垂直舉升排水車多模式切換控制系統(tǒng)設(shè)計

段蒙蒙 ， 漢京勇 ， 魏廣娟

（1.徐州工程機械集團(tuán)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(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人類活動的日益增強，近年來城市洪澇災(zāi)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(jìn)步，但仍然存在設(shè)備操作復(fù)雜繁瑣、救援設(shè)備準(zhǔn)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(fā)揮著不可或缺的作用［1］。本文設(shè)計了基于多模式切換的垂直舉升排水車智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡單方便、救援準(zhǔn)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(jié)構(gòu)組成及控制現(xiàn)狀

垂直舉升排水車的主要結(jié)構(gòu)由專用底盤、支腿機構(gòu)、絞盤機構(gòu)、臂架機構(gòu)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(xiàn)有產(chǎn)品水泵由主泵驅(qū)動，臂架、支腿和卷盤都由輔泵驅(qū)動。每次作業(yè)需要輔泵先取力，整車布放完成后，關(guān)閉輔泵，發(fā)動機熄火再進(jìn)行主泵取力，開機工作需要17步，操作繁瑣?？刂葡洳捎冒粹o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(guān)量調(diào)節(jié)，微調(diào)效果比較差。水泵開機升速采用人工緩慢調(diào)節(jié)旋鈕實現(xiàn)。普遍存在功能單一，調(diào)運不靈活，不能迅速投入工作狀態(tài)［2］。所以，開發(fā)一種功能全面、反應(yīng)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(tǒng)的組成

垂直舉升排水車電控系統(tǒng)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(fā)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(jīng)過控制器邏輯分析與計算后，輸出相關(guān)的控制信息，對發(fā)動機、液壓泵、液壓控制閥等執(zhí)行元件進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制整車工作裝置的目的。ICP6600顯示器用來監(jiān)測車體各裝置的工作狀態(tài)，例如車體傾斜角度、臂架回轉(zhuǎn)角度、液壓油溫度、工作模式、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、液壓油流量等多項工作參數(shù)。當(dāng)工作裝置的運行參數(shù)處于故障狀態(tài)時，顯示器會發(fā)出聲光報警以及警示信息，通過人機界面和完善的故障監(jiān)測功能，實現(xiàn)快速檢修。

圖1 垂直舉升排水車電控系統(tǒng)組成圖

垂直舉升排水車控制系統(tǒng)的核心是威卡IMC T4775D控制器。該控制器適用于大多數(shù)復(fù)雜工況，采用32位的Tricore高速處理器，時鐘頻率可達(dá)300M，程序響應(yīng)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(jìn)行快速、準(zhǔn)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(tài)智能監(jiān)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(fā)工具，分辨率為800RGBx480，采用兩路CAN總線與外界進(jìn)行通訊。

垂直舉升排水車控制系統(tǒng)采用近地與遠(yuǎn)程遙控的控制方案，以便操作人員在危險區(qū)域外控制工作裝置，不僅改善操作人員作業(yè)的舒適度，并且提高了系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)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(xiàn)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(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)、變幅升降、平臺平移伸出縮回、外管架收放、內(nèi)管架收放、發(fā)動機油門以及水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)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(tǒng)功能的實現(xiàn)

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(xì)說明，來闡述垂直舉升排水車各工作裝置功能的實現(xiàn)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(yīng)對變量液壓泵進(jìn)行取力，按下發(fā)動機啟動按鈕，發(fā)動機在怠速模式下運行，撥動取力開鈕子開關(guān)后，變量液壓泵完成取力工作。

支腿機構(gòu)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(diào)平工作。首先在遙控器上將模式選擇開關(guān)撥到支腿模式，發(fā)動機轉(zhuǎn)速與液壓泵流量根據(jù)控制邏輯自動調(diào)節(jié)到此模式下最佳的參數(shù)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(diào)平也可通過支腿一鍵收／放按鈕來完成。

卷盤機構(gòu)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(dāng)模式選擇開關(guān)撥到卷盤模式時，首先選擇左平臺或右平臺使能開關(guān)，操作電子手柄使卷盤平臺放出，然后根據(jù)需要操作卷盤放出水帶。

臂架機構(gòu)的控制主要包括回轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)、變幅機構(gòu)的升降、平移機構(gòu)的伸縮、外管架的伸縮、內(nèi)管架的伸縮。當(dāng)模式選擇開關(guān)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(zhuǎn)不發(fā)生干涉情況下，控制右回轉(zhuǎn)或左回轉(zhuǎn)搖桿調(diào)節(jié)臂架與車身合適角度，調(diào)節(jié)變幅升、平移伸、平移縮、外管架伸和內(nèi)管架伸搖桿功能，使水泵浸沒在抽排水液面內(nèi)。

水泵的控制主要包括發(fā)動機油門的增減以及水泵轉(zhuǎn)速的增減。當(dāng)模式選擇開關(guān)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(jù)現(xiàn)場需求通過電子手柄調(diào)節(jié)發(fā)動機與水泵的工作轉(zhuǎn)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(shù)方案設(shè)計了鎖定模式。鎖定模式不改變其他模式的參數(shù)和正在進(jìn)行的動作，但它抑制除應(yīng)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(dāng)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(yīng)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(fā)動機轉(zhuǎn)速、水泵轉(zhuǎn)速以及各工作模式下的工作狀態(tài)參數(shù)，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(jìn)行操作、調(diào)試與維護(hù)。

4 垂直舉升排水車控制系統(tǒng)在CAN總線中的應(yīng)用

CAN總線是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一［4］。CAN總線是一種多主控的總線系統(tǒng)，并被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等方面。CAN總線有以下特點：

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

（2）網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點可分為不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求。

（3）采用非破壞性仲裁總結(jié)結(jié)構(gòu)機制，當(dāng)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送。

（4）可以點對點、一點對多點或全局廣播傳送方式接收數(shù)據(jù)。

（5）直線通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km。

（6）通訊速率最高可達(dá)1MB／s。

（7）每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，數(shù)據(jù)錯誤率極低。

（8）節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)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(wǎng)絡(luò)如圖3所示。該CAN總線網(wǎng)絡(luò)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(lián)網(wǎng)終端、傾角傳感器組成，通過CAN網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點部件之間相互通訊，共同實現(xiàn)垂直舉升排水車智能控制系統(tǒng)以及整車的狀態(tài)監(jiān)控功能。

圖3 垂直舉升排水車控制系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)

5 結(jié)論

為了進(jìn)一步提高現(xiàn)有垂直舉升排水車控制系統(tǒng)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(tǒng)，在不同的工作模式下，系統(tǒng)所對應(yīng)發(fā)動機的轉(zhuǎn)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(tài)下。通過將CAN總線應(yīng)用于垂直舉升排水車控制系統(tǒng)，使得整車的狀態(tài)監(jiān)控更加智能，維護(hù)保養(yǎng)更簡單更方便。