非道路移動機械電控系統設計研究

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摘要:針對非道路移動機械電控系統的優化設計，分析近年來國內外非道路移動機械電控系統的發展現狀及電控系統設計思路，重點探討人機交互層的優化設計和核心件選型與匹配，結合實際應用，提出進行負載驅動能力設計、安全性設計、抗干擾能力設計時應遵循的共性原則和應對策略。

關鍵詞：非道路移動機械；電控系統；安全性

1非道路移動機械電控系統現狀

近年來，隨著電子技術、網絡技術的發展，非道路移動機械電控系統從傳統的以PLC為核心向以專用控制器為核心升級演進[1]。在工程實踐中，越來越多的主機廠和客戶發現，傳統的以PLC為核心的電控系統存在諸多弊端，不適用相比工業自動化場合環境要惡劣得多的非道路移動機械，例如嚴酷的高低溫條件、高振動、高沖擊、高防護等級要求，以及惡劣的電磁環境等。以專用控制器、智能分布式IO、顯示屏、總線操作面板等為核心部件的新一代電控系統克服了傳統電控系統的弊端，極大地提升了系統的可靠性、故障診斷能力、人機交互的友好性和信息化水平。但受限于各自發展水平和諸多因素的影響，各個細分領域的電控系統水平參差不齊，在實際設計和應用過程中暴露出諸多共性問題。本文針對非道路移動機械電控系統的典型設計和應用，探討一些共性的思路、方法和應遵循的設計原則，同時討論如何避免不合理的設計，保證系統的魯棒性，提升電控系統設計水平。

2常用非道路移動機械電控系統總體設計思路

在工程實踐的具體設計時，首先需要明確系統的實際需求，從輸入輸出的數量、類型，人機接口的方式，布置與布線等細節著手，做好系統框架方案設計，具體包括：人機交互設計、控制系統核心件的選型與匹配、系統拓撲結構設計、線束設計及系統軟件方案等。電控系統的整體構成形態通常分為集中控制方式和分布式控制方式兩種典型模式。2.1集中控制方式。集中控制方式是普遍采用的構成形態，一般系統中所有的輸入、輸出均集中在一個控制器中，輸入的采集、運算、處理及作業控制輸出均由該控制器完成，除該控制器外不再有其他控制單元承擔系統輸入的采集和控制輸出的執行。在中小型電控系統中，集中控制方式為主流形態，但集中控制方式也并非適用所有的中小型系統。當被控對象分散、輸入輸出種類復雜，往往很難選到合適的控制器來滿足系統設計要求，或者即使有資源比較配套的控制器，但設計線束可能非常復雜，造成成本增加，同時也增加了系統的不可靠因素，為后期系統維護埋下隱患。這些問題在分布式控制方式中都得到了很好的解決，特別是CAN總線在非道路移動機械上裝電控系統中的廣泛使用，使得分布式控制方式在大中型系統設計中處于明顯的優勢地位。2.2分布式控制方式。分布式控制方式如圖1所示，指的是多機系統，由控制器、IO模塊、總線操作面板、顯示屏等多個功能部件分別控制不同的對象或設備，各自構成輸入感知子系統、控制輸出子系統、發動機交互子系統及人機接口子系統等，各子系統間通過CAN通信網絡互連。從整個系統來講，在功能上、邏輯上、物理上以及地理位置上都是分散的，因此被稱為分布式控制系統。一般來講，基于CAN總線的分布式控制系統具有以下優勢和特點：（1）節約材料成本，提高傳輸效率，消除安全隱患。CAN總線成本低，傳輸效率高，可靠性高，易于維護，具有很強的可擴展性，只需要2根線便可將所有電控單元串接起來，能更好地協調各個子系統[2]。（2）實現了信息共享。各個功能部件的信息及設備信息都可以集中顯示在顯示屏上，可圖形化實時顯示各個控制單元的工作、運行狀態，便于實時掌握作業信息。（3）系統功能擴展升級更容易。當需要增加新的功能時，只需要將新節點掛接到CAN總線上并升級相關的軟件程序即可，原來的系統不受影響，能簡單可靠地實現系統功能的擴展升級。

