基于CAN總線的運梁車分布式控制系統的研制

杜小剛

(中國鐵建第十一局集團漢江重工有限公司，湖北 襄陽 441046)

基于CAN總線的運梁車分布式控制系統的研制

杜小剛

(中國鐵建第十一局集團漢江重工有限公司，湖北 襄陽 441046)

應用于高鐵PC梁運載的運梁車是SPMT特定用途的一種，其電氣液壓控制系統復雜，傳感器及液壓執行機構種類及數量多；基于CAN總線的分布式控制系統架構，將控制系統設計成多個控制模塊，采用CAN總線作為系統中各單元之間交換信息的通道，給系統設計和布線帶來了極大地便利；文章從硬件和軟件設計進行闡述，從動力控制、轉向控制、行走控制、懸掛及支腿控制等，逐步介紹運梁車控制系統的研制過程和控制系統結構組成；在參考以往運梁車設計的優缺點基礎上，采用了最先進的傳感器對運梁車進行了全方位的監控和精確的控制；分析了研制過程碰到的重難點問題及解決辦法，為同類自行式模塊運輸車(SPMT)控制系統的設計提供了一定的參考；研制成功的控制系統安裝于公司生產的HJY550運梁車上經過調試及試運轉，控制精確、各項功能均達到設計要求，系統運行穩定、安全可靠。

SPMT;運梁車;測量控制;液壓系統;功率匹配;輔助駕駛系統

0 引言

高速鐵路運梁車基于復雜電液控制系統的多輪組全液壓輪胎式運梁車，是工程機械SPMT(self propelled modular transport 自行式模塊運輸車)特定用途的一種，用于運載高鐵或城際客運專線PC梁。它適用于時速250～350 km鐵路客運專線32 m、24 m、20 m整孔PC梁片的運載，能適應便道、鐵路路基、橋梁、隧道、涵洞等路面工況并向架橋機喂梁，以及馱運架橋機實現架橋機梁場掉頭、橋間轉移等工作。這里以公司研制的HJY550型自行式全液壓運梁車為例進行闡述[1-3]。

對運梁車的控制包含發動機控制、行走控制、轉向(八字、半八字及斜行等模式)、懸掛及支腿升降控制等，控制對象及監控內容多且復雜，以下將設計的過程及遇到的重難點問題做簡要介紹。

1 運梁車控制系統硬件及軟件設計

1.1 運梁車控制系統設計依據及功能劃分

根據運梁車使用工況及《QC/T846-2011重型平板運輸車通用技術條件》的要求，對運梁車的控制系統分為發動機及動力系統、行走系統、轉向系統、懸掛及支腿升降系統四大部分。整個系統通過CAN總線將各個功能模塊互聯，實現分布式控制，總線控制拓撲如圖1所示[4-5]。

圖1 運梁車控制系統CAN總線拓撲結構圖

1.2 運梁車動力控制系統設計

動力系統由2臺275kw康明斯發動機驅動2臺A4VG250和2臺A11VO145。

發動機的控制通過J1939總線連接到動力控制器模塊，司機室的操作信號由司機室的主控制器通過CAN總線發送給動力艙控制器實現對發動機啟停、轉速的控制、同時采集發動機的實時轉速、冷卻液溫度、機油壓力、燃油油位等信息并顯示在司機室的顯示屏上。

1.3 運梁車轉向控制系統設計

運梁車的轉向控制系統是運梁車控制系統中最為復雜的一部分，對于HJY550運梁車，它有21軸，通過84個比例電磁鐵實現對42個轉向油缸的控制，由42個編碼器實現對轉向角度的閉環控制。轉向控制模型如圖2所示。

圖2 運梁車轉向控制模型

HYJ550運梁車設計為全液壓獨立轉向，每個輪組均能獨立轉向，方向盤給定一個轉向角度左右兩側輪組繞同一個圓心做同心圓運動，左右兩側輪組的轉向半徑就不同，分別為R1和R2。圖3、圖4分別給出八字、八字轉向模型示意圖，斜行模式下每組輪組轉向角度與方向盤給定角度相同，這里不再做詳細說明[6]。

