框架车举升电气控制系统改进设计及其系统试验.docx
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框架车举升电气控制系统改进设计及其系统试验
框架车举升电气控制系统改进设计及其系统试验
第一章绪论
1.1引言
人类进入21世纪，现代汽车工业已经进入成熟期，其重要标志是汽车技术向机电一体化迈进，汽车电子化程度不断提高。
从21世纪初到今后10年，汽车机电控制技术作为工程技术己经成熟。
在这一阶段中，不仅汽车本身达到智能化，其中包括交通管理系统、车辆交通和地面计算机系统、智能交通指挥系统，而且还要发展应用汽车的诊断与监测系统、汽车通信系统和驾驶员信息系统。
电子工业为汽车工业提供了大量更先进、灵巧的稳定电源，传感器和具有大容量内存的8位或16位微处理器。
汽车的总体设计将在机电系统协调的基础上进行，并注重汽车机电一体化的整体设计。
汽车电子控制技术的重点将由解决汽车部件或总成的自动控制问题，开始向广泛应用计算机网络与信息技术发展。
使汽车更加自动化、智能化，并向解决汽车与社会融为一体等问题转移。
由于机电控制技术的应用范围越来越广，汽车电子设备的成本有的已占汽车总成本的1/3，美国福特车公司生产的汽车上最多装有7个微处理器；日本丰田汽车公司滑翔机牌汽车上已使用24个微处理器；有的汽车上装有上百个各类传感器；德国拜尔公司汽车的电子设备占总成本的37%，美国福特汽车公司占15%-20%。
21世纪生产的轿车90%左右将采用微机控制装置，而对于除了日常公共或非公共交通运输以外的工业生产中广泛运用的特种车辆，普遍认为汽车机电控制技术今后将会有更大的发展。
在汽车工业发达国家，汽车已进入了电子控制时代。
1.2课题背景及意义
1.2.1课题的来源及背景
本课题来自宝山钢铁集团股份有限公司运输部的MPIK120T型框架车。
框架车是重型特种运输车的一种，升降式框架车是在20世纪70年代首先由德国人开发研制的，它的雏形用于考古期间的大件驳运，随着技术的发展和应用的普及，在80年代中后期举升框架车广泛应用在欧洲的船厂、石油平台、罐体、钢厂、海港工程、波音公司等企业的大件、重件运输，车辆承载能力范围从60T-10000T，欧洲已建立重载运输车辆同盟（TII），目前欧洲制造框架车主要公司由KIROW、SCHEUERLE、KAMAG、意大利的NICOLA，随之在美洲和亚洲的日本也发展了相应的框架车，主要有美国的PALLING公司，日本的SHINKO公司、TCM公司等陆续使用了框架车。
1、概况
宝山钢铁集团股份有限公司运输部1997年从德国SCHEUERLE公司引进了载重为60T/90T/120T/140T的MPIK升降式运输车（见图1-1）14辆，占全部框架车（23台）的61%。
MPIK120T框架车在液压上采用浮动支撑型式。
它一共有7对支腿，其中承重腿有5对，其支腿上安有液压油缸，以控制其升降高度。
该车在电控上采用单板机控制来保障行驶中的安全，主要用于宝钢厂区内原料及产成品等货物运输，例如：
钢卷、板坯、管坯、线材等。
电子升降系统是升降式运输车的核心，前期采用的形式有单板机，目前有EXM模块、PLC系统，整个升降系统实现了车辆依据负载特性进行自动平衡升降，并计算装载重心、位置高度和轴荷，图形监控，人机界面清晰、舒适。
图1-1MPIK型框架车外形图
2、升降式运输车的操作工艺
框架车的基本作业过程如下：
驾驶员将车辆行驶到承载重物的框架下面后，操作电子平衡升降系统，通过液压元件的配合，平衡地将物件升至安全的高度，之后货物随车辆进行驳运；反之，驾驶员操作电子平衡升降系统使车辆平衡下降脱离货物。
其平衡性由安装在四周车桥摇臂轴（命为A、B、C、D四点）上的位置传感器来保证。
3、研究对象主要性能
在德国引进的60T/90T/120T/140T的MPIK框架车中，本文研究对象是120T型MPIK升降式运输车，其主要性能有：
净载126000kg、总长约16000mm、总宽3000mm、平台最低高度约1440mm、行驶时平台高度1740mm、平台最大高度2040mm、升降高度600mm、发动机功率输出381KW/2100r/min、平路上空载速度约30km/h、重载平路上速度约20km/h、重载爬坡度约11.0%、升降速度约0.02~0.03m/s、牵引力约210KN、启动蓄电池2*12V/143Ah。
