非道路移動機(jī)械電控系統(tǒng)設(shè)計研究

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摘要:針對非道路移動機(jī)械電控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，分析近年來國內(nèi)外非道路移動機(jī)械電控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及電控系統(tǒng)設(shè)計思路，重點探討人機(jī)交互層的優(yōu)化設(shè)計和核心件選型與匹配，結(jié)合實際應(yīng)用，提出進(jìn)行負(fù)載驅(qū)動能力設(shè)計、安全性設(shè)計、抗干擾能力設(shè)計時應(yīng)遵循的共性原則和應(yīng)對策略。

關(guān)鍵詞：非道路移動機(jī)械；電控系統(tǒng)；安全性

1非道路移動機(jī)械電控系統(tǒng)現(xiàn)狀

近年來，隨著電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，非道路移動機(jī)械電控系統(tǒng)從傳統(tǒng)的以PLC為核心向以專用控制器為核心升級演進(jìn)[1]。在工程實踐中，越來越多的主機(jī)廠和客戶發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的以PLC為核心的電控系統(tǒng)存在諸多弊端，不適用相比工業(yè)自動化場合環(huán)境要惡劣得多的非道路移動機(jī)械，例如嚴(yán)酷的高低溫條件、高振動、高沖擊、高防護(hù)等級要求，以及惡劣的電磁環(huán)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(tǒng)克服了傳統(tǒng)電控系統(tǒng)的弊端，極大地提升了系統(tǒng)的可靠性、故障診斷能力、人機(jī)交互的友好性和信息化水平。但受限于各自發(fā)展水平和諸多因素的影響，各個細(xì)分領(lǐng)域的電控系統(tǒng)水平參差不齊，在實際設(shè)計和應(yīng)用過程中暴露出諸多共性問題。本文針對非道路移動機(jī)械電控系統(tǒng)的典型設(shè)計和應(yīng)用，探討一些共性的思路、方法和應(yīng)遵循的設(shè)計原則，同時討論如何避免不合理的設(shè)計，保證系統(tǒng)的魯棒性，提升電控系統(tǒng)設(shè)計水平。

2常用非道路移動機(jī)械電控系統(tǒng)總體設(shè)計思路

在工程實踐的具體設(shè)計時，首先需要明確系統(tǒng)的實際需求，從輸入輸出的數(shù)量、類型，人機(jī)接口的方式，布置與布線等細(xì)節(jié)著手，做好系統(tǒng)框架方案設(shè)計，具體包括：人機(jī)交互設(shè)計、控制系統(tǒng)核心件的選型與匹配、系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計、線束設(shè)計及系統(tǒng)軟件方案等。電控系統(tǒng)的整體構(gòu)成形態(tài)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(gòu)成形態(tài)，一般系統(tǒng)中所有的輸入、輸出均集中在一個控制器中，輸入的采集、運(yùn)算、處理及作業(yè)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(dān)系統(tǒng)輸入的采集和控制輸出的執(zhí)行。在中小型電控系統(tǒng)中，集中控制方式為主流形態(tài)，但集中控制方式也并非適用所有的中小型系統(tǒng)。當(dāng)被控對象分散、輸入輸出種類復(fù)雜，往往很難選到合適的控制器來滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，或者即使有資源比較配套的控制器，但設(shè)計線束可能非常復(fù)雜，造成成本增加，同時也增加了系統(tǒng)的不可靠因素，為后期系統(tǒng)維護(hù)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(jī)械上裝電控系統(tǒng)中的廣泛使用，使得分布式控制方式在大中型系統(tǒng)設(shè)計中處于明顯的優(yōu)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(jī)系統(tǒng)，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(shè)備，各自構(gòu)成輸入感知子系統(tǒng)、控制輸出子系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)交互子系統(tǒng)及人機(jī)接口子系統(tǒng)等，各子系統(tǒng)間通過CAN通信網(wǎng)絡(luò)互連。從整個系統(tǒng)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(tǒng)。一般來講，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢和特點：（1）節(jié)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(hù)，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)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(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)[2]。（2）實現(xiàn)了信息共享。各個功能部件的信息及設(shè)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(yùn)行狀態(tài)，便于實時掌握作業(yè)信息。（3）系統(tǒng)功能擴(kuò)展升級更容易。當(dāng)需要增加新的功能時，只需要將新節(jié)點掛接到CAN總線上并升級相關(guān)的軟件程序即可，原來的系統(tǒng)不受影響，能簡單可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展升級。

