矿用自卸卡车模块化设计思考

俞 敏

（江西铜业集团有限公司 德兴铜矿，江西 德兴 334224）

1 引言

目前国内外大型矿用自卸卡车应用领域扩大极快，电动轮自卸卡车市场份额绝大部分掌握在国外厂家手中，近10年以来陆续有国内的重型装备制造企业加入到大型矿用自卸卡车的制造行业中，但控制系统及主要总成件使用进口，附加值低的同时无自主知识产权，属于低端合作组装阶段。笔者从事进口电动轮矿用自卸卡车电气维护工作，对控制系统的应用及维护有一定的专业能力，应用中对控制系统提出了一些改进方案并用于实践，因此提出了矿用自卸卡车模块化设计的想法。

国内重型装备制造企业在引进国外设备的同时，对其设计理念、新型材料、控制理论进行消化吸收，并形成了一定程度上的国产化开发，目前中冶（京诚）湘潭重装设备有限公司开发的MCC系列电动轮自卸卡车在结构件、前后桥设计、液压控制、整车布局上取得了比较好的效果。

但是，国内矿用电动轮自卸卡车的制造只是围绕在核心控制组件周边进行配套系统的国产化开发应用，没有实现整体的控制系统国产化。本文从实现矿用卡车运行操作、动力传动控制、辅助功能控制、故障报警、运行数据/故障数据保存及下载方面讨论了一个总体的构成，把这些功能通过模块化设计方法综合在一起，各功能模块通过数据总线实现实时数据通讯，并实现在显示终端进行参数设置、故障查询、故障复位、实时数据查看功能。

2 矿用自卸卡车控制简介

电动轮自卸卡车控制系统多数采用美国通用电气公司产品，其从1963年开始生产的采用直流电动机驱动的电气控制系统，之后广泛应用于世界各地的大型露天矿山的重型卡车上，电气控制系统也在应用中逐步升级，历经了继电器逻辑、固态逻辑、微处理器逻辑到目前的交流调速系统。

2.1 矿用自卸卡车主要构成

电动轮自卸卡车采用交—直—直传动。柴油发动机（康明斯或MTU发动机，2050HP@1900RAM）通过减震飞轮为直接耦合的交流发电机提供驱动扭矩，牵引电动机采用内置减速齿轮系、钳式制动器结构。

发电机输出分三部分：基波绕组为三相交流输出经三相全桥整流后为二台串联的牵引电动机电枢提供直流电源；一组三次谐波绕组为单相交流输出经单相桥式半控整流为牵引电动机提供磁场电源；另一组三次谐波绕组为单相交流输出经单相桥式半控整流为发电机自身提供磁场电源。

卡车二台串联的驱动电动机采用控制磁场电流方向实现卡车运行方向的控制。

2.2 矿用自卸卡车电气控制的发展

矿用自卸卡车电控系统的控制功能分两部分，一是传动控制，一是辅助功能控制。动力传动控制的核心是静态励磁控制系统，包含牵引时牵引基准、功率基准；制动时的制动基准；车辆运行方向改变的控制；卡车速度信号的接收及速度事件的控制等等。美国通用电气的早期I型静态励磁控制系统是由励磁盘FL191作用的，通过各种接触器、继电器的控制来实现对自卸卡车在牵引工况及制动工况时主发电机和电动机的励磁电流进行调节的系统。II型静态励磁控制系统是由励磁盘FL191作用的，通过各种接触器、继电器和逻辑盘FL236的控制来实现对自卸卡车在牵引工况及制动工况时主发电机和电动机的励磁电流进行调节的系统。III型系统则是由计算机管理的、通过对各种接触器、继电器的控制来实现对自卸卡车在牵引工况及制动工况时对主发电机和电动机的励磁电流进行调节的系统。

III型系统各种基准的建立固化在卡车微处理器程序当中，外部功能组件与II型卡车相同，对励磁控制系统输入的外部信号、输出的控制信号基本相同。

2.2.1 动力传动控制

自卸卡车的传动控制分牵引时发电机的恒功率控制及动态电气制动时驱动电动机的励磁控制二部分。

在牵引工况下，为了主发电机的输出功率与发动机相匹配，使发动机获得恒功率调节，励磁控制系统首先要根据发动机的转速建立一个发动机的功率基准函数（功率基准板件），然后送到（功率误差板件）与该工况实测的发电机电压和电流的乘积（即实功率信号）进行比较，得到发电机功率误差信号送给静态励磁器的SCR触发控制环节，对主发电机的励磁进行闭环调节，使其输出功率时刻与发动机相匹配，使发动机的功率得到充分利用。