3人機交互層優化設計

如圖2所示，傳統人機接口設計中旋鈕開關、鈕子開關、擋位開關等為常見的操作指令輸入形式，其集成形式往往是鈑金或塑料盒體，笨重、體積大、接線復雜，而且機械開關往往防護等級不高，壽命有限。具備圖像、聲光體驗的人機交互方式，得到越來越多的專業操作人員特別是年輕人的喜愛。隨著技術進步，液晶顯示屏、CAN總線操作面板、智能語言播報、語言識別及人臉識別等技術正逐步引入到專用車人機交互領域，并逐步成為發展趨勢。顯示屏的使用，使其成為設備的一個信息融合中心，用戶可以通過顯示畫面、實時變化的參數，甚至動畫、語音或視頻直觀地了解和感受設備的運行狀態。很多原來需要依賴各種儀表才能讀取的參數，變得易于獲取并有著生動友好的展示形式。特別是近些年，商用領域成熟的電容觸摸技術引入到工業應用后，操作和交互變得更為便捷，實現了智能手機操作到專用設備操作的無縫過渡。在專用設備領域，相比傳統電阻觸摸，電容屏可以實現多點觸控，可戴手套操作，更重要的是具有電阻觸摸工藝所無法比擬的耐磨耐刮性能。CAN總線操作面板則在兼顧操作體驗和優化線束上做了綜合提升，系統布線變得非常簡單，電源和CAN網絡的簡單連接就可以實現十幾個甚至幾十個輸入操作的集成。總線面板的背光功能使得即使沒有輔助照明的夜間操作也變得容易，不同顏色的多色LED及多狀態反饋使得診斷變得直觀友好。更為重要的是，IP67的防護等級，50萬次以上的按鍵壽命，對控制器資源的節約更是傳統機械開關無法比擬的。

4核心件的選型和匹配

控制系統核心件通常包括控制器、顯示屏、智能分布式IO、總線操作面板、遙控器及配電單元等，在進行系統核心件選型前，首先必須明確系統的資源需求。典型的資源類型主要有輸入和輸出。其中：輸入類型通常包括各種開關量（高有效/低有效或兩線制傳感輸入）、模擬量（電壓型/電流型/電阻型）、頻率量（或者正交編碼輸入、計數輸入）等；輸出類型通常包括數字開關型輸出（MOSFET輸出/繼電器輸出）、PWM輸出（脈寬調制輸出）、PWMi輸出（帶電流閉環反饋的輸出或恒流模式輸出）、H橋輸出（直流有刷電機正反轉驅動）、4~20mA輸出，以及0~5V/0~10V輸出等。確定資源需求后，結合輸入和輸出的物理分布情況，可以選擇集控方式和分布式方式，如為集控方式則相對簡單，選擇資源匹配的控制器即可；如果為分布式方式，則要考慮資源的合理分配，控制器、智能分布式IO如何合理搭配，既簡化系統線束設計，又不犧牲系統的性能，實現資源優化配置。人機交互方面，是否需要顯示屏、總線面板，則要結合實際使用和操作的需要進行配置。