3人機(jī)交互層優(yōu)化設(shè)計

如圖2所示，傳統(tǒng)人機(jī)接口設(shè)計中旋鈕開關(guān)、鈕子開關(guān)、擋位開關(guān)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(fù)雜，而且機(jī)械開關(guān)往往防護(hù)等級不高，壽命有限。具備圖像、聲光體驗的人機(jī)交互方式，得到越來越多的專業(yè)操作人員特別是年輕人的喜愛。隨著技術(shù)進(jìn)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(shù)正逐步引入到專用車人機(jī)交互領(lǐng)域，并逐步成為發(fā)展趨勢。顯示屏的使用，使其成為設(shè)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(shù)，甚至動畫、語音或視頻直觀地了解和感受設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。很多原來需要依賴各種儀表才能讀取的參數(shù)，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(lǐng)域成熟的電容觸摸技術(shù)引入到工業(yè)應(yīng)用后，操作和交互變得更為便捷，實現(xiàn)了智能手機(jī)操作到專用設(shè)備操作的無縫過渡。在專用設(shè)備領(lǐng)域，相比傳統(tǒng)電阻觸摸，電容屏可以實現(xiàn)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(yōu)化線束上做了綜合提升，系統(tǒng)布線變得非常簡單，電源和CAN網(wǎng)絡(luò)的簡單連接就可以實現(xiàn)十幾個甚至幾十個輸入操作的集成?？偩€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(tài)反饋使得診斷變得直觀友好。更為重要的是，IP67的防護(hù)等級，50萬次以上的按鍵壽命，對控制器資源的節(jié)約更是傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)無法比擬的。

4核心件的選型和匹配

控制系統(tǒng)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(jìn)行系統(tǒng)核心件選型前，首先必須明確系統(tǒng)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(guān)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(shù)輸入）等；輸出類型通常包括數(shù)字開關(guān)型輸出（MOSFET輸出/繼電器輸出）、PWM輸出（脈寬調(diào)制輸出）、PWMi輸出（帶電流閉環(huán)反饋的輸出或恒流模式輸出）、H橋輸出（直流有刷電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動）、4~20mA輸出，以及0~5V/0~10V輸出等。確定資源需求后，結(jié)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(tǒng)線束設(shè)計，又不犧牲系統(tǒng)的性能，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置。人機(jī)交互方面，是否需要顯示屏、總線面板，則要結(jié)合實際使用和操作的需要進(jìn)行配置。

