純電動洗掃車電氣控制系統(tǒng)及云平臺應(yīng)用

摘要：隨著藍天保衛(wèi)戰(zhàn)的打響，純電動環(huán)衛(wèi)車輛需求逐步增加。介紹了一種純電動洗掃車電氣控制系統(tǒng)，采用CAN總線分布式控制技術(shù)，模塊化設(shè)計，實現(xiàn)了純電動洗掃車上裝與底盤之間的上下高壓控制及上裝作業(yè)模式控制，同時利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了環(huán)衛(wèi)車輛云端監(jiān)控與管理。

關(guān)鍵詞：純電動洗掃車;CAN總線;模塊化;云平臺

中圖分類號：U469*91 收稿日期：2022—02—10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.015

1 純電動洗掃車系統(tǒng)組成基本介紹

近年來，隨著環(huán)衛(wèi)機械化程度的不斷提高和環(huán)衛(wèi)車數(shù)量的不斷增加，傳統(tǒng)的車輛管理模式已經(jīng)不能適應(yīng)新形勢下的環(huán)衛(wèi)車大規(guī)模、大區(qū)域、多車種聯(lián)合作業(yè)的特點，對環(huán)衛(wèi)車輛的系統(tǒng)調(diào)度、遠程監(jiān)控、遠程管理逐漸成為一種發(fā)展趨勢。本系統(tǒng)通過加裝車載遠程監(jiān)控終端，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了純電動洗掃車的云平臺管理。

純電動洗掃車主要包括純電動底盤、上裝動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)。其中底盤提供行走動力及高壓配電管理，風(fēng)機、水泵、油泵分別由電機提供動力。上裝電氣控制系統(tǒng)為整個控制系統(tǒng)的核心，電氣系統(tǒng)與底盤電池管理系統(tǒng)進行通信，從底盤預(yù)留上裝接口取電，同時上裝控制器與上裝三合一電機控制器進行通訊，分別控制風(fēng)機、水泵、油泵三個電機，進而控制環(huán)衛(wèi)車清掃系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的正常工作。

2 純電動洗掃車電氣控制系統(tǒng)硬件組成

純電動洗掃車電氣系統(tǒng)硬件設(shè)計分為高壓動力部分和低壓控制部分，高壓控制部分主要由底盤高壓配電盒、高壓電纜、上裝多合一電機控制器、風(fēng)機電機、水泵電機以及油泵電機組成。洗掃車底盤高壓配電盒已經(jīng)預(yù)留上裝取電接口，多合一電機控制器通過底盤取電，經(jīng)過預(yù)充電管理模塊后給電機供電。風(fēng)機電機功率50 kW、水泵電機功率35kW、油泵電機5kW，根據(jù)不同工況，上裝總功率合計不超過80kW，底盤電壓為直流590 V，通過計算再結(jié)合底盤高壓配電盒接插件型號，上裝三合一控制器選用50平方的EV電纜，風(fēng)機電機選用35平方電纜，水泵電機選用25平方電纜，油泵電機選用3x2.5平方電纜。高壓部分硬件電路如圖1所示。

低壓控制部分從底盤蓄電池低壓配電盒預(yù)留的保險取電，經(jīng)過上裝保險繼電器盒分配五路低壓24 V電源，分別給上裝車載終端、上裝作業(yè)照明燈警示燈、洗掃降塵水泵、上裝顯示屏控制器、上裝IO模塊供電，此5路電源根據(jù)負(fù)載大小匹配不同的保險，做到通訊、控制、報警、作業(yè)監(jiān)控等功能在出現(xiàn)故障時互不干擾，局部故障不會影響整個電氣控制系統(tǒng)，保證上裝控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

純電動洗掃車電氣系統(tǒng)主要包括車載控制器及顯示屏、IO模塊、車載終端、風(fēng)機電機控制器、水泵電機控制器、油泵電機控制器及維修調(diào)試操作盒組成。整體方案采用分布式CAN總線控制方式，控制器為整套系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)與底盤、上裝動力及低壓控制部分進行CAN通訊及輸入輸出采集。同時與車載終端通訊，將車輛實時狀態(tài)發(fā)送給GPS車載終端，車載終端將車輛的實時作業(yè)狀態(tài)及工作參數(shù)回傳到服務(wù)器，實現(xiàn)遠程監(jiān)控環(huán)衛(wèi)車作業(yè)情況，控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