1.2.2研究对象简介
1、MPIK升降式运输车原电子升降控制系统硬件
宝钢股份集团运输部从德国引进的的MPIK的升降式运输车电子升降控制系统，采用通用单片机来构成控制系统，其硬件系统（见图1-2）由单片微机及其接口、传感器、功率放大器、显示器和操作单元等部分组成。
图1-2框架车升降电子系统主要硬件框图
图1-2中：
单片机系统。
采用双CPU结构，其EPROM中除有监控、自查程序外，还记录了实验得出的大量基准数据和比较值，CPU对车辆升降的各种信号进行检测、判断、输出相关控制信号；
位置传感器。
由电位器组成，它们分别安装在A-B-C-D对应的车桥摇臂轴上。
作用是测ABCD四点的升降高度，它将高度信号转换为模拟电信号送入单片机系统。
A-B-C-D位置如图1-3所示；
图1-3框架车车厢A-B-C-D位置
操作面板。
包括ABCD四点单独升降控制手柄开关、平衡升降控制手柄，用于操作平台升降；
显示器。
由若干个数码显示器组成，可通过附设的功能切换开关来设置和显示各种相关信息；
压力传感器。
由液压开关组成，用于测试ABCD各点的最大压力（240BAR）和最小压力（5BAR），所得开关信号送到CPU，开关接通立即报警；
液压比例阀。
接受CPU来的控制信号，通过驱动电路分别控制ABCD四个升降油缸完成各点的升降。
2、MPIK框架车原电子升降控制系统软件
MPIK升降式运输车原电子升降控制系统软件主要框图如图1-4所示。
控制原理：
发动机启动后，CPU进行自检，并同时检测目前各传感器状态。
车辆在升降时，CPU将ABCD四个位置传感器的高度数据采集到RAM中，分析车体各点的高度差，计算后修正当前的输出信号，达到优化控制车辆平衡升降，例如：
在上升时，对高度低的某一点增大控制线圈电流，从而使液压元件增加供油量，增加它的上升高度；反之，减少线圈电流，降低液压元件的供油量，达到与其它高度的一致，始终控制车辆在升降时，其ABCD四点高度误差在平衡要求的范围之内。
图1-4框架车升降电子系统主要软件框图
3、MPIK框架车存在安全问题
现在面临的是一种上世纪的老型号的升降式运输车，且至今已使用了8-9年。
目前MPIK升降式运输车电器工作时间达38000h，机械装置按照2/3或3/4，行驶速度按15km/h折算，使用超过了37万公里，由于车辆无普通车辆的悬挂装置，受转弯多、路况差、负荷高的影响，引发车辆的振动、冲击严重，长期连续工作，使得电器系统的故障频率增加。
MPIK120T升降式框架车的作业过程，这里主要是指其升降过程和行走过程。
MPIK120T升降式运输车在作业过程中存在的安全性方面的问题，主要表现在两个方面：
一、车辆本身设计方面的原因
在长期问题跟踪和对历史18个月的数据统计分析，发现目前MPIK系列升降式运输车举升电子控制系统长期使用存在以下主要缺陷：
（1）、传感技术落后
从传感器传送精度上讲，电压变化范围6－16v，行程600mm，由于采样能力差，刻度计算到0.01，系统控制平衡精度为10％（60mm）；并且由于受到不同方位的振动、冲击，电位计传感器经常出现转轴卡滞，电阻环磨损，焊头断根，弹簧片失效等情况，造成检测误差值高信号波动大。
引发问题：
平衡度差。
系统平衡工作因为信号波动大精度差而受到影响。
平台倾斜度变大，并时有前后的或左右的震荡情况发生（严重时会倾覆）；
（2）、显示功能差
目前在用的单板机系统无法实现图像界面、监控数据、故障码、报警和运行装载重量及重心告知等功能。
引发问题：
操作者无法及时全面地了解系统工作的状态，难免发生操作过当，形成安全隐患。
（3）无互锁
升降系统和行走系统缺少互锁
引发问题：
在行走过程中经过小面积（2m2）凹陷区时，因升降系统的作用会造成平台倾斜。
严重时，可能发生倾覆现象。
以前此类问题确有发生。
（4）单板机系统使用寿命短，可靠性较差