5電控系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)遵循的原則和應(yīng)對策略

在電控系統(tǒng)設(shè)計中，為保證系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)維護(hù)成本，需要遵循一些共性的設(shè)計原則和應(yīng)對策略。5.1負(fù)載驅(qū)動能力考量。在專用車上裝控制系統(tǒng)中，常用的被控對象為液壓系統(tǒng)或氣動系統(tǒng)的閥組。一般閥的負(fù)載電流不超過3A，但當(dāng)系統(tǒng)中同時有多個閥動作時，單個控制部件的總負(fù)載驅(qū)動能力是一個必須考量的因素，特別是當(dāng)環(huán)境溫度較高時，要適當(dāng)考慮系統(tǒng)降容，否則可能導(dǎo)致控制單元在高溫環(huán)境下工作異常，例如觸發(fā)溫度保護(hù)或端口過載燒毀。此外，除了考慮常溫額定負(fù)載和高溫下的負(fù)載能力外，在系統(tǒng)驅(qū)動電源保護(hù)元件的選擇上，還要考慮負(fù)載短路或啟動瞬態(tài)可能導(dǎo)致的不合理觸發(fā)保護(hù)。例如，正常情況下，系統(tǒng)額定最大常態(tài)負(fù)載不超過20A，此時，如果保險選擇為25A，則當(dāng)多個負(fù)載同時工作，若其中某一個負(fù)載發(fā)生短路，則可能觸發(fā)保險動作，造成不必要的停機(jī)或系統(tǒng)作業(yè)中斷。實際上，控制單元的輸出保護(hù)可以確保系統(tǒng)只是單個短路負(fù)載輸出異常保護(hù)，并不需要觸發(fā)系統(tǒng)級的斷電保護(hù)。5.2安全性設(shè)計考量。安全性可簡單地分為控制系統(tǒng)自身安全和設(shè)備作業(yè)的安全，本文重點討論系統(tǒng)設(shè)計中電氣控制系統(tǒng)本身的安全。在許多特種移動作業(yè)設(shè)備中，手控與電控的融合是一種典型的設(shè)計思路，而在專用車移動控制器中，端口復(fù)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(shè)計中往往容易因設(shè)計的不合理而造成電控系統(tǒng)本身的不安全。如圖3所示，當(dāng)復(fù)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(chǎn)生倒灌，而此時，如果UBB斷線，且其他高邊開關(guān)帶負(fù)載開啟，則該復(fù)用端口高邊開關(guān)的體二極管將會過流損壞。此種情況下，即使控制器內(nèi)置安全繼電器，也不能完全確保設(shè)備安全，因此，設(shè)計必要的防倒灌措施是必不可少的。典型的應(yīng)對措施是在復(fù)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(fù)載在額定工作條件下不會過載。5.3抗干擾設(shè)計考量。一般而言，控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度越高，線束就越多，大電流負(fù)載也越多，可能導(dǎo)致的系統(tǒng)干擾問題就越嚴(yán)重?？刂葡到y(tǒng)核心件的抗干擾能力有通用的評價標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)的傳導(dǎo)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(tǒng)在不同情況下產(chǎn)生的干擾。不同的器件制造商可能在標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)酷等級上存在差異，但更多的系統(tǒng)級抗干擾設(shè)計是單個器件廠家所無法處理的，典型的如系統(tǒng)地線的處理和CAN總線的抗干擾處理。5.4接地設(shè)計考量。在電氣系統(tǒng)中，通常將地平面定義為零電位點，也就是整個系統(tǒng)的電氣參考平面。在基于電瓶提供系統(tǒng)電源的非道路移動設(shè)備中，零電位點其實就是電池負(fù)，而通常電池負(fù)極會直接與上裝的主金屬件連接，此時系統(tǒng)的參考平面也就是整個設(shè)備的搭鐵[4]。地線并線或與搭鐵的并線不合理可能導(dǎo)致的一個典型現(xiàn)象是：系統(tǒng)模擬量不穩(wěn)或隨著某個或某幾個負(fù)載的啟動而陡升或陡降。此現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因在于有大的電流從模擬線路的回路流經(jīng)，使得控制單元的參考平面與真正的零電位點（電池負(fù)）存在壓差，并且由于流經(jīng)電流的不穩(wěn)定變化，導(dǎo)致該壓差隨著負(fù)載而波動，最終反映出來的現(xiàn)象是系統(tǒng)部分模擬采集參數(shù)的不穩(wěn)。在具體的線束布置中，首先，模擬地與數(shù)字地要分開布線，且模擬地間進(jìn)行單點連接；其次，存在大負(fù)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(fù)。5.5CAN總線設(shè)計考量。CAN總線是德國BOSCH公司開發(fā)并最終成為國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線，因為其顯著的優(yōu)越性，CAN總線在汽車系統(tǒng)中迅速普及并沿用至今。通常為降低系統(tǒng)成本，大部分設(shè)計者采用普通的線纜進(jìn)行總線連接，甚至在節(jié)點連接時也沒有分支網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)該優(yōu)選總線型網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示，對于復(fù)雜的不規(guī)范網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如果存在總線型和星型混合型布局，建議在網(wǎng)絡(luò)中加總線路由解決。為增強(qiáng)CAN網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力，推薦使用雙絞屏蔽線纜，并進(jìn)行單點接地處理，終端電阻應(yīng)置于總線型網(wǎng)絡(luò)最遠(yuǎn)的兩個節(jié)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(fù)載率越低，網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力也就越強(qiáng)。