車載控制器總共由三路CAN總線通訊接口，CAN總線波特率為250K，為保證通訊質(zhì)量穩(wěn)定可靠，對上裝通訊系統(tǒng)進行合理分配：CAN1負(fù)責(zé)和上裝電機控制器及上裝IO模塊進行通訊，保證洗掃作業(yè)功能穩(wěn)定可靠;CAN2負(fù)責(zé)和純電動底盤通訊，保證上裝和底盤高壓上電及下電功能穩(wěn)定可靠;CAN3負(fù)責(zé)與環(huán)衛(wèi)平臺車載終端通訊，將洗掃車實時作業(yè)狀態(tài)發(fā)送給車載終端，上傳至環(huán)衛(wèi)平臺。三路CAN總線互不干擾，負(fù)載率全部在30%以下，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

3 純電動洗掃車電氣控制系統(tǒng)軟件主要功能

本系統(tǒng)選用的車載控制器以CODESYS V3.5為編程平臺，通用性強，可以采用多種編程語言編程，本程序采用ST語言進行編程。純電動洗掃車電氣系統(tǒng)軟件設(shè)計主要功能包括：上裝高壓取電控制、作業(yè)模式選擇、作業(yè)流程控制、車輛狀態(tài)監(jiān)控及遠程傳輸功能。

3.1上裝高壓取電控制流程

純電動環(huán)衛(wèi)車底盤通常會預(yù)留上裝高壓取電接插件，上裝通過底盤高壓配電盒預(yù)留接插件，將底盤直流高壓接插件連接至上裝風(fēng)機、水泵、油泵三合一電機控制器。底盤高壓上電后，上裝控制器上電，當(dāng)上裝控制器檢測到底盤高壓上電正常后，與上裝三合一控制器進行通訊，向電機控制器發(fā)送高壓上電指令，三合一控制器開始進行預(yù)充流程，吸合上裝預(yù)充接觸器，當(dāng)上裝電壓達到要求以后，閉合主接觸器同時斷開預(yù)充接觸器，上裝上高壓完成2。當(dāng)?shù)妆P高壓異?；蛘叩妆P鑰匙開關(guān)關(guān)閉發(fā)出退電信號以后，上裝控制器與電機控制器通訊，電機控制器執(zhí)行下高壓控制。上裝高壓上電流程如圖3所示。

3.2作業(yè)模式選擇控制流程

純電動洗掃車包括干掃和洗掃兩種作業(yè)模式，每種作業(yè)模式根據(jù)掃盤及吸盤自由組合作業(yè)，總共分為全洗掃、左洗掃、右洗掃、全清洗、左清洗、右清洗、全干掃、左干掃、右干掃及單獨吸塵作業(yè)10種作業(yè)模式。本系統(tǒng)采用CAN總線觸摸屏設(shè)計，按下主界面模式觸摸按鍵，顯示屏自動翻頁到模式選擇界面，選擇對應(yīng)的模式，按下確認(rèn)按鍵，控制器自動根據(jù)選擇的模式切換掃盤、吸盤等作業(yè)機構(gòu)，同時控制器會記憶當(dāng)前作業(yè)模式，斷電重新上電后自動進入上次選擇的模式，方便環(huán)衛(wèi)作業(yè)人員操作，作業(yè)模式選擇如圖4、圖5所示。

3.3作業(yè)流程控制

作業(yè)模式選擇完成后，控制器根據(jù)選擇的作業(yè)模式，監(jiān)測清水箱是否缺水，水路閥門是否打開，是否需要啟動風(fēng)機、水泵、油泵電機。同時監(jiān)測底盤高壓狀態(tài)及上裝電機狀態(tài)，如果系統(tǒng)正常，則進行下一步作業(yè)流程。如果異常，則發(fā)送報警指令給語音報警模塊，語音報警模塊根據(jù)預(yù)制的系統(tǒng)語音報警，提醒作業(yè)人員系統(tǒng)異常。

