分布式控制在礦用自卸車上的應(yīng)用

張 莉，張 亮，房康寧，張亞鵬

徐州徐工礦業(yè)機械有限公司 江蘇徐州 221004

礦用自卸車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)多，電控系統(tǒng)必須對各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行采集、計算及控制，信號采集量大、控制元件多。控制系統(tǒng)分為分布式控制(DCS) 和集中控制 (CCS) 2 類，當(dāng)前在礦用自卸車上應(yīng)用比較廣泛的是集中控制系統(tǒng)，采用硬線將車體的信號采集裝置、執(zhí)行元件等連接至電控柜內(nèi)控制器，為了方便整車的拆卸和運輸，中間會增加斷點，從而導(dǎo)致電氣線束多、斷點多，故障率增加；當(dāng)車輛增加信號采集或控制點時，會有端口不夠用的情況，增加控制器又導(dǎo)致資源浪費。針對上述問題，研究礦用自卸車分布式控制，具有十分重要的實際意義。

1 分布式控制系統(tǒng)特點

分布式控制系統(tǒng)采用分散控制、集中監(jiān)測和管理的設(shè)計原則，通過功能分層、危險分散來提高系統(tǒng)的可靠性和擴展時的靈活性[1]。

為了保證控制的實時性、穩(wěn)定性，同時滿足用戶對控制系統(tǒng)的經(jīng)濟性要求，用分布式 I/O 來構(gòu)建分布式控制系統(tǒng)，硬件在地理上趨于分散，軟件在邏輯上趨于集中，其功能是分布式的，通過 CAN 通信把它們連成一個整體，實現(xiàn)多指令多數(shù)據(jù)流并行地執(zhí)行程序。

礦用自卸車的分布式控制系統(tǒng)包括多個分布式I/O 模塊、整車控制器、顯示裝置、信號采集裝置和執(zhí)行元件等。

2 礦用自卸車電控系統(tǒng)功能及分布式控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 礦用自卸車電控系統(tǒng)功能

目前使用的礦用自卸車總體結(jié)構(gòu)大致相同，主要分為動力系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、駕駛室、車架總成、貨廂總成、走臺總成、懸掛系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)等。

動力系統(tǒng)包括發(fā)動機、進排氣、散熱水箱等，需要電控系統(tǒng)采集空濾、水箱水位、急停、轉(zhuǎn)速等信息，并根據(jù)指令對啟動、噴油量等進行控制；液壓系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、制動、舉升等功能，其組成主要固定于駕駛室、車架位置，需要電控系統(tǒng)采集過濾器堵塞開關(guān)、壓力傳感器、溫度傳感器等信息，并根據(jù)指令對電磁閥、比例閥等進行控制；駕駛室是車身的重要組成部分，需要電控系統(tǒng)采集組合開關(guān)、按鈕、手柄、踏板、車門狀態(tài)、安全帶狀態(tài)等信息，并根據(jù)指令對雨刮、噴水、頂燈等進行控制；貨廂是運輸物料的直接承載體，需要電控系統(tǒng)采集其下降是否到位、舉升是否到位等信息；稱重系統(tǒng)影響礦車的工作效率和使用壽命，需要電控系統(tǒng)采集整車傾角、懸掛系統(tǒng)壓力傳感器等信息，并根據(jù)載重情況對載重指示燈進行控制；驅(qū)動系統(tǒng)包括發(fā)電機、變流柜、電阻柜、電動輪等，需要電控系統(tǒng)采集電動機轉(zhuǎn)速、電動機溫度、風(fēng)壓等信息，并根據(jù)指令對發(fā)電動機勵磁、電動機制動等進行控制；同時，電控系統(tǒng)還控制燈光、喇叭、集中潤滑、集中滅火、空調(diào)、顯示重要參數(shù)和故障報警。

礦用自卸車的結(jié)構(gòu)和功能特點決定了車輛體積過大，而電控系統(tǒng)必須對各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行采集和傳輸[2]，使司機對車輛實現(xiàn)很好的操縱、作業(yè)和監(jiān)控，采集信號量大、控制元件多。

2.2 礦用自卸車分布式控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

礦用自卸車分布式控制系統(tǒng)中的所有組成均用CAN 總線實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，采用 2 根雙絞屏蔽線，連接簡單、方便，傳輸速度快，可靠性高，大幅降低維護人員工作量，在工業(yè)領(lǐng)域總線控制已經(jīng)開始廣泛使用[3]。礦用自卸車分布式控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 礦用自卸車分布式控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

整車控制器是礦用自卸車分布式控制系統(tǒng)的核心，科學(xué)、有效地處理 CAN 總線上的通信信息，協(xié)調(diào)各 I/O 模塊工作以保證車輛的駕駛性能。各 I/O 模塊將采集信號利用 CAN 總線傳輸給整車控制器，控制器接收到信號并結(jié)合實際情況進行邏輯運算，運算結(jié)果通過 CAN 總線傳給各 I/O 模塊，從而實現(xiàn)對執(zhí)行元件的控制。

根據(jù)整車結(jié)構(gòu)和功能分布，該系統(tǒng)包含多個分布式 I/O 模塊，如駕駛室、液壓、車架、左走臺、右走臺的 I/O 模塊，模塊的端口可以根據(jù)需要進行輸入輸出配置，數(shù)據(jù)類型可以根據(jù)需要進行數(shù)字量和模擬量的切換。駕駛室 I/O 模塊用于駕駛室內(nèi)信號采集及執(zhí)行元件控制，液壓 I/O 模塊用于液壓系統(tǒng)信號采集及執(zhí)行元件控制，車架 I/O 模塊用于分布于車架部分的信號采集與執(zhí)行元件控制，左走臺 I/O 模塊用于分布于左走臺部分的信號采集與執(zhí)行元件控制，右走臺I/O 模塊用于分布于右走臺部分的信號采集與執(zhí)行元件控制。

顯示裝置包含顯示儀表、顯示屏，顯示儀表用來接收 CAN 總線上的數(shù)據(jù)，可以顯示車輛實時運行信息，包括發(fā)動機和驅(qū)動系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、GPS 狀態(tài)、整車控制器端口信息、分布式 I/O 模塊端口信息、載重數(shù)據(jù)、車輛故障信息等；顯示屏可以呈現(xiàn)車輛的360°全景影像，并可用于驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)試工作。

3 分布式控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)φ麄€分布式控制系統(tǒng)通信、操作指令、傳感器信號、各執(zhí)行元件使能情況、車輛運行狀態(tài)等進行監(jiān)測和存儲，并能夠?qū)λ杉降臄?shù)據(jù)進行分類示警。分布式控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測流程如圖2 所示。

圖2 分布式控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測流程

車輛在行駛過程中，對不當(dāng)操作可報警提示，以減少和避免故障擴大和機器損壞；監(jiān)測系統(tǒng)具有可追溯性，車輛出現(xiàn)故障，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)提取查詢，對歷史存儲數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，查找原因并解決問題。

4 結(jié)語

綜上所述，礦用自卸車分布式控制系統(tǒng)是一種比較實用的實時智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于CAN 總線構(gòu)成總線式網(wǎng)絡(luò)，多個分布式 I/O 模塊、整車控制器、顯示裝置等通過總線進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)了信號就近采集并根據(jù)通信協(xié)議控制附近執(zhí)行元件，更加智能化、模塊化，配置靈活、節(jié)點擴展方便，大幅減少礦車控制線束，節(jié)省安裝空間，故障點少，具有良好的可靠性、可維護性和可監(jiān)測性。