圖3 運梁車八字轉向控制模型

圖4 運梁車半八字轉向控制模型

1.3.1 轉向數學模型及計算公式

設定轉向方向內角首個轉向橋的角度α(方向盤設定轉向角度)，外角首個轉向橋的角度β，相鄰軸線間距L，同軸線左右兩橋中點間距S。

半八字模式下，內角轉向半徑R1=10L×cotα+S，外角轉向半徑R2=10L×cotα+S+L，轉向內角前半部每轉向橋角度αi=tan-1((10-i)×L)/R1，轉向內角后半部每個轉向橋的角度為前半部的負值(鏡像)；轉向外角前半部每轉向橋角度αi=tan-1((10-i)×L)/R2，轉向外角后半部每個轉向橋的角度亦為前半部的負值(鏡像)。

八字模式下，內角轉向半徑R1=20L×cotα+S，外角轉向半徑R2=20L×cotα+S+L，轉向內角每轉向橋角度αi=tan-1((20-i)×L)/R1；轉向外角前半部每轉向橋角度αi=tan-1((20-i)×L)/R2[7]。

1.3.2 轉向閉環控制結構

轉向系統為閉環控制，每個轉向輪組安裝有絕對值編碼器，以提供實時的轉向角度測量，圖5為轉向閉環控制結構圖。采用閉環控制可實現對每個輪組轉向的精確控制，同時對轉向異常進行監控，如出現異常便給出報警信息。

圖5 轉向閉環控制結構圖

1.4 運梁車行走控制系統設計

1.4.1 運梁車行走控制結構

HJY550的行走控制有3個變量共同協調控制，行走速度及輸出扭矩必須實現發動機、閉式行走泵以及液壓馬達進行功率匹配，如圖6所示。

圖6 行走驅動控制示意圖

運梁車每個馬達安裝有霍爾轉速傳感器實現對驅動行走速度的監控，此外在八字及半八字模式下，內外側輪組馬達也存在轉速差，同樣可以通過上述轉向公式得到內外側馬達轉速比，計算每個馬達實際需要輸出的轉速值轉換成馬達電磁鐵的電流值便可實現差速控制。

圖7 馬達轉速閉環控制結構圖

1.4.2 運梁車防打滑控制

基于閉環的行走控制，不僅可以實時掌控運梁車的行走速度，而且可實現對車輛的差速、防跑偏以及防打滑控制。

直行和斜行模式下，利用速度傳感器，計算每個驅動輪的平均轉速，超出平均轉速一定值(30%)，則認為其打滑，對其執行防打滑程序。

在八字或半八字模式下，以轉向方向首個驅動軸線中點的速度為基準轉速，根據差速方程計算出每個驅動輪的理論轉速，再通過轉速傳感器測量每個驅動輪的實際轉速，與理論轉速相比較，超出理論轉速一定值(15%)，則認為其打滑，對其執行防打滑程序[7]。

打滑處理方式：將打滑輪馬達調節至最小排量，經過一段時間(2、3秒)后，再次進行防打滑判斷，如若仍處于打滑狀態，則繼續保持最小排量，反之則恢復正常行駛模式。

1.5 運梁車懸掛及支腿升降控制系統設計

運梁車懸掛由8個比例電磁鐵控制42支油缸的升降，42支油缸由8球閥進行組合為3點或4點同步升降。

運梁車前左、前右、后左、后右4個角安裝有4個升降油缸同樣也是由8個比例閥實現單支油缸或某幾支油缸的聯動。

1.6 馱梁小車控制系統設計

馱梁小車位于運梁車主梁上方，用于喂梁時與架橋機前小車同步駝梁。它由4臺3KW變頻電氣驅動小車在主梁上2條軌道上行走，馱梁小車的控制有本地和架橋機2種模式，用變頻器控制拖駝梁小車的行走實現運行方向和速度控制。這里選用西門子G120變頻器，用STARTER軟件對變頻器進行配置。

1.7codesys軟件簡介及運梁車程序編制

1.7.1codesys軟件簡介

CoDeSys是一種功能強大的PLC軟件編程工具，它支持IEC61131-3標準IL、ST、FBD、LD、CFC、SFC六種PLC編程語言，用戶可以在同一項目中選擇不同的語言編輯子程序，功能模塊等。ABBBachmann，IFM易福門，EPEC派芬，HOLLYSYS和利時，intercontrol的PROSYD1131，赫思曼公司iFlex系列、力士樂的RC系列，TTcontrol公司TTC系列控制器等PLC廠家都是使用Codesys平臺開發自己的編程軟件的。

