垂直舉升排水車多模式切換控制系統設計

段蒙蒙 ， 漢京勇 ， 魏廣娟

（1.徐州工程機械集團有限公司，江蘇 徐州 221004；2.江蘇徐工工程機械研究院有限公司，江蘇 徐州 221004）

隨著社會經濟的快速發展和人類活動的日益增強，近年來城市洪澇災害問題日益凸顯。我國的救援排水裝備雖然取得了長足的進步，但仍然存在設備操作復雜繁瑣、救援設備準備時間長、智能化程度低等問題。

垂直舉升排水車適用于立交橋、深井等地點的積水排除，在搶險救援、積水排除等方面發揮著不可或缺的作用［1］。本文設計了基于多模式切換的垂直舉升排水車智能控制系統，該系統操作簡單方便、救援準備時間短，改善了垂直舉升排水車工作裝置的控制精度和智能化水平。

1 垂直舉升排水車的結構組成及控制現狀

垂直舉升排水車的主要結構由專用底盤、支腿機構、絞盤機構、臂架機構以及位于臂架上的伸縮水管組成。該車的主要功能是采用位于伸縮水管底部的潛水泵將立交橋、深井等地方的積水排除。現有產品水泵由主泵驅動，臂架、支腿和卷盤都由輔泵驅動。每次作業需要輔泵先取力，整車布放完成后，關閉輔泵，發動機熄火再進行主泵取力，開機工作需要17步，操作繁瑣。控制箱采用按鈕操作，操作界面約有30多個按鍵，查找不便。臂架部分動作采用開關量調節，微調效果比較差。水泵開機升速采用人工緩慢調節旋鈕實現。普遍存在功能單一，調運不靈活，不能迅速投入工作狀態［2］。所以，開發一種功能全面、反應迅速、智能化程度高的排水車迫在眉睫。

2 垂直舉升排水車控制系統的組成

垂直舉升排水車電控系統的組成圖如圖1所示，主要由IMC T4775D控制器、底盤控制器、電液比例閥、電子手柄、操作按鈕、急停按鈕、無線遙控器、各類傳感器以及ICP6600顯示器組成。其中，控制器主要接收發動機、電子手柄、按鈕、溫度、壓力、速度等各類傳感器的輸入信號，經過控制器邏輯分析與計算后，輸出相關的控制信息，對發動機、液壓泵、液壓控制閥等執行元件進行控制，進而達到控制整車工作裝置的目的。ICP6600顯示器用來監測車體各裝置的工作狀態，例如車體傾斜角度、臂架回轉角度、液壓油溫度、工作模式、發動機轉速、液壓油流量等多項工作參數。當工作裝置的運行參數處于故障狀態時，顯示器會發出聲光報警以及警示信息，通過人機界面和完善的故障監測功能，實現快速檢修。

圖1 垂直舉升排水車電控系統組成圖

垂直舉升排水車控制系統的核心是威卡IMC T4775D控制器。該控制器適用于大多數復雜工況，采用32位的Tricore高速處理器，時鐘頻率可達300M，程序響應速度快。該控制器有122個IO端口，4通道CAN通訊，外部輸出端口以及電纜等，可對各種故障類型進行快速、準確的判斷，便于檢查端口故障，提高維修效率與成本［3］。

垂直舉升排水車工作裝置狀態智能監控方案采用的是威卡ICP6600系列的7寸TFT液晶屏，該顯示器采用flash開發工具，分辨率為800RGBx480，采用兩路CAN總線與外界進行通訊。

垂直舉升排水車控制系統采用近地與遠程遙控的控制方案，以便操作人員在危險區域外控制工作裝置，不僅改善操作人員作業的舒適度，并且提高了系統的可靠性，滿足了整機工作流程的智能化需求。不論處于近地操作還是遙控操作，整車電控系統設計了四種工作模式（如表1所示），分別為支腿模式、卷盤模式、臂架模式、水泵模式，垂直舉升排水車工作裝置功能的實現是采用五個單軸比例電子手柄來控制左／右支腿升降、卷盤收放、卷盤平臺收放、轉臺旋轉、變幅升降、平臺平移伸出縮回、外管架收放、內管架收放、發動機油門以及水泵轉速調節等動作。在不同的工作模式下，電子手柄控制不同的工作裝置。