单板机系统基板受损、性能下降，部分车辆上CPU和EXP两块单板机印刷板铜皮脱落，部分元器件尤其是ACT540、80C517和80C537芯片损坏情况增加，显示器上的数码管损坏，这都是线路板性能衰退的现象。
引发问题：
举升故障率高。
（5）环境适应能力差
单片机因为其自身的温度、湿度、振动的防护要求高成为其弱点，现场实际工作温度在80℃左右，振动较强，雨天或梅雨季节湿度很大，故难以维护保养。
引发问题：
容易出现死机和无法初始化的情况。
（6）无电源保护措施
系统的蓄电池正常输入电压范围在（22－28）VDC之间，但原单板机系统（工作电压24VDC）没有电源保护装置。
引发问题：
电源模块发热量过大，使用寿命低；当输入电压处于上限时（28VDC），电路板中其它元件被烧坏的情况时有发生。
上述第（4）-（6）条原因，产生的直接后果是停机，使故障率上升。
据统计，升降故障的累计停时已达1498h，占到0-2h故障停时的63.5%。
但若在平衡调整过程中停机、信号输入/输出通道所用芯片损坏、或程序因环境影响而错误执行等，都有可能造成安全事故。
二、操作者操作方面的原因。
升降式运输车无论升降还是行走，都要依赖于人的正常操作。
倘若有些操作不完全按规程要求或虽按规程操作而不到位，也会产生安全隐患或造成安全事故。
1.平台升降操作时高度太高或太低行驶时，平台高度太高，容易在转弯时翻车或货物滑移甚至跌落；平台高度太低，容易碰到路面的东西，造成载荷框架移位，严重时甚至跌落；
2.装载时货物重心偏离平台中心升降时，容易产生平台倾斜或某一路油压过高，故行驶途中可能发生安全事故；
3.装载时货物超重因油路压力过高造成举升困难，行走时因颠簸可能造成油路故障；
4.装载时货物固定不妥行驶中紧急制动或急转弯时，货物容易滑移或跌落。
5.行驶中超速转弯时，容易翻车或货物滑移/跌落；
6.行驶中转弯半径过小容易翻车或货物滑移/跌落；
7.行驶中紧急制动货物容易滑移或跌落。
1.2.3课题研究意义
一、社会意义
升降式运输车在我国运用日渐增多，但随着国家经济建设、基础设施的投入，目前铁路网，道路桥梁、西气东输、南水北调等一系列重大项目的启动，大件物流运输显得十分重要。
掌握国外重载车辆举升原理，研发一种有自主知识产权、性能优良、可靠性高、经济性好、有着广泛应用前景的升降平衡控制系统十分重要。
同时可以通过对德国MPIK升降式运输车举升单板机系统进行改型设计，来解决宝钢目前升降式运输车性能衰退，故障高的现状，并通过技术创新，提高设备的运动控制精度、确保系统安全性、稳定性和可靠性。
二、经济意义
据不完全统计，近两年投入电器的升降系统的维修费都在100万元左右，并有逐年增加的趋势。
因故障停工造成的损失还未计算在内。
由此可见，该举升控制系统的研究开发具有明显的经济效益。
1.3该项目的现状
1.3.1国外研究现状
目前世界特种运输车90%以上的整车市场由德国KAMAG、索埃勒（SCHEUERLE），意大利NICOLAS等公司占有。
国外对框架车的举升系统已经成熟，无论德国的SCHEUERLE公司、日本的SHINKO公司，还是美国的PALLING公司，就举升的控制方式主要采用的有液压方式、单片机方式和PLC方式升降式。
1.在韩国浦项钢厂有液压式，其采用4点平衡油缸进行压力控制，其结构简单，但平衡油缸制作要求很高，使用寿命因工况和装载量变化较大，并且无法实现多机群控模式；
2.单片机形式和PLC形式在宝钢都有在用车型，单片机相对PLC其稳定性和可靠性较差，目前框架车采用MITSUBISHI公司的PLC，其编码器用数字信号进行输入，稳定性抗干扰能力明显提高，但与其配套的液压系统是KAMAG设计采用变量预设定，通过流量控制实现举升，液压系统存在缺陷，使得PLC中的程序不适用于经典的负载压力反馈闭环系统；
3.MPIK框架车液压系统SCHEUERLE公司设计，采用经典的负载压力反馈闭环系统，由单片机流量和压力同时控制，从控制合理性和难度上分析，比目前PLC更高一些，但从控制的稳定性、可靠性上存在不足。
4.单板机和PLC系统都缺少DC-DC电源保护，升降系统和行走系统缺少互锁。
1.3.2国内研究现状
根据资料检索，升降式运输车目前国内在研发方面有长足的进步。
