分布式控制在礦用自卸車上的應用

張 莉，張 亮，房康寧，張亞鵬

徐州徐工礦業機械有限公司 江蘇徐州 221004

礦用自卸車結構復雜、系統多，電控系統必須對各個系統的數據進行采集、計算及控制，信號采集量大、控制元件多。控制系統分為分布式控制(DCS) 和集中控制 (CCS) 2 類，當前在礦用自卸車上應用比較廣泛的是集中控制系統，采用硬線將車體的信號采集裝置、執行元件等連接至電控柜內控制器，為了方便整車的拆卸和運輸，中間會增加斷點，從而導致電氣線束多、斷點多，故障率增加；當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 分布式控制系統特點

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

為了保證控制的實時性、穩定性，同時滿足用戶對控制系統的經濟性要求，用分布式 I/O 來構建分布式控制系統，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，實現多指令多數據流并行地執行程序。

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

2 礦用自卸車電控系統功能及分布式控制網絡架構

2.1 礦用自卸車電控系統功能

目前使用的礦用自卸車總體結構大致相同，主要分為動力系統、電控系統、液壓系統、駕駛室、車架總成、貨廂總成、走臺總成、懸掛系統、驅動系統等。

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

礦用自卸車的結構和功能特點決定了車輛體積過大，而電控系統必須對各個系統的數據進行采集和傳輸[2]，使司機對車輛實現很好的操縱、作業和監控，采集信號量大、控制元件多。

2.2 礦用自卸車分布式控制網絡架構

礦用自卸車分布式控制系統中的所有組成均用CAN 總線實現網絡連接，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，在工業領域總線控制已經開始廣泛使用[3]。礦用自卸車分布式控制網絡架構如圖 1 所示。

圖1 礦用自卸車分布式控制網絡架構

整車控制器是礦用自卸車分布式控制系統的核心，科學、有效地處理 CAN 總線上的通信信息，協調各 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合實際情況進行邏輯運算，運算結果通過 CAN 總線傳給各 I/O 模塊，從而實現對執行元件的控制。

根據整車結構和功能分布，該系統包含多個分布式 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需要進行輸入輸出配置，數據類型可以根據需要進行數字量和模擬量的切換。駕駛室 I/O 模塊用于駕駛室內信號采集及執行元件控制，液壓 I/O 模塊用于液壓系統信號采集及執行元件控制，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 總線上的數據，可以顯示車輛實時運行信息，包括發動機和驅動系統運行數據、GPS 狀態、整車控制器端口信息、分布式 I/O 模塊端口信息、載重數據、車輛故障信息等；顯示屏可以呈現車輛的360°全景影像，并可用于驅動系統的調試工作。

3 分布式控制系統狀態監測

狀態監測系統能夠對整個分布式控制系統通信、操作指令、傳感器信號、各執行元件使能情況、車輛運行狀態等進行監測和存儲，并能夠對所采集到的數據進行分類示警。分布式控制系統狀態監測流程如圖2 所示。

圖2 分布式控制系統狀態監測流程

車輛在行駛過程中，對不當操作可報警提示，以減少和避免故障擴大和機器損壞；監測系統具有可追溯性，車輛出現故障，可實現數據提取查詢，對歷史存儲數據進行統計分析，查找原因并解決問題。

4 結語

綜上所述，礦用自卸車分布式控制系統是一種比較實用的實時智能控制系統，該系統基于CAN 總線構成總線式網絡，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據通信，實現了信號就近采集并根據通信協議控制附近執行元件，更加智能化、模塊化，配置靈活、節點擴展方便，大幅減少礦車控制線束，節省安裝空間，故障點少，具有良好的可靠性、可維護性和可監測性。