作業(yè)啟動后，根據(jù)選擇的作業(yè)模式，啟動油泵電機控制器，油泵電機帶動油泵，同時IO模塊控制液壓系統(tǒng)及氣路系統(tǒng)的液壓閥和氣閥得電，依次放下掃盤、吸嘴、擺出高壓水路噴桿等作業(yè)機構(gòu)，風(fēng)機電機控制器驅(qū)動風(fēng)機轉(zhuǎn)動，水泵電機控制器驅(qū)動高壓水泵，根據(jù)不同路面設(shè)置不同的作業(yè)轉(zhuǎn)速，開始掃路作業(yè)。當(dāng)按下作業(yè)停止按鍵或作業(yè)過程中監(jiān)測到系統(tǒng)異常時，控制器發(fā)送停機指令I(lǐng)O模塊接收到停止作業(yè)指令時，反順序依次收起各作業(yè)機構(gòu)，停止作業(yè)，作業(yè)控制流程圖如圖6所示。

3.4車輛狀態(tài)監(jiān)控及遠程傳輸功能

車輛狀態(tài)監(jiān)測主要包括通訊狀態(tài)、IO輸入狀態(tài)、輸出狀態(tài)、電機狀態(tài)、底盤狀態(tài)的監(jiān)控。電氣控制系統(tǒng)與底盤、IO模塊、電機控制器分別制定對應(yīng)功能的通訊協(xié)議，并且對CAN通訊進行心跳監(jiān)測，當(dāng)某個模塊心跳信號保持不變時，系統(tǒng)判斷為模塊掉線，在顯示屏通訊狀態(tài)監(jiān)控界面進行圖形及文字提示。在顯示屏系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控界面，分別顯示輸入、輸出、電機、底盤的實時狀態(tài)，操作者可以非常方便地了解車輛的工作狀態(tài)。同時車載控制器和智能終端進行CAN通訊，將車輛的所有工作狀態(tài)以CAN報文形式發(fā)給車載終端，車載終端通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸發(fā)送給環(huán)衛(wèi)平臺，環(huán)衛(wèi)平臺可以實現(xiàn)車輛狀態(tài)的遠程實時監(jiān)測，同時可以統(tǒng)計及分析車輛數(shù)據(jù)，方便故障排除，提高售后服務(wù)效率。

4 智慧環(huán)衛(wèi)云平臺功能

純電動洗掃車智能終端通過GPS及北斗定位系統(tǒng)，實時監(jiān)測車輛位置，平臺服務(wù)器根據(jù)車輛設(shè)備軌跡點實現(xiàn)車輛軌跡回放功能。另外，車載終端通過CAN總線與環(huán)衛(wèi)設(shè)備控制器通訊，將車輛的實時作業(yè)狀態(tài)及工作參數(shù)回傳到服務(wù)器，實現(xiàn)遠程監(jiān)控環(huán)衛(wèi)車作業(yè)情況。

環(huán)衛(wèi)云平臺的主要功能包括：

a.車輛實時監(jiān)測管理：通過安裝車載終端實現(xiàn)掃路車作業(yè)車輛的實時位置與作業(yè)狀態(tài)的在線查看與追蹤。具體包括實時位置、地址、速度、方向、行駛路線、點火狀況等信息，同步實時預(yù)警車輛違規(guī)行為。

b.車輛軌跡回放：系統(tǒng)通過保存車輛所有的實時位置數(shù)據(jù)，生成車輛軌跡記錄。選擇對應(yīng)的車牌號、時間，可以檢索到車輛的軌跡記錄，實現(xiàn)在線回放行程軌跡記錄。

c.車輛信息管理：主要包括車輛列表、車輛信息維護與狀態(tài)監(jiān)控、司機信息管理等。環(huán)衛(wèi)平臺運用數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)環(huán)衛(wèi)車輛基本信息的管理，包括車牌號、發(fā)動機號、作業(yè)類型、所屬作業(yè)隊伍、所屬部門、服務(wù)區(qū)域、品牌型號、載質(zhì)量、開始使用時間、使用年限等，實現(xiàn)對環(huán)衛(wèi)作業(yè)設(shè)備信息化管理。