HJY550運梁車的控制器采用IFM的CR0032控制器，顯示器選用CR1200，編程軟件為codesys2.3。

1.7.2 運梁車程序編制

HJY550運梁車控制系統復雜，系統龐大，控制及信號多而且種類多。采用CAN總線的分布式控制極大地降低了硬件布線設計難度，也為編程帶來了極大的便利，編程設計上采用程序功能均衡分布，不同的控制功能分別由獨立的控制器進行分層分功能塊進行控制，數據交互通過CAN總線進行傳輸[9]。

CR0032以及CR1200均有4個通道的CAN接口，用于監控轉向角度的編碼器和傾角傳感器、激光測距傳感器、發動機ECU等也是選用CANOPEN總線或J1939總線的的，只需添加相應的EDS文件或編寫總線通訊程序，便可對編碼器、發動機ECU進行數據交互，實現預定控制功能。

如圖9所示，在codesys中按前文所述將一個個功能和算法編程封裝為FB模塊，在程序中進行調用，對于運梁車這樣系統龐大，有許多功能重復或相似的子控制系統，可極大地減少編程和調試工作量。

2 重難點及創新設計

2.1 重難點問題

1)傳感器種類及數量多，選型匹配困難。

由于運梁車所使用的傳感器多而且雜，角度、傾角、距離、壓力、溫度、液位、電流等諸多測量均在一個控制系統中集成。要做到信號接口的匹配也要計算功耗、注意電流電壓級別等問題。表1中給出運梁車所用到的傳感器數量及信號類別。

表1 采集信號與傳感器選定對照表

2)布線困難。由上邊可以看出，系統傳感器種類達十余種(還未統計開關量信號)，數量也有100多個。加上轉向控制液壓閥84個、行走馬達控制閥28個、懸掛及支腿升降控制液壓閥16個、以及行走泵控制閥4個，電磁閥的控制信號也有136個。這些測量及控制元件分散、給布線帶來不小的挑戰，若采用集中式布線，則布線就極為復雜。

基于CAN總線的分布式控制便解決這一難題，控制器分散布置，就近采集傳感器信號和控制電磁閥。構件和節段之間采用航空插頭連接，既美觀又方便拆裝和檢修[10]。

3)轉向及行走閉環控制。運梁車的行走及轉向控制為整個控制系統的核心問題，控制的精準和可靠才能使整個系統的設計功能得以實現。這兩個系統均采用PID控制和調節，相比來說轉向的控制和調節要復雜的多。采用MATLAB所提供的SIMULINK來對系統進行建模、仿真和分析，可對機械液壓系統的動態特性進行仿真，用SIMULINK工具箱的PID控制器來對上文中的PID控制算法進行建模。通過仿真調節觀察系統在階躍信號下的響應曲線得出理論KP,KI,KD值，作為在實際調試中的參考。轉向PID程序如下：

IF CYL>T THEN

Et[2]:=Et[1];

Et[1]:=Et[0];

Et[0]:=PV-SV;

Et[3]:=Et[2]+Et[1]+Et[0];

IF ABS(Et[0])>Dead AND Ref_Enable THEN

Ut[0]:= KP*(Et[0] +Et[3]* KI+ KD* (Et[0]-Et[1] ))+Mina;

IF Et[0]<0 AND Ut[0]<-OutMax THEN

Ut[0]:=-OutMax;

ELSIF Et[0]>0 AND Ut[0]>OutMax THEN

Ut[0]:=OutMax;

END_IF

ELSE

Ut[0]:=0;

END_IF

CYL:=0;

Out:=REAL_TO_INT(Ut[0]);

ELSE

CYL:=CYL+1;

END_IF

這里采用離散PID控制算法實現對轉向油缸的控制，設計控制精度要求為±0.5°，實際調試測量精度滿足設計要求。

4)控制安全互鎖問題。

(1)控制權。由于運梁車一般由前后2個司機室，同一時刻只允許有一臺司機室的操作有效，每個司機室均設置有控制權旋鈕，哪個司機室先選擇哪個司機室就有效，后選擇無效，切換控制權只需將當選控制權旋鈕關掉再選擇另外一個司機室控制權即可。

