态，就有必要对发动机转速进行实时测量。 考虑到 CA-20 地下自卸汽车工作在恶劣的矿井环境中，经过多方分析比较以及 综合考虑到各方面的情况，选择北京捷福士电子技术有限公司 CF 系列转速变 送器对发动机的转速情况进行实时测量。CF 系列转速变送器有良好长期稳定性， 其主要参数性能： 输入电源：24VDC 输出信号：420mA 电流 负载电阻：0500 输出电阻：5M 安装方式：插接式 22 其接线图如右图 10 下： 图 12 转速变送器接线图 2.3.4 PLC 自动控制系统设计 1、PLC 简介 可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller)是一种专门在工业环境 下应用的数字逻辑运算操作的工业微型计算机。它采用可以编制程序的储存器， 用来在其内部储存执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的 指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过 程。PLC 及其有关的外围设备都易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展 其功能的原则设计，具有线路简单, 可靠性高，编程方便，体积小，可靠性高、 抗干扰强等显著特点，已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械 制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。 2、PLC 与其它机电控制设备的比较 PLC 既能控制开关量，又能控制模拟量，用于代替继电器控制逻辑、二极 管矩阵逻辑以及便于接线的数字逻辑。PLC 比单板机、微型计算机的使用更简 单可靠，工程技术人员只要理解和掌握梯形图，然后把继电器原理图变换为 PLC 使用的梯形图基本上就可以自己操作使用。 3、PLC 与继电器比较 继电器的结构简单，使用方便，价格低廉，所以使用范围甚广。但是它有 明显的缺点：动作速度慢，可靠性差。而随着采用微电脑技术的 PLC 的出现， 使得继电器控制逻辑更加逊色。PLC 在逻辑控制、速度控制、 限时控制、可靠 性和可维护性、逻辑电路的设计和完成周期等方面都具有明显的优势。 4、PLC 与微型计算机比较 大量使用的微型计算机系统一般用于科学计算，数据处理、通信等，PLC 主要用于工业自动化控制，而 PLC 在使用环境与输入输出和程序设计与系统功 能等方面在机电一体化设计中更加具有优势，且 PLC 只有简单的监控程序，能 完成故障检查，程序的输入、修改和执行等功能。 5、PLC 与单板机比较 单板机具有结构简单，使用方便，价格便宜等优点，一般用于数据采集和 工业控制。但是单板机不是专门针对工业现场自动化控制设计的，而 PLC 是专 门针对工业现场自动化控制设计的。因此单扳机不如 PLC 容易掌握，不如 PLC 可靠，不如 PLC 使用简单。通过对三者的综合比较，用于工业自动化控制的 23 PLC ，具有结构简单，抗干扰能力强，环境适应范围广，控制可靠性高，易于 学习和掌握，控制逻辑修改容易，调试方便等优点，它是现代机电技术一体化 的极佳选择。 6、CA-20 地下自卸汽车控制技术的选取 地下自卸车常时间工作在工矿复杂的矿井下，在传统的汽车工业中通常是 利用车内设置的传感器实时检测相关参数反映车况，以模拟电路和传统的中间 继电器来实现控制，此种控制方式的电路结构复杂，接触器和辅助触点较多， 容易出现故障。在 CA-20 地下自卸汽车的自动控制系统中 PLC 自动控制技术比 起其它机电控制设备不仅可以更容易实现实时监控，同时能实现故障的迅速自 动控制切除故障部件，以防出现重大事故，使地下车控制系统的可靠性和安全 性上了一个新的台阶。 结合对 CA-20 地下自卸汽车设计要求的分析，综合考虑利用 PLC 技术来控 制 CA-20 的传感模拟信号的输入和输出，更容易实现实时监控，数据处理，故 障动作等操作。 7、控制对象的选择 在 CA-20 地下自卸汽车的电气系统设计中，地下车发动机冷却液温度和液 力变矩器油温的极限最大值必须得到限制，当它们的温度达到极限最大值时， 地下车必须停车或采取其它的必要措施以使温度降低回到地下车工作的允许的 温度范围之内，并同时给出警示信号提醒驾驶者。地下车液压制动系统压力的 大小直接决定着地下车是否能够及时、迅速的停车制动，当其压力小于某一极 限值时，地下车自动控制系统必须提醒司机检查液压制动系统，找出制动压力 降低的原因并采取措施解决，使地下车能够回复正常作业。发动机的转速也是 反映地下车正常工作的重要信号，在发动机在工作的过程中其运转的速度必须 控制在一定范围之内，超过此限时发动机必须停止工作。 利用 PLC 技术设计的自动控制系统能同时满足警示和自动控制的功能。在 地下车的众多监控传感器中，本设计的 P
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