1 引言
随着工程机械行业的高速发展,工程机械控制系统的市场需求不断增大。由于工程机械的施工环境具有高温、高振、环境恶劣的特性,一般的民用级控制系统不能满足工程机械的使用要求。目前工程机械行业所使用的控制系统大多数是国外进口产品。国外的控制系统不仅价格昂贵,而且售后服务不及时,技术支持存在沟通障碍,不利于国内工程机械控制水平的提高。因此迫切需要研究并开发一款成本低廉、功能强大、质量稳定、易学易用的开放式监控系统平台。
为了适应工程机械的多样化、差异化的现场控制需求,硬件设计遵循模块化的设计思想,研发人员可以根据不同的设计要求配置不同的硬件模块,硬件模块之间采用CAN总线进行通信连接,工程机械控制系统与监控中心之间采用GSM/GPRS无线通信网络进行通信连接;本系统封装和集成了大量的通用参数化的功能模块和函数,可以直接调用,大大简化了研发人员的编程工作。
2 总体设计
以混凝土泵车为例来说明工程机械的控制特点,每台泵车的作业控制是相对独立的;但是建筑公司需要对他们拥有的多台泵车进行位置跟踪、调度管理,并了解每辆车的工作情况和车辆健康状态;泵车生产单位需要对卖出的所有泵车进行位置跟踪、车辆健康状态实时监控、质量数据统计建立高度信息化的售后技术服务系统。可见工程机械的控制分为两部分:单个工程机械的作业控制和多工程机械的机群调度和监控。
基于工程机械控制的以上特点,工程机械的作业控制系统采用分布式现场总线控制技术,而机群调度和远程监控采用公用GSM/GPRS无线通信网络技术组成集中式远程调度和监控系统。
现场总线是连接现场智能设备和自动化系统的数字式,双向传输、多分支结构的通信网络。它实现了网络技术向现场智能设备的延伸,从而构成分布式自动化系统。应用较为广泛的现场总线有:CAN总线、Lonwork、Profibus、现场基金会总线FF等等,其中CAN总线由于具有以下一些显著的优点而得到了广泛的应用[2]:
通信介质可以是双绞线,两根总线,布线简单,成本低,总线利用率高;
通信速最高可达1Mbps的传输速率,直接通信距离最远可达10km[2]。
采用无破坏性的基于优先权的逐位仲裁技术,避免高负载情况下出现网络瘫痪,同时满足不同优先级信息的不同实时性要求。
采用短帧结构,抗干扰能力强,同时具有可靠的错误处理和检错机制、自动重发机制,保证了很低的数据出错率;容错性能好,节点故障不影响总线上的其他节点。
废除站地址编码,采用报文滤波代替总线调度,方便实现多主方式工作。
因此,本系统选用CAN总线作为工程机械作业控制的现场控制总线,总线拓扑采用线性拓扑。基于CAN总线的分布式工程机械控制系统结构示意图如图1所示,为了适应不同的工程机械监控系统需求,控制器采用模块化设计,硬件分为三个结构上完全独立的单元模块:控制单元、显示单元和远程通信单元,如果控制单元的输入输出点不能满足控制需求还可以增加分布式IO单元,这些单元互相之间采用CAN通信进行连接。
其中控制单元主要负责数据的采集和处理、控制信号的输出和驱动;显示单元主要负责人机交互如数据的显示,并提供按键功能,它也承担本地储存器的角色;远程通信模块主要负责对工程机械进行定位,并完成本地与监控中心之间的数据交互。不同的工程机械可以根据需求选配不同的硬件单元。
安装在工程机械车辆控制现场的远程通信单元接收GPS卫星信号,计算出车辆本身的精度、纬度、速度和方向,同时通过CAN总线接收来自控制单元的工况数据、报警信息以及其他单元的状态数据,并利用现有的GSM/GPRS国家公众移动通信网络来实现定位信息、工况数据以及各部件状态信息的传递。
监控中心也可以下发控制命令对工程机械车辆进行控制,但这种集中式控制很少被使用,工程机械车辆的控制全部可以由现场的分布式控制系统完成,即使监控中心发生故障也不会影响到工程机械车辆的运行,这就是分布式控制的优点。
3 硬件设计
3.1 控制单元硬件电路设计