在制动工况下，为保证电动机有足够的制动力矩使卡车减速，通过控制发动机工作在一定的转速下，发电机的制动功率基准是通过功率基准误差板件的电位计（设定）到一个固定电位，模拟发动机的转速信号提供建立电气制动工况下的发电机磁场基准，送到功率误差板件与电动机磁场电流反馈信号进行比较，产生制动工况下的磁场误差信号控制静态励磁器的SCR控制触发环节，对马达的励磁进行闭环调节，保证制动工况的制动电流。图1为主发电机励磁控制框图。

图1 主发电机磁场励磁控制框图

2.2.2 辅助功能控制

自卸卡车的辅助功能控制为低压逻辑控制系统，用于对动力牵引、动力制动等工况进行逻辑控制，实现安全保护、信号报警等功能。是自卸卡车电气控制系统的必要组成部分。

3 矿用自卸卡车模块化控制设计思路

随着国内微型计算机、大规模集成电路、新型电力电子器件和传感器的开发、自动控制理论［3］、计算机辅助设计、诊断技术及数据通讯技术的深入发展，笔者认为国内重型装备企业已经具备设计制造与国外生产厂家相当的大型电传动自卸卡车能力。通过对通用电气公司自卸卡车控制系统的消化吸收，笔者将自卸卡车控制系统归入了动力传动、励磁控制［2］、卡车监控、辅助功能4个模块进行实现的阐述。期望能够对自卸卡车完全国产化提供一点借鉴。

3.1 动力传动控制模块

动力传动控制包含牵引控制和电气制动控制二部分，其公共部分为发电机、电动机的磁场控制，区别在于电气制动改变制动电阻连接的方式进而控制制动电流。

目前，国内大功率IGBT管的发展已经能够满足自卸电传动卡车扩大制动无触点开关的应用，在整个动力传动控制中扩大制动的电流和电压最高，而发电机励磁、电动机励磁、电枢控制采用IGBT控制更容易实现。使用IBGT替代传统的接触器可以解决自卸卡车在矿区运行产生的震动对接触器异常跳动带来的维护成本增加及检修工作量的增加，替代需解决IGBT高频开关电源及本身工作产生热量的散热问题及与控制系统驱动信号、反馈信号的电平转换问题。

3.1.1 动力牵引控制部分

动力牵引控制属于低压逻辑控制。要完成牵引工况在控制系统中有关元件、继电器、接触器必须按一定的逻辑次序动作。

一般控制过程描述为：驾驶员启动卡车发动机后，各部报警、显示正常，通过驾驶室选择器开关选择前进或后退使向前或向后电磁阀动作，踩下油门踏板产生牵引开关信号完成牵引指令［4］。发电机和电动机励磁器的脉冲控制组件得到工作电源为可控硅触发做好了准备；发电机磁场受到励磁后建立发电机电压。释放过程需通过延时控制牵引接触器和电动机磁场接触器延时断开，使接触器不带负荷断电，减少电弧对触头的烧蚀。

3.1.2 动态能耗制动控制部分

卡车在惯性行驶时，驾驶员使用电气制动踏板或卡车进入超速自动控制状况时，由控制逻辑使电动机进入它励发电机运行状态，将卡车的惯性机械能转换为电能通过制动电阻产生制动电流（与牵引工况电枢电流方向相反）使电动机电枢发生反向制动转矩，减低卡车运行速度。

一般控制过程描述为：卡车运行过程中踩下电气制动踏板，产生电气制动信号（或系统速度控制投入自动进入电气制动工况）；电气制动踏板电位计信号产生制动基准的同时发动机转速进入电气制动设置的高怠速，使发电机和电动机励磁器的脉冲控制组件得到工作电源为可控硅触发做好了准备，当电气制动接触器通电吸合后，电动机磁场接触器及发电机磁场接触器相继吸合，为发电机发电做好准备，在发电机励磁接触器吸合后使发电机功率基准转换到电气制动设置的基准、使发电机电瓶升压接触器吸合，发电机开始发电，卡车进入电气制动工况。

3.2 励磁控制模块设计

励磁控制是电气控制的核心，它的响应速度、稳定性决定了自卸卡车驱动性能［5］。励磁控制模块设计所要解决四方面问题，一是基准建立参数的确定、二是反馈调节方式、三是输出调节对象、四是同步信号采集。最终目标是使主发电机的外特性在一定工作区域内获得恒功率调节(属于恒值调节范畴)；使驱动电动机在各种工况下获得最佳励磁。