d.環(huán)衛(wèi)任務(wù)調(diào)度管理：管理人員可以規(guī)劃環(huán)衛(wèi)任務(wù)路線，指派車輛進行規(guī)劃路徑任務(wù)作業(yè)，同時可以在軌跡回放時比較路徑是否出現(xiàn)偏離，提升環(huán)衛(wèi)作業(yè)質(zhì)量。

e.車輛報警管理：報警信息管理可查看車輛報警記錄，在線查看車輛故障狀態(tài)，查詢報警時間地點。環(huán)衛(wèi)平臺實時監(jiān)測車輛作業(yè)狀態(tài)，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的報警條件，可以實時判斷車輛各部件的工作情況，當(dāng)車輛發(fā)生故障報警時，實時提醒管理人員和車輛司機，為車輛正常作業(yè)保駕護航。

f.統(tǒng)計報表管理：主要包括車輛數(shù)量統(tǒng)計、車輛運行狀況統(tǒng)計、車輛型號統(tǒng)計、油耗里程統(tǒng)計、停車時長統(tǒng)計等。匯總統(tǒng)一管理模塊通過一定的查詢條件，形成統(tǒng)計報表。如查詢某一區(qū)域所有車輛數(shù)量分布、某一區(qū)域除雪車數(shù)量等，支持導(dǎo)出打印。環(huán)衛(wèi)運營管理部門通過分析統(tǒng)計報表，合理優(yōu)化環(huán)衛(wèi)作業(yè)設(shè)備，提升環(huán)衛(wèi)作業(yè)質(zhì)量。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)采用CAN總線全觸摸加實體按鍵顯示屏為控制核心，基于分布式模塊化設(shè)計，實現(xiàn)了純電動洗掃車上裝電氣控制功能及云平臺遠程管理功能。較其他控制模式，本系統(tǒng)有以下優(yōu)點：

a.采用分布式CAN總線拓?fù)湓O(shè)計，模塊化設(shè)計，整車線束簡單可靠，同時模塊化設(shè)計方便在后期加裝其他功能進行擴展，通用性強。

b.采用全觸摸加實體按鍵顯示屏設(shè)計，界面美觀，操作簡便，一鍵作業(yè)模式選擇及啟?？刂?，人機交互方便。

c.利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了車輛狀態(tài)的遠程監(jiān)控與云平臺管理，為智慧環(huán)衛(wèi)提供接口，實現(xiàn)車輛集管控功能。

根據(jù)國家“十四五”發(fā)展規(guī)劃，公共領(lǐng)域會逐步推廣新能源車型。環(huán)衛(wèi)車作公共領(lǐng)域車輛的重要組成部分首當(dāng)其沖。純電動環(huán)衛(wèi)車電氣系統(tǒng)作為上裝控制核心，其可靠性及易用性必然會影響環(huán)衛(wèi)車整車品質(zhì)。基于CAN總線的純電動環(huán)衛(wèi)車控制系統(tǒng)設(shè)計布局合理，CAN總線是現(xiàn)場總線的一種，因其在數(shù)據(jù)通信方面有著較高的可靠性和實時性，在汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用3。

在物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的今天，基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化智慧環(huán)衛(wèi)運營PPP模式已經(jīng)成為一種趨勢。智慧環(huán)衛(wèi)云平臺是數(shù)字環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的延伸和發(fā)展，本系統(tǒng)通過與車載終端聯(lián)合通訊，實現(xiàn)了環(huán)衛(wèi)云技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)整合，實現(xiàn)了環(huán)衛(wèi)車的智慧集中遠程監(jiān)控與管理，必然會成為未來的發(fā)展趨勢。

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作者簡介：

陳凱，男，1987年生，工程師，研究方向為環(huán)衛(wèi)車上裝電氣系統(tǒng)及煤礦掘進設(shè)備智能化系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。