控制单元电路采用分层设计,由CPU板和IO板组成。控制单元CPU板硬件电路架构图如图2所示,采用了LPC2292作为控制芯片,该芯片功耗超低,使得控制部件的空载功耗非常低,不到3W,确保了控制部件具有稳定、可靠和长寿命的特点。
通过CAN总线控制器SJA1000和CAN高速收发器SJA1050实现控制单元与外部其他单元部件如显示单元、远程通信单元之间的数据交互。CAN节点之间采用屏蔽双绞线作为传输介质,波特率采用250KHz,采用线性拓扑结构,CANL和CANH之间加2个阻值为120欧姆的端接电阻,防止总线上产生的信号反射。经试验验证,该CAN网络可接入50个以上的CAN节点,在100米长的通信距离内可靠的通信。验证方法是:将50个CAN节点接入长度为100米的CAN网络,将各个节点与控制单元进行CAN数据收发测试,调整数据发送速度,使CAN总线负载率为70%,计算丢包率,结果丢包率小于3PPM。
控制单元IO板硬件电路架构图如图3所示,为适应工程机械控制的需要,设计了DO端口、PWM端口、AO端口等多种端口类型。采用BTS824作为DO端口和PWM端口的输出驱动芯片,短时间最大电流输出能力可达3A,长时间最大电流输出能力达到2A,以便可直接驱动电磁阀、比例阀等大电流执行部件,而不需要增加任何外部驱动电路。部分PWM电路采用INA693组成反馈电路,通过闭环控制,实现高精度PWM端口输出性能。采用AD694电流电压转化器,将电压信号转换成标准的4-20mA电流信号;控制单元还设计了开关信号、脉冲信号和模拟信号等多种信号采集电路,负责工程机械上各类传感器信号的采集和编码.
3.2 显示单元和远程通信单元的硬件电路设计
显示单元采用ARM9芯片 2410作为主控芯片,采用夏普的工业级5.7寸LED显示屏作为显示器,扩展了64M的FLASH存储空间。
远程通信终端采用2119低功耗芯片作为主控芯片,采用西门子的MC55模块进行GSM远程通信或短信通信以及GPRS远程数据传输;采用台湾HOLUX GPS模块GR-87进行GPS定位和校时;
两个单元的CAN通信电路均采用CAN总线控制器SJA1000和CAN高速收发器SJA1050来实现。
3.3 电路抗干扰设计
工程机械上的发电机、发动机、电磁阀等部件,在工作过程中会使供电电源产生很大的尖峰干扰、电压冲击、瞬态跌落等干扰,为了确保控制部件在这样的电源环境下能长时间稳定的正常工作,在电源电路中增加一些保护措施是十分必要的。
本监控系统的所有单元部件的电源电路均采用了电源隔离技术,24V输入电源通过LM2596S-5.0-SMD转换成5.0V电源后,再通过5V电源隔离模块DCP0205050芯片进行了电源隔离;同时在输入电源电路上增加了各种保护器件,如采用了固体放电管、瞬态电压抑制器、和自恢复保险丝进行上升速度较慢、持续时间较长、低压大电流的冲击电压的保护;采用TVS管、贴片快恢复二极管等对低能量、上升时间为纳秒级的高压尖峰干扰进行保护;采用电容和电感避免小的电源波动对产品造成影响。
本监控系统的所有单元部件的CAN通信电路,均使用ADUM1402BRM对通信电路进行了信号隔离和误接24V电源保护。为了避免与通信线一起走线的电路线中的干扰信号耦合到CAN通信线路上来,造成CAN通信端口的损坏,采用了TVS管对低能量、上升时间为纳秒级的高压尖峰干扰进行了保护。但值得注意的是,用于该通信线路上的TVS管的结电容不能过大,否则就会影响通信质量,限制CAN通信的传输距离和最大接入节点数,造成通信中断、通信失败的情况。
显示单元由于承担本地存储功能,因此数据存储安全是必须保证的。为了提高数据存储的可靠性,显示单元中设计了电源管理电路,使得显示单元能进行掉电检测,以确保发生掉电发生后,使用电路中的电池或者大电容给CPU继续供电,使得CPU在停止工作前还有足够的时间能合法停止FLASH的写操作,以防止数据的丢失或者FLASH的损坏。
4 软件设计
该监控系统是一个平台级产品,应用开发工作是由用户完成的。监控系统软件的主要功能是:提供易用的编程平台和不同硬件单元之间的应用层通讯协议。