自卸卡车励磁控制电源采用三绕组交流发电机提供电源，具有结构紧凑和故障发生率低等优点。励磁电流调节采用单相半控整流电路，最大励磁电流不超过400A。

在主发电机和电动机磁场绕组设并联的压敏电阻，用于当发电机磁场或电动机磁场接触器断开回路时释放自感尖峰电压。

发电机励磁控制的基准依据牵引工况和电气制动工况时发动机转速信号建立基准函数，反馈量为发电机电压与电流的积，控制对象为发电机磁场单相半控桥式整流可控硅触发角度，同步信号采集［1］点设置在发电机励磁电源输入端。

牵引工况时依据两台电动机电枢电流值高的建立控制电动机磁场电流的基准，制动工况依据卡车速度、制动踏板位置及电枢电流（制动工况为制动电流）三个量建立控制电动机磁场电流的基准。

反馈量为电动机励磁电流，控制对象为电动机磁场单相半控整流可控硅触发角度，同步信号采集点设置在电动机励磁电源输入端。

表1 励磁控制模块输入输出信号

3.3 卡车监控模块设计

监控模块设计的核心在于监控软件的开发，由于软件数据接口涉及多方的程序开发，所以要保证程序接口的高健壮性及高容错性，提供强大的错误处理机制。监控接口设计所要实现的功能为实现各功能模块与卡车监控模块和电气控制系统之间数据的采集与实时传输。接口电路中设置信号状态存储器，等待卡车监控系统扫描读取、或来自电气控制系统的指令改变状态存储器相应位置的值，驱动执行元件动作。

存储器连续存储记录主要的卡车运行数据，如果有故障发生，系统自动按如下规则抓拍下相应的故障信息数据：故障发生之前、之中和之后的数据信息。抓拍的间隔可以由监控程序设定，每一桢的持续时间也可以改变。故障数据提故障诊断的各种数据：降低排除故障的时间、降低卡车停车时间和利用率的损失、得到故障信息的记录。

发动机一般都配置了自身的控制软件及监控系统，在卡车的监控模块设计中只要解决与发动机监控程序的通讯接口及显示界面设计就可以完成发动机运行中维护、故障处理等相关问题。

由程序设定的数据端口，要能够实现各功能模块数据的交换和驱动信号的传输。监控显示终端要能够完成一般的监控数据查看，调整显示信息，一般参数的设置。

监控模块设计的保护系统分为预防性保护和故障性保护两种。预防性保护电路使卡车在正常运行时不发生或少发生故障，如保护驱动电动机电枢接触器触头的延时保护功能，吸收发电机三相输出浪涌电压的阻容保护功能。故障性保护是当卡车运行中出现故障并引发有关参数不正常时，通过有关保护电路去控制逻辑电路，切断驱动，防止故障发生或扩大。如故障检测、接地保护、发电机第三绕组保护、驱动电动机保护、电动机温度保护等等。

监控模块中对数字量输入部分要经过电平转换电路，消除卡车各系统（各种接触器、继电器、开关等）的电磁干扰噪音进入模块，保证稳定性。

3.4 辅助功能模块设计

驾驶操作室是卡车控制指令发出和卡车状况反馈终端。卡车运行方向选择及控制、加减速控制、举升操作、灯光使用、仪表观察等指令发出和卡车状况观察伴随着卡车驾驶员操作的整个过程。

自卸卡车性能、操作感、运行效率与控制卡车相关的辅助功能有很大联系，操控仪表及开关等装置设计的简洁可以减轻驾驶员的疲劳强度，有利于安全生产。

3.4.1 蓄电池及电源控制部分

卡车配置的蓄电池充电使用发动机驱动的自励充电机提供，充电电压可调。在驾驶室钥匙开关接通后为控制系统提供电源，发动机运转后充电机为蓄电池提供充电和为控制系统提供电源。

蓄电池及电源控制设计了24V直流电源经震荡电路、脉冲变压器、正负调压器产生正负电源输出环节，输出电压要能够满足控制系统各部分电源极性及电压范围要求。（一般有+5V、+15V、-15V、19V、24V）。直流调压部分可由专业电源制造厂家完成，再整合到模块中。

3.4.2 液压系统控制模块

液压系统控制模块的设计要满足转向、制动、举升的控制功能［6］。

操作员向方向盘施加转向力驱动转向控制阀，由此引导液压油通过流量放大阀至转向缸完成操作员预期的转向操作。

制动有三种，长时间或熄火后的制动使用停车制动；装载时使用轮制动；运行低速时或紧急情况时使用工作制动。停车制动使用控制开关实现，轮制动使用控制开关或液压感受阀控制，工作制动由踏板阀实现。制动的设计要求要满足安全考虑：比如液压制动的自动投入设计、停车制动投入条件的设计及正常运行过程中防止误动作的连锁设计。

