基于CODESYS的鐵水車電氣控制系統設計

謝 明，張吉勝，李利民

（中冶寶鋼技術服務有限公司，上海200941）

鐵水車是運輸液態鐵水包的專用車輛，根據托運鐵水包噸位的不同，分為90t、120t、180t等類型產品.它借助其特有的液壓升降平衡機構，能適應不同高爐鐵水駁運狀況，最大限度地滿足現場使用需求.鐵水車主要有電氣、結構、液壓、氣壓四大系統，各系統之間功能巧妙結合，構成性能優越的鐵水車.本文分析180t鐵水車（圖1）電氣系統設計.

由于冶金用車輛使用條件較苛刻，電氣系統工作時間長，且高負荷戶外工作需要承受極端溫度、高震動沖擊、潮濕、粉塵等等環境因素帶來的考驗，同時也要避免工作電壓波動、浪涌、電磁干擾等電氣干擾信號對系統穩定性帶來的影響，目前此類特種車輛電氣系統控制主要采用高質量可編程控制器加人機界面接口方式.根據采用控制器廠家不同，具體控制方法也大不相同，目前國內市場上主流控制器廠商有 TTC、EPEC、DANFOSS、INTERCOM 等.可編程控制器技術作為新興起的技術，已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業.

在本文中，利用CODESYS編程平臺，對鐵水車控制器進行編程、測試及仿真，實現對鐵水車的運動控制，如車輛行走、加速、停車，實現對鐵水車的故障檢測，如機油壓力、水溫和系統壓力等，實現對鐵水車的比例油缸的平衡升降控制，實現對全車報警及相關自動控制等.為了最大程度保障車輛的實用性與操作、維護的方便性，增加設計了傳統儀表與監視器共存的監視系統，增加設計了控制器故障時備用電路及發動機故障時拖車轉向動力的控制方案等.在本文中只討論該鐵水車基于CODESYS平臺的電氣控制系統部分［1］.

本文在分析鐵水車基于CODESYS平臺的電氣控制系統要求及功能的基礎上，利用軟件C語言編程，建立了鐵水車電氣控制系統的人機界面，使得控制系統各項參數的檢測及故障狀況在顯示器上實時更新顯示，使該人機接口可滿足系統狀態檢測、參數標定、故障報警、I／O檢測、手柄切換幾大功能，最大程度地反映該鐵水包車輛運行的實時數據，為判別該車輛使用性能的好壞和故障檢測提供了最直接真實的數據.

1 鐵水車電氣控制參量分析

鐵水車電氣控制參數包括發動機參數的檢測、液壓系統檢測、行走系統控制、舉升系統控制等.

圖1 鐵水車外形圖

根據各項設計要求，需要控制輸入的開關量20個，模擬輸入量15個、頻率輸入量2個、數字輸出量9個、PWM輸出量8個.1）開關量輸入，主要用于檢測各濾網的堵塞情況和平臺位置限定及所有的開關信號形式輸入，這類信號輸入電壓范圍較大，一般應控制在24V以下；2）模擬量輸入，主要包括手柄控制、各類傳感器控制，在模擬量輸入中，分為電流型和電壓型輸入，如手柄控制為電壓型輸入，壓力傳感器為電流型輸入；3）頻率量輸入，控制發動機轉速，馬達轉速；4）開關量輸出，主要有轉向限位控制、行車控制、報警控制等；5）PWM輸出，控制4組比例閥油缸升降動作，能精確控制油缸升降的速度及位置.

圖2 控制系統控制參數組成框圖

由圖2可知，在該控制系統框圖中，以控制器為核心，各類傳感器和手柄等作為信號檢測輸入點，以比例閥和馬達以及報警器件等作為系統命令的執行機構，以顯示器作為人機界面接口部分，建立起鐵水車的電氣控制系統［2］.

2 控制器及其他主要器件的選型

在該鐵水車電氣控制系統中，主要有輸入部分、數據處理部分、執行輸出部分，每個部分分別完成所需要的功能，根據完成功能的不同，每個部分選擇相應的元器件.在該系統中，通過綜合考慮，選擇EPEC2023、2038作為整個電氣控制系統核心，EPEC2023、2038擁有的總I／O端口數達到72，模擬量輸入最多達到了22路，PWM最多達到14路，即可以同時控制七組比例閥的升降和對22路模擬數量的數據處理，在設計的系統中，需要控制的I／O端口總數為54路，需要控制的模擬量為15路，需要控制輸出的PWM信號為4組，兩個控制器完全能夠滿足需求，并為日后功能的擴展也做了預留量.