控制单元和显示单元支持两种应用软件设计平台:ICS公司的ISaGRAF和KW公司的MultiProg,全面支持IEC 61131-3的5种开发语言:指令表、结构化文本、功能块图、梯形图、顺序功能图;
控制单元、显示单元和远程监控单元之间的应用层通信采用工程机械控制专用的SCP协议。为不同的工况数据分配不同的ID来进行紧急信元和普通信元的区分,系统底层软件确保紧急信元能在最短的时间内传回到监控中心。用户只需要在应用程序中为不同的工况数据分配紧急信元或者普通信元。
为了提高应用程序开发人员的工作效率,监控系统软件将通用的控制功能和数据分析处理功能进行了高度的集成和封装,形成可直接调用的功能块和函数如远程通信功能块,如RS232或422通信函数、CAN通信函数、参数操作、日历操作、平均值滤波函数、传感器标定函数、臂架减震功能块、端口故障诊断的功能块等等。工程机械的监控系统研发人员可以根据不同的设计要求直接调用这些内部函数或者封装好的功能块,经过一些简单的程序编写就可以完成高可靠的监控系统架构,这样设计者的注意力只需要放在被控对象的控制算法任务部分。
由于分布式工程机械监控系统在底层部署了故障自诊断和远程专家诊断功能,需要对某一异常时刻的工况数据进行录波,以方便故障分析,因此偶尔会有大量录波数据会在CAN通信中进行传输。因此在底层软件中实现了CAN通信的断点续传,防止大文件在传输过程中,系统掉电,造成的数据丢失或者文件重传过度占用通信资源。
5 设计验证
各个单元模块均通过了严格的验收测试,实验数据表明: 分布式工程机械监控系统的AI、AO精度、重复度和线性度均达到1%,PWM输出精度达到2%。DO端口最大持续输出电流达到3A。端口的响应速度在1ms以内全面满足工程机械的控制要求。
为了验证各单元模块的可靠性,对各单元的电源部分分别进行了过压保护、短路保护、电源反接保护实验,全部通过验证。各CAN通信端子均能承受500V的雷击浪涌干扰、群脉冲干扰。将CAN误接24V电源不会发生损坏。控制器的IP防护等级达到IP67,工作温度范围达到-40°~+70°,机械环境等级达到5M3,能承受2~8Hz 7.5mm;8~200Hz 20m/s2;200~500 40 m/s2的机械振动。电磁兼容性能达到EN13309标准要求,同时满足GB17626标准中的工业级标准要求。能够适应工程机械的恶劣工作环境。
分布式工程机械监控系统已经成为三一重工泵车的标配,推广数量已经上万套,质量稳定可靠。主要用于泵车的臂架、支腿、泵送等上装执行机构的作业控制和泵车工况和质量的远程监控。一台泵车上安装一个控制单元,一个显示单元和一个远程通信单元。由于软件已经提供了大量的功能块和函数,应用程序的开发周期可以控制在1周以内,主要实现以下功能:控制单元采集臂架和支腿上的传感器数据,进行计算处理和轨迹规划,并通过输出端口控制执行部件的动作,实现了臂架的自动展臂/收臂、垂直/水平运行、末端随动等智能臂架功能。控制单元将泵车故障信息、各硬件单元将本单元的健康状态通过远程通信单元上传给远程监控中心,服务工程师依据这些信息对泵车开展售后的维护保养工作,是三一重工的金牌服务品质的重要保障。
6 结束语
该基于 CAN总线的分布式监控系统适应于工程机械的特殊应用环境,稳定性好,可靠性高,并且具有较强的灵活性和扩展性,适合用来开发多品种小批量的工程机械控制系统。具有一定的应用推广价值。
参考文献:
[1] 武忠祥,裴仁清,王黎俪,秦元.基于CAN总线的分布式控制器设计与实现[J].电子技术应用,2008(5):108-111.
[2] 滕春涛.基于CAN总线的分布式建筑塔钟控制系统设计[J].建筑电气2008(10):35-38.
[3] 张春峰.邹新杰.余张国.分布式现场总线温室环境控制系统设计[J].电气传动,2008(10):78-80.
作者简介:何银菊(1983-),女,中级工程师,在读工程硕士,从事工程机械电控产品测试技术、测试自动化技术的研究。