(2)各個功能操作之間的互鎖。司機室設置有行走模式選擇開關、液壓升降選擇開關等功能選擇旋鈕，每個功能選擇旋鈕下的幾個操作功能是互鎖的。

(3)多方位的監控。系統全方位配置了從轉向角度、行走速度、液壓系統及氣壓系統壓力、隧道及橋面輔助行走的傳感器監控系統，給運梁車的運行安全提供了強有力的保障。

2.2 創新設計

1)基于CAN總線分布式控制結構簡化系統及布線設計，數據傳輸延時性更小，控制更精準。由于系統龐大，各控制器之間數據傳輸量大，而轉向系統的控制精度及協調性要求系統控制延時及系統掃描周期更小，CR0032控制器為32位控制器，運算速度更快，CAN總線傳輸速率一律采用250K，基于這樣的配置和分布式的網絡拓撲結構在設備上應用、調試、試運轉均達到設計要求。

2)自動輔助駕駛功能。

駕駛系統采用先進的激光測距傳感器，在運梁車前后四角安裝4套高精度激光測距傳感器，控制系統可在隧道和橋面自動計算運梁車距左右隧道或左右橋面偏差，并以數值形式顯示在顯示器上，超過一定偏差是給出報警信息，由駕駛員采取相應措施。

3)喂梁距離實時顯示功能。

運梁車前端安裝有激光測距傳感器，用以在喂梁時檢測并在顯示屏上顯示與架橋機距離，報警距離和停機距離可在顯示屏上設置。當運梁車運行到離架橋機距離小于或等于設定報警距離時，喂梁報警蜂鳴器發出報警信號；當運梁車運行到離架橋機距離小于或等于設定停機距離時，喂梁報警蜂鳴器發出報警信號的同時運梁車停止前進。

4)自動調平及傾斜報警功能。

系統設計有整機水平狀態監控系統，通過安裝在主梁上的2個雙軸傾角傳感器實時監控運梁車縱橫向水平姿態，超過設定限值停止行走并自動調平，當超過危險值時停止行走并通過報警器給出報警信號，可有效預防運梁車的傾覆。

3 總結與分析

3.1 總結

運梁車的安全穩定運行是機械、液壓系統、電氣控制系統的完美結合，在設備研制過程中遇到方方面面的問題，受限于篇幅文中僅從幾個大的方面做了簡要的探討。

經過長達半年左右的設計，從方案設計、元件選型、圖紙繪制、制作調試，設備已在現場試運行中，所有功能達到設計要求。在滿足工況及規范要求的同時，也對設備的使用安全、可靠性方面也做了更進一步的研究，增加了自動輔助駕駛、喂梁距離實時顯示功能、自動調平及傾斜報警功能等。提高了設備的安全性、可操作性及自動化程度。

3.2 分析

經過試運行，運梁車整體運行良好，但仍然有有待提高和優化的地方，如：

1)發動機、泵、馬達的功率匹配。這一直是困擾我的一個大問題，理論上來說，根據發動機和泵、以及馬達的工作曲線，擬合其在額定功率下三條曲線交叉點Q點附近的區間即為功率匹配最佳區間，但實際工作中我們僅能通過監控液壓系統壓力及發動機轉速來通過人工綜合判斷來進行匹配發動機(轉速旋鈕)、泵(油門踏板)以及馬達(檔位)的工作參數，未來還需在此做深入研究，通過軟件程序來匹配功率，簡化操作[11]。

2)目前僅實現在橋面、隧道內的輔助駕駛功能，控制系統僅對車輛行駛方向偏差給出參考，需操作者根據參數進行調整。未來還需對系統進行升級，即選擇自動駕駛后，在隧道內和橋面上運梁車可根據傳感器參數自動調整運行軌跡。而要實現全程自動駕駛，一種方案是在路面埋設磁釘，實現磁導航，但成本較高，在碼頭集裝箱轉運AGV小車應用較多且比較成熟；第二種方案是在路面刷油漆，用攝像頭實現視覺導航[12]。但這兩種方案均存在成本和可操作性的問題，還得需要探索其他方法。

3)基于CAN總線的HJY550運梁車電氣控制系統的研制成功，不僅使公司在技術領域有質的提高，在自行式模塊運輸車控制領域也提供了一定的參考，在物聯網應用快速發展的今天，特種設備進入物聯網實現遠程管理及故障診斷必定是提升設備的自動化程度，增加設備附加值進而增強競爭力的一大趨勢[13]。

4 結束語

歷經半年多的設計、制作到安裝調試，運梁車已結束試運行階段，正式運載PC梁。系統的可靠性、安全性、易操作性得到檢驗。用戶一致認為該運梁車電氣控制系統較以往使用運梁車先進、操作直觀易上手、檢修維護也省時省力。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB/T 3295—2013，高速鐵路箱型運梁車[S]，北京：中國鐵道出版社，2013.