6軟件系統(tǒng)的魯棒性設(shè)計

電控系統(tǒng)可靠性的一個重要保證就是軟件系統(tǒng)的魯棒性。不同的非道路移動機(jī)械基于特定的工況對軟件系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)會提出不同的要求。通常，安全性、冗余備份、異常處理機(jī)制等這些措施是均需考量的共性因素。6.1啟停機(jī)保護(hù)。這里所述的安全性不同于系統(tǒng)硬件的安全設(shè)計，主要關(guān)注的是軟件上的靜態(tài)和動態(tài)安全處理，包括：設(shè)備的安全啟動和停機(jī)保護(hù)策略，作業(yè)狀態(tài)下的互斥和互鎖保護(hù)策略等。通常，非道路移動機(jī)械的動力來源于汽油或柴油發(fā)動機(jī)，而發(fā)動機(jī)啟動所導(dǎo)致的系統(tǒng)電源波動有著特殊的特性曲線，不同設(shè)備、不同系統(tǒng)，甚至同一類型設(shè)備，所表現(xiàn)出來的特性都存在差異。典型的特征就是：電源會隨著發(fā)動機(jī)的啟動發(fā)生劇烈變化，電壓存在百毫秒級的驟降、跌落而后恢復(fù)，整個過程伴隨著振蕩和抖動。此時，控制系統(tǒng)的很多部件可能都工作在不確定狀態(tài)，包括控制器，在這個短暫的過程中，控制器可能經(jīng)歷了上電啟動—初始化—斷電—再上電啟動等多個循環(huán)。在這個過程中，時間因素和狀態(tài)因素都是變化的，甚至每次發(fā)動機(jī)的啟動過程都是隨機(jī)變化的。因此在軟件設(shè)計中，系統(tǒng)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(shè)備狀態(tài)的突變和不確定性（特別是輸入的不確定可能導(dǎo)致的誤判斷），以及軟件初始化和自檢的完整性。軟件設(shè)計上，基于特定的發(fā)動機(jī)啟動特性的啟動延時保護(hù)機(jī)制是必須考量的一個關(guān)鍵因素，如可以參照ISO7637Pulse4的典型曲線圖，在t6、t7、t8和df的持續(xù)跌落時間過程中，避免進(jìn)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(hù)。作業(yè)狀態(tài)下的互斥和互鎖保護(hù)策略是安全作業(yè)的保證，是保證設(shè)備安全和人員安全所要考慮的核心內(nèi)容。例如，在高空作業(yè)設(shè)備中，調(diào)平裝置一旦到位，無論是機(jī)械上還是軟件上都必須鎖死，對解鎖要有嚴(yán)格的必要充分條件要求。又如在環(huán)衛(wèi)作業(yè)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(yīng)部件的誤觸發(fā)情況。6.3數(shù)據(jù)完整性保護(hù)。在大多數(shù)情況下，所關(guān)注的軟件冗余備份更多的是關(guān)鍵數(shù)據(jù)的備份和存儲。通常，設(shè)備的開機(jī)次數(shù)、作業(yè)時長、行駛里程、位置信息和作業(yè)狀態(tài)參數(shù)等屬于需要永久性存儲和備查的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)一般存儲在控制單元的內(nèi)部FLASH或EEPROM中，但當(dāng)系統(tǒng)異常斷電時，受限于這些存儲器的物理特性，即時的工況數(shù)據(jù)是無法保存的。因此，對于非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，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(jìn)行非常簡單的操作，以達(dá)到安全保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)的目的。當(dāng)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(jī)制。異常處理機(jī)制在大部分非道路移動機(jī)械軟件系統(tǒng)設(shè)計中都是存在的，典型的如混凝土泵車，在設(shè)備進(jìn)行混凝土澆筑作業(yè)過程中，如果控制系統(tǒng)主控CAN網(wǎng)絡(luò)異常，系統(tǒng)的協(xié)同無法進(jìn)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(dǎo)致整個輸送管路系統(tǒng)報廢。此時，控制系統(tǒng)軟件可以啟動特殊作業(yè)模式，依賴有限的輸入輸出資源實現(xiàn)強(qiáng)制泵送，保證作業(yè)繼續(xù)進(jìn)行。

7結(jié)束語

本文分析了近年來國內(nèi)外非道路移動機(jī)械電控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，針對非道路移動機(jī)械電控系統(tǒng)的典型設(shè)計和應(yīng)用，探討了一些共性的原則和應(yīng)對策略，重點闡述了人機(jī)交互層的優(yōu)化設(shè)計、核心件的選型與匹配、硬件設(shè)計中的負(fù)載驅(qū)動能力、安全性和抗干擾能力設(shè)計，以及軟件設(shè)計中應(yīng)該注意的數(shù)據(jù)安全、冗余備份、異常處理機(jī)制等，為提升非道路移動機(jī)械電控系統(tǒng)的設(shè)計水平提供思路。

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作者:羅軼峰 單位:長沙碩博電子科技股份有限公司