举升由操纵杆控制举升先导阀通过举升阀到举升油缸的油路，完成举升，在举升先导油路受控于举升限制电磁阀，常通状态，举升到限定高度时关闭。

3.4.3 称重系统模块

自卸卡车称重系统模块所要实现的功能为测量、显示、记录卡车运输循环的装载量，系统通常包括控制器、测量显示器、4个悬挂传感器和1个倾斜仪、翻斗举升开关信号、轮制动开关信号和卡车速度信号。

控制器为称重系统核心部件，内嵌了实现由悬挂传感器检测的压力变化量模拟运算出的卡车装载量程序，倾斜仪电位变化用于校正卡车水平变化对传感器压力影响的误差。

3.4.4 灯光系统控制模块

自卸卡车灯光系统设计因使用区域和用途不同有所差别，本文把灯光控制组合在模块中，包含控制和输出状态显示两部分，外部灯光总成安装位置要依据车型作相关调整。

3.5 控制系统性能对卡车运行效率及维护成本的影响

控制系统稳定性及无故障运行周期对卡车运行效率有极大的影响，同时也维护成本的投入。自卸卡车在露天矿现场受潮湿空气、灰尘、震动等因素影响，电气控制系统故障是卡车故障的主要构成因素，故障发生后的检查处理受维修人员技术水平限制引发的停机时间无法把控，这制约了卡车利用率的稳定，同时维修人员判断的不准确使故障重复发生和备件异常更换也造成了维护成本的增加。

3.5.1 提高控制系统稳定性要素分析

提高控制系统稳定性确保其设计性能的发挥有三个要素：一是，每阶段的电气保养执行到位。卡车阶段性保养项目是依据厂家推荐项目、现场作业条件、运行易发生故障点再依据发动机运行时间间隔制定的检查、维护、紧固、清洁项目。按项目逐条进行并有复查记录。二是，制定并进行周期性的检测项目。电动机及发电机轴承测试、保护系统测试等项目的检测，发现设备隐患及时处理避免发生停机事件。三是，运行统计数据分析。故障事件、发动机运行数据、称重数据的下载查看，依据数据变化趋势拟定阶段性维护措施。

3.5.2 控制系统多发故障分析及控制措施

自卸卡车受路况、悬挂、操作因素影响接触器跳动故障较频繁。730E采用了7级扩大制动接触器控制制动电流，系统定义的60#故障描述了牵引工况时扩大制动接触器在没有吸合指令时存在吸合反馈信号。查看故障数据为单贞反馈信号，表明其吸合时间短。由于接触器因外部因素异常吸合使牵引电动机两端的电枢电压经跳动的接触器串入了制动电阻箱使冷却风机承受高压，造成绝缘击穿故障，恢复周期长且维护成本高；有时对接触器本身也造成大的损坏，往往使动触头部分报废。预防此类故障从两方面着手，一是操作驾驶员车速的控制，道路条件差时谨慎驾驶。二是对安装扩大制动器总成的结构紧固情况的检查，接触器回位弹簧张紧度的检查。

4 小结

矿用自卸卡车国产化开发的核心问题是控制系统的开发，设计一个满足运行工况要求、满足故障数据存储及查看的控制系统在目前国内控制理论及应用技术来说已经难度不大，主要存在引进和开发间性价比的问题，希望本文对致力于国产控制系统开发提供一点建议。

5 结束语

本文概要介绍了贵冶智能工厂建设中三维智能化管控平台的设计方法和构建过程，通过项目建设，探索了一种结合激光扫描仪和无人机倾斜摄影技术采集厂房内外部实景数据的新颖技术，用以实现高质量的厂区三维实景复制，该技术同时为未来模型空间的扩建、维护提供了代价较低的解决方案；以三维实景模型为基础开发的智能化管控平台采用介入式技术融合多源实时信息，实现了二、三维数据信息的一体化和各虚拟场景的实时动态驱动。作为基础平台，进一步导入其他业务系统数据后，结合多场景融合、大数据融合、云端应用融合等技术手段，能够同时支撑地理信息、业务办公、地上/地下建筑规划管理和辅助决策，以多元数据驱动三维载体，为数字化工厂提供血液，打造数字化工厂的大脑。