謝 明，張吉勝，李利民

（中冶寶鋼技術(shù)服務有限公司，上海200941）

鐵水車是運輸液態(tài)鐵水包的專用車輛，根據(jù)托運鐵水包噸位的不同，分為90t、120t、180t等類型產(chǎn)品.它借助其特有的液壓升降平衡機構(gòu)，能適應不同高爐鐵水駁運狀況，最大限度地滿足現(xiàn)場使用需求.鐵水車主要有電氣、結(jié)構(gòu)、液壓、氣壓四大系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間功能巧妙結(jié)合，構(gòu)成性能優(yōu)越的鐵水車.本文分析180t鐵水車（圖1）電氣系統(tǒng)設計.

由于冶金用車輛使用條件較苛刻，電氣系統(tǒng)工作時間長，且高負荷戶外工作需要承受極端溫度、高震動沖擊、潮濕、粉塵等等環(huán)境因素帶來的考驗，同時也要避免工作電壓波動、浪涌、電磁干擾等電氣干擾信號對系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來的影響，目前此類特種車輛電氣系統(tǒng)控制主要采用高質(zhì)量可編程控制器加人機界面接口方式.根據(jù)采用控制器廠家不同，具體控制方法也大不相同，目前國內(nèi)市場上主流控制器廠商有 TTC、EPEC、DANFOSS、INTERCOM 等.可編程控制器技術(shù)作為新興起的技術(shù)，已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè).

在本文中，利用CODESYS編程平臺，對鐵水車控制器進行編程、測試及仿真，實現(xiàn)對鐵水車的運動控制，如車輛行走、加速、停車，實現(xiàn)對鐵水車的故障檢測，如機油壓力、水溫和系統(tǒng)壓力等，實現(xiàn)對鐵水車的比例油缸的平衡升降控制，實現(xiàn)對全車報警及相關自動控制等.為了最大程度保障車輛的實用性與操作、維護的方便性，增加設計了傳統(tǒng)儀表與監(jiān)視器共存的監(jiān)視系統(tǒng)，增加設計了控制器故障時備用電路及發(fā)動機故障時拖車轉(zhuǎn)向動力的控制方案等.在本文中只討論該鐵水車基于CODESYS平臺的電氣控制系統(tǒng)部分［1］.

本文在分析鐵水車基于CODESYS平臺的電氣控制系統(tǒng)要求及功能的基礎上，利用軟件C語言編程，建立了鐵水車電氣控制系統(tǒng)的人機界面，使得控制系統(tǒng)各項參數(shù)的檢測及故障狀況在顯示器上實時更新顯示，使該人機接口可滿足系統(tǒng)狀態(tài)檢測、參數(shù)標定、故障報警、I／O檢測、手柄切換幾大功能，最大程度地反映該鐵水包車輛運行的實時數(shù)據(jù)，為判別該車輛使用性能的好壞和故障檢測提供了最直接真實的數(shù)據(jù).

1 鐵水車電氣控制參量分析

鐵水車電氣控制參數(shù)包括發(fā)動機參數(shù)的檢測、液壓系統(tǒng)檢測、行走系統(tǒng)控制、舉升系統(tǒng)控制等.

圖1 鐵水車外形圖

根據(jù)各項設計要求，需要控制輸入的開關量20個，模擬輸入量15個、頻率輸入量2個、數(shù)字輸出量9個、PWM輸出量8個.1）開關量輸入，主要用于檢測各濾網(wǎng)的堵塞情況和平臺位置限定及所有的開關信號形式輸入，這類信號輸入電壓范圍較大，一般應控制在24V以下；2）模擬量輸入，主要包括手柄控制、各類傳感器控制，在模擬量輸入中，分為電流型和電壓型輸入，如手柄控制為電壓型輸入，壓力傳感器為電流型輸入；3）頻率量輸入，控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速，馬達轉(zhuǎn)速；4）開關量輸出，主要有轉(zhuǎn)向限位控制、行車控制、報警控制等；5）PWM輸出，控制4組比例閥油缸升降動作，能精確控制油缸升降的速度及位置.

圖2 控制系統(tǒng)控制參數(shù)組成框圖

由圖2可知，在該控制系統(tǒng)框圖中，以控制器為核心，各類傳感器和手柄等作為信號檢測輸入點，以比例閥和馬達以及報警器件等作為系統(tǒng)命令的執(zhí)行機構(gòu)，以顯示器作為人機界面接口部分，建立起鐵水車的電氣控制系統(tǒng)［2］.

2 控制器及其他主要器件的選型

在該鐵水車電氣控制系統(tǒng)中，主要有輸入部分、數(shù)據(jù)處理部分、執(zhí)行輸出部分，每個部分分別完成所需要的功能，根據(jù)完成功能的不同，每個部分選擇相應的元器件.在該系統(tǒng)中，通過綜合考慮，選擇EPEC2023、2038作為整個電氣控制系統(tǒng)核心，EPEC2023、2038擁有的總I／O端口數(shù)達到72，模擬量輸入最多達到了22路，PWM最多達到14路，即可以同時控制七組比例閥的升降和對22路模擬數(shù)量的數(shù)據(jù)處理，在設計的系統(tǒng)中，需要控制的I／O端口總數(shù)為54路，需要控制的模擬量為15路，需要控制輸出的PWM信號為4組，兩個控制器完全能夠滿足需求，并為日后功能的擴展也做了預留量.