但对于技术含量和单台售价较高的重型工程运输车，其液压系统基本是成套地从国外引进。
通过引进消化、自主开发，国内目前能生产动力平板运输车的厂家主要是：
湖北三江航天万山特种车辆有限公司、郑州大方桥梁机械有限公司、江苏江扬船舶集团公司特种车辆厂等。
这些重型平板运输车厂家的产品主要用于船厂、大型钢厂、路桥工程等。
1、WTW系列重型平板运输车
武汉理工大学与湖北三江航天万山特种车辆有限公司联合开发的重型平板运输车，最大载重量可达470t。
被广泛用于造船厂钢结构船体分段在工序之间转运，也适用于大型钢厂和公（铁）路特大型混凝土预制构件的运输。
其主要技术指标见表1-1
2、900吨动力型平板运输车
目前我国最大吨位的900吨动力型平板运输车，由郑州大方桥梁机械有限公司于2004年12月总装调试、试验成功，该车是有56个直径1.9米轮胎的自行式全液压动力平板运输车，适用于特大、特重件的运输。
3、DCY100型动力平板运输车
该车是一种具有多输入、多输出、行走桥和转向机构分布式布置、功能复杂的机电一体化车辆，在实现灵活可靠操纵和完成作业任务的同时，进行状态监测和诊断维护基于现场总线的分布式系统具有功能分散、节点自治、便于故障诊断和安装维护成本低等特点。
其重要技术指标见表1-1。
4、江扬130型升降式平台运输车
江苏江扬船舶集团公司特种车辆厂与江苏理工大学联合研制的130吨升降式平台运输车，其主要技术指标见表1-1。
表1-1国内主要厂家升降式平台运输车主要技术指标
型号
WTW100
DCY100
江扬130
额定载重量（t）
100
100
130
外型尺寸（m）
11×5
10.5×5
12×5
平台高度+行程（mm）
1400+700
1400+600
1600+700
轴载重量（t）
16
16.25
28
空载行驶速度（Km/h）
12
12
—
满载行驶速度（km/h）
6
6
4
满载爬破能力（%）
纵6/横2
纵6/横2
—
发电机功率（kw）
161
150
162
发电机转速（r/min）
2300
2300
2300
1.4课题研究目标及研究任务
1.4.1研究目标
本课题研究的目标是：
在分析研究原举升控制系统的基础上，针对在用举升控制系统的缺点，借鉴国外先进技术，研究一套先进的、适用于MPIK升降式运输车的举升控制系统。
重点是要解决如何提高控制精度和提高安全可靠性。
1.升降式运输车举升电控系统的功能和指标
改造后的MPIK升降式运输车举升系统应具备的主要功能和应达到的主要技术指标：
（1）升降系统具有单点升降、整体升降的手动和自动功能；
（2）在空车和额定负载内（0-126T）装载情况下，平台均能被平稳举升，即：
无前后的或左右的震荡及倾覆；
（3）具备初始数据的录入，异常数据的下载功能。
（4）人机界面具备升降位置分层处理、位置高度显示、油路压力显示、车体重心区域、重心位置、负载和故障码等数据的显示和图像功能；系统位置失衡告警功能，
（5）平台升降和车辆行走实现互锁；
（6）具有电源保护功能
（7）车体各点升降平衡误差为5%（30mm），高度范围内信号检测精度为0.001m。
（8）称重系统检测精度≤1t；显示精度1t；系统称重的误差范围±1t。
（9）电箱具有温控能力，使电子器件工作环境适应能力达到：
温度≥80℃、湿度≥80%。
1.4.2研究任务
本课题的主要任务是对德国升降式运输车的举升单板机控制系统进行改造，运用工控广泛使用的PLC来提高控制系统的可靠性和稳定性。
主要研究内容有以下几点：
（1）对系统控制组件进行选型和组装；
（2）设计控制系统硬件电路；
（3）设计控制系统程序初始化、手动升降、GOT显示等主要功能模块；
（4）设计控制系统程序报警系统、异常数据下载等附加功能模块；
（5）对控制系统PLC程序进行调试和实验室试验。
第二章框架式运输车举升控制系统
2.1控制系统总体设计方案
2.1.1系统设计思想
本系统设计遵循如下原则：
（1）选用高可靠性的主控系统
本系统设计的指导思想是运用广泛使用的成熟PLC替代单板机系统，以减少备件及修理投入，提高车辆设备利用率、完好率和可靠性。
该控制系统，且具有良好的工作稳定性和可靠性。