表1 各工作模式下電子手柄功能定義

3 垂直舉升排水車控制系統功能的實現

垂直舉升排水車遙控器的操作界面如圖2所示。本文通過對遙控器操作界面的詳細說明，來闡述垂直舉升排水車各工作裝置功能的實現過程。

圖2 垂直舉升排水車遙控器操作界面

在各工作裝置操作前，首先應對變量液壓泵進行取力，按下發動機啟動按鈕，發動機在怠速模式下運行，撥動取力開鈕子開關后，變量液壓泵完成取力工作。

支腿機構的控制主要包括左／右支腿油缸的伸出、縮回、上升、下降以及支腿的調平工作。首先在遙控器上將模式選擇開關撥到支腿模式，發動機轉速與液壓泵流量根據控制邏輯自動調節到此模式下最佳的參數值，然后通過電子手柄可以操作左／右支腿動作。所有支腿的收回、放出與調平也可通過支腿一鍵收／放按鈕來完成。

卷盤機構的控制主要包括左／右卷盤平臺的收放、1卷盤的收放、2卷盤的收放、3卷盤的收放、4卷盤的收放。當模式選擇開關撥到卷盤模式時，首先選擇左平臺或右平臺使能開關，操作電子手柄使卷盤平臺放出，然后根據需要操作卷盤放出水帶。

臂架機構的控制主要包括回轉平臺的旋轉、變幅機構的升降、平移機構的伸縮、外管架的伸縮、內管架的伸縮。當模式選擇開關撥到臂架模式時，控制變幅升搖桿將臂架升起，使臂架舉升至回轉不發生干涉情況下，控制右回轉或左回轉搖桿調節臂架與車身合適角度，調節變幅升、平移伸、平移縮、外管架伸和內管架伸搖桿功能，使水泵浸沒在抽排水液面內。

水泵的控制主要包括發動機油門的增減以及水泵轉速的增減。當模式選擇開關撥到水泵模式時，首先按下水密封開啟，再打開水泵開按鈕，根據現場需求通過電子手柄調節發動機與水泵的工作轉速，直到滿足揚程和流量使用要求為止。

此外，為了防止操作人員誤碰電子手柄，該技術方案設計了鎖定模式。鎖定模式不改變其他模式的參數和正在進行的動作，但它抑制除應急停止按鈕以外的任何按鈕的輸入。

在本地控制箱上，其控制方案與遙控操作的功能相同。當按下控制箱顯示器上的工作模式選擇按鈕后，顯示器會切換到相應工作模式的界面，作為人機交互的主要通道，操作人員可以直觀地看到發動機轉速、水泵轉速以及各工作模式下的工作狀態參數，實時了解各工作裝置的運行情況以及車輛的故障報警信息，以便操作人員對整車工作裝置進行操作、調試與維護。

4 垂直舉升排水車控制系統在CAN總線中的應用

CAN總線是國際上應用最廣泛的現場總線之一［4］。CAN總線是一種多主控的總線系統，并被廣泛應用于工業自動化、船舶、工業設備、醫療設備等方面。CAN總線有以下特點：

（1）可以多主方式工作，網絡上任意一個節點均可以在任意時刻主動地向網絡上的其他節點發送信息，而不分主從，通訊方式靈活。

（2）網絡上的節點可分為不同的優先級，可以滿足不同的實時要求。

（3）采用非破壞性仲裁總結結構機制，當兩個節點同時向網絡上傳送信息時，優先級低的節點主動停止數據發送。

（4）可以點對點、一點對多點或全局廣播傳送方式接收數據。

（5）直線通訊距離最遠可達10km。

（6）通訊速率最高可達1MB／s。

（7）每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，數據錯誤率極低。

（8）節點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯系，以使總線上的其他操作不受影響。

垂直舉升排水車的CAN總線網絡如圖3所示。該CAN總線網絡主要由底盤控制器、IMC T4775D控制器、無線遙控接收器、顯示器、物聯網終端、傾角傳感器組成，通過CAN網絡，各節點部件之間相互通訊，共同實現垂直舉升排水車智能控制系統以及整車的狀態監控功能。

圖3 垂直舉升排水車控制系統總線網絡

5 結論

為了進一步提高現有垂直舉升排水車控制系統的性能，本文提出了基于多模式切換的垂直舉升排水車智控控制系統，在不同的工作模式下，系統所對應發動機的轉速與液壓泵的流量各不相同，從而使各工作裝置工作在最佳狀態下。通過將CAN總線應用于垂直舉升排水車控制系統，使得整車的狀態監控更加智能，維護保養更簡單更方便。