5電控系統設計中應遵循的原則和應對策略

在電控系統設計中，為保證系統的可靠性，降低系統維護成本，需要遵循一些共性的設計原則和應對策略。5.1負載驅動能力考量。在專用車上裝控制系統中，常用的被控對象為液壓系統或氣動系統的閥組。一般閥的負載電流不超過3A，但當系統中同時有多個閥動作時，單個控制部件的總負載驅動能力是一個必須考量的因素，特別是當環境溫度較高時，要適當考慮系統降容，否則可能導致控制單元在高溫環境下工作異常，例如觸發溫度保護或端口過載燒毀。此外，除了考慮常溫額定負載和高溫下的負載能力外，在系統驅動電源保護元件的選擇上，還要考慮負載短路或啟動瞬態可能導致的不合理觸發保護。例如，正常情況下，系統額定最大常態負載不超過20A，此時，如果保險選擇為25A，則當多個負載同時工作，若其中某一個負載發生短路，則可能觸發保險動作，造成不必要的停機或系統作業中斷。實際上，控制單元的輸出保護可以確保系統只是單個短路負載輸出異常保護，并不需要觸發系統級的斷電保護。5.2安全性設計考量。安全性可簡單地分為控制系統自身安全和設備作業的安全，本文重點討論系統設計中電氣控制系統本身的安全。在許多特種移動作業設備中，手控與電控的融合是一種典型的設計思路，而在專用車移動控制器中，端口復用率一般較高，通常存在部分端口既可以做輸入，同時也可以做輸出的情形。因此，在此類設計中往往容易因設計的不合理而造成電控系統本身的不安全。如圖3所示，當復用端口存在高電平輸入時，如采用手控操作模式，端口高電平電壓將通過輸出晶體管中的體二極管產生倒灌，而此時，如果UBB斷線，且其他高邊開關帶負載開啟，則該復用端口高邊開關的體二極管將會過流損壞。此種情況下，即使控制器內置安全繼電器，也不能完全確保設備安全，因此，設計必要的防倒灌措施是必不可少的。典型的應對措施是在復用端口的輸出端串接二極管，確保手控操作時無倒灌通路的存在。必須注意的是，此時串接二極管的功率要確保負載在額定工作條件下不會過載。5.3抗干擾設計考量。一般而言，控制系統的復雜程度越高，線束就越多，大電流負載也越多，可能導致的系統干擾問題就越嚴重?？刂葡到y核心件的抗干擾能力有通用的評價標準，如IEC61000-4所涵蓋的靜電放電、電快速瞬變脈沖群、雷擊/浪涌、射頻場感應的傳導抗擾度和射頻電磁場抗擾度等[3]，以及ISO7637所涵蓋的脈沖1至脈沖5所代表的車輛電源系統在不同情況下產生的干擾。不同的器件制造商可能在標準的嚴酷等級上存在差異，但更多的系統級抗干擾設計是單個器件廠家所無法處理的，典型的如系統地線的處理和CAN總線的抗干擾處理。5.4接地設計考量。在電氣系統中，通常將地平面定義為零電位點，也就是整個系統的電氣參考平面。在基于電瓶提供系統電源的非道路移動設備中，零電位點其實就是電池負，而通常電池負極會直接與上裝的主金屬件連接，此時系統的參考平面也就是整個設備的搭鐵[4]。地線并線或與搭鐵的并線不合理可能導致的一個典型現象是：系統模擬量不穩或隨著某個或某幾個負載的啟動而陡升或陡降。此現象產生的根本原因在于有大的電流從模擬線路的回路流經，使得控制單元的參考平面與真正的零電位點（電池負）存在壓差，并且由于流經電流的不穩定變化，導致該壓差隨著負載而波動，最終反映出來的現象是系統部分模擬采集參數的不穩。在具體的線束布置中，首先，模擬地與數字地要分開布線，且模擬地間進行單點連接；其次，存在大負載電流回流的地線要以盡可能短的回路路徑連接至電池負。5.5CAN總線設計考量。CAN總線是德國BOSCH公司開發并最終成為國際上應用最廣泛的現場總線，因為其顯著的優越性，CAN總線在汽車系統中迅速普及并沿用至今。通常為降低系統成本，大部分設計者采用普通的線纜進行總線連接，甚至在節點連接時也沒有分支網絡結構。系統設計中應該優選總線型網路拓撲結構，如圖4所示，對于復雜的不規范網絡結構，如果存在總線型和星型混合型布局，建議在網絡中加總線路由解決。為增強CAN網絡的抗干擾能力，推薦使用雙絞屏蔽線纜，并進行單點接地處理，終端電阻應置于總線型網絡最遠的兩個節點處。特別要注意的是，波特率的選擇對總線的抗干擾也尤為重要，總線波特率越低，負載率越低，網絡的抗干擾能力也就越強。