顯示器擬采用性能相對穩定的GRAF AT3000，該顯示器在國內特種車行業使用相對廣泛，操作方便，性能可靠.與控制器通訊方面采用了CAN總線技術，簡單可靠.

控制手柄采用P＋G公司的JC系列指尖操控手柄，該手柄專為與電子控制器配套使用而設計，內部的導電塑料軌道可根據手柄移動的距離和方向產生成比例的模擬和開關參考信號，信號穩定可靠，使用性能優良.

傳感器分為油壓傳感器、氣壓傳感器、角度傳感器等.主要部件選型如下：控制器，EPEC，2023／2038；顯示器，GRAF，AT3000；操作手柄，P＋G，JC100／JC400；壓 力 傳 感 器，HUBA，0－600／400BAR；角度傳感，ME，145°；換檔手柄，ZF，340；繼電器，PHONEX，PLC.

3 控制系統設計

由以上分析可知，控制器和輸入輸出執行器關聯且相互約束，因此在實際的控制邏輯與動作執行中需考慮各動作之間的同步性、協調性，反映的準確性與快速性，故障過程的可靠性等.這些需先在CODESYS平臺上進行測試和仿真，以判斷鐵水車電氣控制系統設計是否合理.

首先在CODESYS軟件中建立該系統工程項目，在工程目錄下，建立各子功能塊，主要有通訊控制功能塊、安全保護功能塊、初始化功能塊、傳感器標定功能塊、檔位控制功能塊、故障報警功能塊、舉升控制功能塊、其他控制功能塊等（圖3）［3］.

圖3 控制系統開發流程

在CODESYS開發平臺里，包含有很多通用的庫函數，如標準函數庫、模擬量標定庫、PWM控制電壓電流庫，借助這些通用函數庫，會極大的縮短開發時間，提高控制系統的可靠性，傳感器標定功能塊見文獻［4］.在本控制系統編程設計中，幾乎所有的傳感器與其他輸入控制信號通過實際標定，獲取值與測量值一致，只有前后輪角度實測角度與實際車輪轉動角度不一致，針對該問題，做出如下分析.

如圖4所示，其中α為角度傳感器實測角度，β為車輪實際旋轉角度.

圖4 轉向輪角度與實測角度α、β三角關系

容易看出，通過簡化的角度傳感器測量角度與車輪轉向角度實際就是純三角函數關系，通過對它們之間進行三角變換及反三角變換，使得它們之間呈規律變化，最后在CODESYS平臺中通過編程計算實際轉向角度與車輪角度的實時對應值.α與β的關系為

控制器系統編程完成及經過初步測試后，再對顯示器系統進行開發，GRAFAT3000顯示器為黑白顯示器，開發語言為C語言，在顯示器（圖5）上，主要體現幾大部分：

1）實時與控制器進行通信，保證訊息的實時交替；

2）顯示整個車輛的狀態，如車體各個系統的壓力值，車輛速度，發動機性能參數等；

3）監視控制器所有輸入、輸出端子，通過顯示器可以檢測控制器各輸入值；

4）故障報警，在系統各個參數超出預設值時，彈出故障頁面并發出報警指示；

5）各項參數的標定及更改功能，該功能在更換零部件后能很方便地對控制器參數修改.

圖5 人機界面主頁面圖形

4 結論

本文針對鐵水車電氣控制系統進行分析，以CODESYS軟件為平臺建立起該車輛的可編程電氣控制系統.本文對該系統中需要使用的主要器件做了簡要的介紹，并對各個控制功能模塊及相關信號類型也進行了相關的討論，重點對轉向角度進行了較為深入的闡述；在人機接口方面，建立了與控制器實時通信的顯示器模塊.該軟件在整個控制系統建立的分析過程中起到了重要作用，使得該套電氣控制系統的設計能夠預先進行各項性能的測試、仿真等.該套電氣控制系統已成功應用于鐵水車上，使用效果良好.如果對該系統進行適當的變化，亦適用于其他液壓平板懸掛類車輛電氣控制系統.

［1］張曉云.汽車電路分析［M］.北京：中國人民大學出版社，2009.

［2］張 戟.基于Power PC的32位微控制器原理汽車電子控制系統［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［3］譚浩強.C語言編程技術［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［4］派 芬.CODESYS編程技術使用手冊［S］.上海：派芬自動控制技術有限公司，2007.