分布式控制在矿用自卸车上的应用

张 莉，张 亮，房康宁，张亚鹏

徐州徐工矿业机械有限公司 江苏徐州 221004

矿用自卸车结构复杂、系统多，电控系统必须对各个系统的数据进行采集、计算及控制，信号采集量大、控制元件多。控制系统分为分布式控制(DCS) 和集中控制 (CCS) 2 类，当前在矿用自卸车上应用比较广泛的是集中控制系统，采用硬线将车体的信号采集装置、执行元件等连接至电控柜内控制器，为了方便整车的拆卸和运输，中间会增加断点，从而导致电气线束多、断点多，故障率增加；当车辆增加信号采集或控制点时，会有端口不够用的情况，增加控制器又导致资源浪费。针对上述问题，研究矿用自卸车分布式控制，具有十分重要的实际意义。

1 分布式控制系统特点

分布式控制系统采用分散控制、集中监测和管理的设计原则，通过功能分层、危险分散来提高系统的可靠性和扩展时的灵活性[1]。

为了保证控制的实时性、稳定性，同时满足用户对控制系统的经济性要求，用分布式 I/O 来构建分布式控制系统，硬件在地理上趋于分散，软件在逻辑上趋于集中，其功能是分布式的，通过 CAN 通信把它们连成一个整体，实现多指令多数据流并行地执行程序。

矿用自卸车的分布式控制系统包括多个分布式I/O 模块、整车控制器、显示装置、信号采集装置和执行元件等。

2 矿用自卸车电控系统功能及分布式控制网络架构

2.1 矿用自卸车电控系统功能

目前使用的矿用自卸车总体结构大致相同，主要分为动力系统、电控系统、液压系统、驾驶室、车架总成、货厢总成、走台总成、悬挂系统、驱动系统等。

动力系统包括发动机、进排气、散热水箱等，需要电控系统采集空滤、水箱水位、急停、转速等信息，并根据指令对启动、喷油量等进行控制；液压系统实现转向、制动、举升等功能，其组成主要固定于驾驶室、车架位置，需要电控系统采集过滤器堵塞开关、压力传感器、温度传感器等信息，并根据指令对电磁阀、比例阀等进行控制；驾驶室是车身的重要组成部分，需要电控系统采集组合开关、按钮、手柄、踏板、车门状态、安全带状态等信息，并根据指令对雨刮、喷水、顶灯等进行控制；货厢是运输物料的直接承载体，需要电控系统采集其下降是否到位、举升是否到位等信息；称重系统影响矿车的工作效率和使用寿命，需要电控系统采集整车倾角、悬挂系统压力传感器等信息，并根据载重情况对载重指示灯进行控制；驱动系统包括发电机、变流柜、电阻柜、电动轮等，需要电控系统采集电动机转速、电动机温度、风压等信息，并根据指令对发电动机励磁、电动机制动等进行控制；同时，电控系统还控制灯光、喇叭、集中润滑、集中灭火、空调、显示重要参数和故障报警。

矿用自卸车的结构和功能特点决定了车辆体积过大，而电控系统必须对各个系统的数据进行采集和传输[2]，使司机对车辆实现很好的操纵、作业和监控，采集信号量大、控制元件多。

2.2 矿用自卸车分布式控制网络架构

矿用自卸车分布式控制系统中的所有组成均用CAN 总线实现网络连接，采用 2 根双绞屏蔽线，连接简单、方便，传输速度快，可靠性高，大幅降低维护人员工作量，在工业领域总线控制已经开始广泛使用[3]。矿用自卸车分布式控制网络架构如图 1 所示。

图1 矿用自卸车分布式控制网络架构

整车控制器是矿用自卸车分布式控制系统的核心，科学、有效地处理 CAN 总线上的通信信息，协调各 I/O 模块工作以保证车辆的驾驶性能。各 I/O 模块将采集信号利用 CAN 总线传输给整车控制器，控制器接收到信号并结合实际情况进行逻辑运算，运算结果通过 CAN 总线传给各 I/O 模块，从而实现对执行元件的控制。

根据整车结构和功能分布，该系统包含多个分布式 I/O 模块，如驾驶室、液压、车架、左走台、右走台的 I/O 模块，模块的端口可以根据需要进行输入输出配置，数据类型可以根据需要进行数字量和模拟量的切换。驾驶室 I/O 模块用于驾驶室内信号采集及执行元件控制，液压 I/O 模块用于液压系统信号采集及执行元件控制，车架 I/O 模块用于分布于车架部分的信号采集与执行元件控制，左走台 I/O 模块用于分布于左走台部分的信号采集与执行元件控制，右走台I/O 模块用于分布于右走台部分的信号采集与执行元件控制。

显示装置包含显示仪表、显示屏，显示仪表用来接收 CAN 总线上的数据，可以显示车辆实时运行信息，包括发动机和驱动系统运行数据、GPS 状态、整车控制器端口信息、分布式 I/O 模块端口信息、载重数据、车辆故障信息等；显示屏可以呈现车辆的360°全景影像，并可用于驱动系统的调试工作。

3 分布式控制系统状态监测

状态监测系统能够对整个分布式控制系统通信、操作指令、传感器信号、各执行元件使能情况、车辆运行状态等进行监测和存储，并能够对所采集到的数据进行分类示警。分布式控制系统状态监测流程如图2 所示。

图2 分布式控制系统状态监测流程

车辆在行驶过程中，对不当操作可报警提示，以减少和避免故障扩大和机器损坏；监测系统具有可追溯性，车辆出现故障，可实现数据提取查询，对历史存储数据进行统计分析，查找原因并解决问题。

4 结语

综上所述，矿用自卸车分布式控制系统是一种比较实用的实时智能控制系统，该系统基于CAN 总线构成总线式网络，多个分布式 I/O 模块、整车控制器、显示装置等通过总线进行数据通信，实现了信号就近采集并根据通信协议控制附近执行元件，更加智能化、模块化，配置灵活、节点扩展方便，大幅减少矿车控制线束，节省安装空间，故障点少，具有良好的可靠性、可维护性和可监测性。