顯示器擬采用性能相對穩(wěn)定的GRAF AT3000，該顯示器在國內(nèi)特種車行業(yè)使用相對廣泛，操作方便，性能可靠.與控制器通訊方面采用了CAN總線技術(shù)，簡單可靠.

控制手柄采用P＋G公司的JC系列指尖操控手柄，該手柄專為與電子控制器配套使用而設計，內(nèi)部的導電塑料軌道可根據(jù)手柄移動的距離和方向產(chǎn)生成比例的模擬和開關參考信號，信號穩(wěn)定可靠，使用性能優(yōu)良.

傳感器分為油壓傳感器、氣壓傳感器、角度傳感器等.主要部件選型如下：控制器，EPEC，2023／2038；顯示器，GRAF，AT3000；操作手柄，P＋G，JC100／JC400；壓 力 傳 感 器，HUBA，0－600／400BAR；角度傳感，ME，145°；換檔手柄，ZF，340；繼電器，PHONEX，PLC.

3 控制系統(tǒng)設計

由以上分析可知，控制器和輸入輸出執(zhí)行器關聯(lián)且相互約束，因此在實際的控制邏輯與動作執(zhí)行中需考慮各動作之間的同步性、協(xié)調(diào)性，反映的準確性與快速性，故障過程的可靠性等.這些需先在CODESYS平臺上進行測試和仿真，以判斷鐵水車電氣控制系統(tǒng)設計是否合理.

首先在CODESYS軟件中建立該系統(tǒng)工程項目，在工程目錄下，建立各子功能塊，主要有通訊控制功能塊、安全保護功能塊、初始化功能塊、傳感器標定功能塊、檔位控制功能塊、故障報警功能塊、舉升控制功能塊、其他控制功能塊等（圖3）［3］.

圖3 控制系統(tǒng)開發(fā)流程

在CODESYS開發(fā)平臺里，包含有很多通用的庫函數(shù)，如標準函數(shù)庫、模擬量標定庫、PWM控制電壓電流庫，借助這些通用函數(shù)庫，會極大的縮短開發(fā)時間，提高控制系統(tǒng)的可靠性，傳感器標定功能塊見文獻［4］.在本控制系統(tǒng)編程設計中，幾乎所有的傳感器與其他輸入控制信號通過實際標定，獲取值與測量值一致，只有前后輪角度實測角度與實際車輪轉(zhuǎn)動角度不一致，針對該問題，做出如下分析.

如圖4所示，其中α為角度傳感器實測角度，β為車輪實際旋轉(zhuǎn)角度.

圖4 轉(zhuǎn)向輪角度與實測角度α、β三角關系

容易看出，通過簡化的角度傳感器測量角度與車輪轉(zhuǎn)向角度實際就是純?nèi)呛瘮?shù)關系，通過對它們之間進行三角變換及反三角變換，使得它們之間呈規(guī)律變化，最后在CODESYS平臺中通過編程計算實際轉(zhuǎn)向角度與車輪角度的實時對應值.α與β的關系為

控制器系統(tǒng)編程完成及經(jīng)過初步測試后，再對顯示器系統(tǒng)進行開發(fā)，GRAFAT3000顯示器為黑白顯示器，開發(fā)語言為C語言，在顯示器（圖5）上，主要體現(xiàn)幾大部分：

1）實時與控制器進行通信，保證訊息的實時交替；

2）顯示整個車輛的狀態(tài)，如車體各個系統(tǒng)的壓力值，車輛速度，發(fā)動機性能參數(shù)等；

3）監(jiān)視控制器所有輸入、輸出端子，通過顯示器可以檢測控制器各輸入值；

4）故障報警，在系統(tǒng)各個參數(shù)超出預設值時，彈出故障頁面并發(fā)出報警指示；

5）各項參數(shù)的標定及更改功能，該功能在更換零部件后能很方便地對控制器參數(shù)修改.

圖5 人機界面主頁面圖形

4 結(jié)論

本文針對鐵水車電氣控制系統(tǒng)進行分析，以CODESYS軟件為平臺建立起該車輛的可編程電氣控制系統(tǒng).本文對該系統(tǒng)中需要使用的主要器件做了簡要的介紹，并對各個控制功能模塊及相關信號類型也進行了相關的討論，重點對轉(zhuǎn)向角度進行了較為深入的闡述；在人機接口方面，建立了與控制器實時通信的顯示器模塊.該軟件在整個控制系統(tǒng)建立的分析過程中起到了重要作用，使得該套電氣控制系統(tǒng)的設計能夠預先進行各項性能的測試、仿真等.該套電氣控制系統(tǒng)已成功應用于鐵水車上，使用效果良好.如果對該系統(tǒng)進行適當?shù)淖兓?，亦適用于其他液壓平板懸掛類車輛電氣控制系統(tǒng).

［1］張曉云.汽車電路分析［M］.北京：中國人民大學出版社，2009.

［2］張 戟.基于Power PC的32位微控制器原理汽車電子控制系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［3］譚浩強.C語言編程技術(shù)［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［4］派 芬.CODESYS編程技術(shù)使用手冊［S］.上海：派芬自動控制技術(shù)有限公司，2007.