[2] 黃耀怡，余春紅.論我國大噸位輪胎式運梁車的發展與創新之路(上)[J].鐵道建筑與技術，2015(9)：1-17.

[3] 黃耀怡，余春紅.論我國大噸位輪胎式運梁車的發展與創新之路(下)[J].鐵道建筑與技術，2015(12)：1-13.

[4] IFM electronic Co. Ltd..know how ecomatmobile.pdf [EB/OL]，(2014-10-30). https://www.ifm.cn/mounting/7391020UK.pdf.

[5] IFM electronic Co. Ltd..Original Programming Manual classic controller CR0032.pdf [EB/OL]，(2016-01-29). https://www.ifm.cn/mounting/7391021UK.pdf.

[6] 王慶豐，黃 茹，劉培勇，等.SLC900型運架一體機轉向同步算法研究[J].液壓與氣動，2013(9)：15-19.

[7] 邢軍偉，李 艷.DCY900運梁車打滑問題分析及解決辦法[J].建筑機械，2015(3)：72-74.

[8] Simens Co. Ltd..sinamics-g120-控制單元-cu240b-2-cu240e-2參數手冊.PDF[EB/OL]，(2014-04).https://support.industry.siemens.com/cs/document/99683523/sinamics-g120-控制單元-cu240b-2-cu240e-2?dti=0& lc=zh-CN.

[9] 葉程祥，夏繼強.雙轉向架驅動AGV的分布式控制系統設計[J].儀表技術與傳感器，2015(9)：68-71.

[10] 王長青，楊汴華，邢軍偉.基于CAN總線的兩臺或多臺平板車同步控制技術[J].鐵道標準設計，2018(3)：52-53.

[11] 趙靜一，孫炳玉，李鵬飛.900t提梁機液壓走行系統原理分析及其功率匹配[J].液壓與氣動，2007(12)：39-41

[12] 鄭炳坤，賴乙宗，葉 峰.磁導航AGV控制系統的設計與實現[J].自動化與儀表，2014(3)：6-10.

[13] 杜小剛.起重機械安全監控管理系統的研制[J].鐵道建筑與技術，2016(12)：90-94.

Research of Distributed Electrical Control System for Transpoting Girder Vehicle Based on CAN Bus

Du Xiaogang

(China Railway 11th Bureau Group Co. Ltd. Hanjiang Heavy Industry Company, Xiangyang, Hubei 441046, China)

The beam carrier used for high-speed PC beams is a kind of SPMT-specific use，its electrical hydraulic control system is complex, the type and quantity of sensors and hydraulic actuators are numerous. The control system based on CAN bus distributed control system architecture, and designed into multiple control modules. The use of CAN bus as the system of information exchange between the various units of the channel, to the system design and wiring has brought great convenience. This paper expatiates on the hardware and software design, from the dynamic control, steering control, driving control, suspension and outrigger control, and gradually show the design process and control system structure of the control system. In the light of the advantages and disadvantages of the previous design of the beam vehicle, based on the use of the most advanced sensors on the beam vehicle for a full range of monitoring and precise control. This paper analyzes the heavy and difficult problems encountered in the development process and its solutions, which provides some reference for the design of the control module (SPMT). Successful development of the control system installed in the company's HJY550 beam vehicle after debugging and commissioning, precise control, the functions are to meet the design requirements, the system is stable, safe and reliable.

SPMT; transpoting girder vehicle; measurement and control; hydraulic system; power matching; assisted driving system

2017-02-15；

2017-03-13。

杜小剛(1984-)，男，湖北廣水人，碩士研究生，電力電子與電力傳動，技術中心副主任兼電氣液壓控制室主任(工程師)，主要從事鐵路提運架設備、隧道設備、起重機械等非標工程機械電氣液壓控制方向的研究。

1671-4598(2017)05-0094-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.026

TP273

A