6軟件系統的魯棒性設計

電控系統可靠性的一個重要保證就是軟件系統的魯棒性。不同的非道路移動機械基于特定的工況對軟件系統的可靠性指標會提出不同的要求。通常，安全性、冗余備份、異常處理機制等這些措施是均需考量的共性因素。6.1啟停機保護。這里所述的安全性不同于系統硬件的安全設計，主要關注的是軟件上的靜態和動態安全處理，包括：設備的安全啟動和停機保護策略，作業狀態下的互斥和互鎖保護策略等。通常，非道路移動機械的動力來源于汽油或柴油發動機，而發動機啟動所導致的系統電源波動有著特殊的特性曲線，不同設備、不同系統，甚至同一類型設備，所表現出來的特性都存在差異。典型的特征就是：電源會隨著發動機的啟動發生劇烈變化，電壓存在百毫秒級的驟降、跌落而后恢復，整個過程伴隨著振蕩和抖動。此時，控制系統的很多部件可能都工作在不確定狀態，包括控制器，在這個短暫的過程中，控制器可能經歷了上電啟動—初始化—斷電—再上電啟動等多個循環。在這個過程中，時間因素和狀態因素都是變化的，甚至每次發動機的啟動過程都是隨機變化的。因此在軟件設計中，系統上電至初始化完成再至正常工作，這個過程需要綜合考量輸入輸出設備狀態的突變和不確定性（特別是輸入的不確定可能導致的誤判斷），以及軟件初始化和自檢的完整性。軟件設計上，基于特定的發動機啟動特性的啟動延時保護機制是必須考量的一個關鍵因素，如可以參照ISO7637Pulse4的典型曲線圖，在t6、t7、t8和df的持續跌落時間過程中，避免進行存儲器的寫操作和任何的對外輸出使能。6.2互斥和互鎖保護。作業狀態下的互斥和互鎖保護策略是安全作業的保證，是保證設備安全和人員安全所要考慮的核心內容。例如，在高空作業設備中，調平裝置一旦到位，無論是機械上還是軟件上都必須鎖死，對解鎖要有嚴格的必要充分條件要求。又如在環衛作業的洗掃車中，車輛在行駛過程中，無論如何，垃圾箱是不允許傾翻的，軟件上必須考慮到操作人員的誤操作和其他感應部件的誤觸發情況。6.3數據完整性保護。在大多數情況下，所關注的軟件冗余備份更多的是關鍵數據的備份和存儲。通常，設備的開機次數、作業時長、行駛里程、位置信息和作業狀態參數等屬于需要永久性存儲和備查的關鍵數據。這些數據一般存儲在控制單元的內部FLASH或EEPROM中，但當系統異常斷電時，受限于這些存儲器的物理特性，即時的工況數據是無法保存的。因此，對于非常關鍵的數據，建議直接存儲至FRAM或MRAM，鑒于這兩種存儲器幾乎沒有擦寫壽命限制和極速寫入的特性[5]，可以在軟件中進行非常簡單的操作，以達到安全保存關鍵數據的目的。當然，控制器首先要在物理上支持該類型的存儲器。6.4異常處理機制。異常處理機制在大部分非道路移動機械軟件系統設計中都是存在的，典型的如混凝土泵車，在設備進行混凝土澆筑作業過程中，如果控制系統主控CAN網絡異常，系統的協同無法進行，混凝土在輸送管中無法排出，超過一定的時間，混凝土一旦凝固將導致整個輸送管路系統報廢。此時，控制系統軟件可以啟動特殊作業模式，依賴有限的輸入輸出資源實現強制泵送，保證作業繼續進行。

7結束語

本文分析了近年來國內外非道路移動機械電控系統的發展現狀，針對非道路移動機械電控系統的典型設計和應用，探討了一些共性的原則和應對策略，重點闡述了人機交互層的優化設計、核心件的選型與匹配、硬件設計中的負載驅動能力、安全性和抗干擾能力設計，以及軟件設計中應該注意的數據安全、冗余備份、異常處理機制等，為提升非道路移動機械電控系統的設計水平提供思路。

參考文獻

[1]燕來榮.工程機械的現狀及未來發展趨勢[J].中國重型裝備，2008（3）：30-34.

[2]陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

[3]BSEN61000-4-1：2007.Electromagneticcompatibility（EMC）[S].

[4]何勇，楊求光.汽車線束搭鐵設計[J].汽車電器，2014（10）：6-8.

[5]趙巍勝，王昭昊，彭守仲，等.STT-MRAM存儲器的研究進展[J].中國科學：物理學力學天文學，2016，46（10）：70-90.

作者:羅軼峰 單位:長沙碩博電子科技股份有限公司