（2）总体性能上应高于原控制系统
本方案改造对象为1997年引自德国SCHEUERLE公司的MPIK120型升降式运输车。
根据MPIK升降式运输车原电子升降控制系统的缺陷，本系统拟增加如下功能：
温控、电源保护、互锁、称重系统、重心位置及其安全区域确定、以及若干参数的监测与报警功能等。
由于未能查到专门介绍升降式运输车电子升降控制系统的参考文献，故只能在宝钢就地取材，将宝钢在用的升降式运输车的电子升降系统加以比较分析，吸收各自的优点为我所用。
在分析研究了宝钢近几年引进在用三种升降式运输车的电子升降控制系统后，吸取了它们各自的优点：
如：
原德国车液压驱动控制采用的比例阀；三菱150T型升降式运输车（2002年引进）控制系统中的四点称重方法、用触摸屏显示重心位置及安全区域标识；德国新型升降式运输车（2005年引进）控制系统中高度位移测试方法。
并结合我国国情针对在实际工作中遇到的问题，增加了DC/DC电压转换、过电压保护以及升降系统与行走系统互锁等功能。
2.1.2系统主要性能特点
鉴于原车型存在诸多不安全因素，致使升降控制系统的工作可靠性和稳定性方面出现了不少问题。
因此，本系统的主要特点就是系统运行具有较高的安全性。
本系统在安全可靠性方面主要作了以下几点考虑：
（1）元器件选择：
主控制器选用三菱PLC，其余器件尽量选用国外知名产品，个别元器件选用国内质量信得过产品；
（2）提高平台高度位移检测精度和升降平衡度，使平台在升降运动时无前后的或左右的震荡及倾覆；
（3）人机界面具有车体重心区域、重心位置、和故障码的显示功能；
（4）运行参数监测及报警：
当系统发现有不安全因素存在时，则及时报警，必要时停止升降操作。
例如：
当油路压力大于240bar时,则报警并停止上升操作。
（5）故障处理：
可防止可能的误操作或故障情况下出现不良后果。
例如：
突然停电，平台高度位置可以被记忆，系统重新启动后可以显示原高度位置；
（6）互锁：
车辆行走时，禁止载荷平台升降运动，以保证车辆运输途中载荷平台平衡位置基本不变。
（7）电源保护：
安装了DC/DC电源转换装置及过电压保护装置，可避免因电源大幅波动（22-28）VDC造成的控制逻辑错误以及元器件的损坏；
（8）电箱温度采用半导体空调进行自动控制，使电子器件工作环境适应能力达到：
温度≥80℃、湿度≥80%。
其中，第（6）-（8）点是本系统的特色。
2.1.3主控系统及控制方式的选择
1、主控系统选择
控制系统关键之一就是核心控制器的确定。
日前，升降式运输车数字控制器有三种主控系统可供选择：
（1）以可编程控制器（简称PLC）为核心开发的控制器；
（2）以通用单片机为核心开发的控制器；
（3）以专用控制型电脑芯片为核心开发的控制器
对于升降式运输车的升降控制系统来说，应用PLC可以大量节省外围驱动电路，使得升降控制系统变得简洁。
相比较而言，工控机在野外的适应能力不足，单片机的外接驱动能力不足。
实际上PLC作为升降式运输车的控制器在目前来说已经成为一个趋势，在功能上，小型PLC不再局限于开关量的处理，而满足诸如人机通话、通信、运动控制、高速数据处理、温度控制等众多要求，同时，PLC的相关配套功能模块品种丰富，在其中可以找出最合适的模块组合而成一个兼容性和稳定性具佳的系统，并且可以大大缩短开发的周期，因此本系统采用PLC作为控制系统的控制单元。
2、控制方式选择
自动控制系统的基本类型按给定量的运动规律可分为：
定值控制系统、随动系统、程序控制系统。
升降式运输车升降及自动调平系统属于随动系统。
随动系统又可称之为实时控制系统，基本特点是它的实时性、应用对象的专用性[14]，包含以下四个方面的内容：
（1）实时数据采集。
及时采集被控对象当前输出的信息，以防丢失，将它们转换为模拟电信号。
（2）实时决策运算。
采样数据是反映生产过程状态的信息，微机对它们经过比较、分析、判断生产过程参数是否偏离预定值、是否达到或超过安全极限值等，及时按预定控制规律进行运算做出控制决策。
（3）实时控制。
微机及时将决策结果形成控制量输出，作用于执行机构，校正被控对象参数。
（4）实时报警。
如果被控对象参数超限或系统设备出现异常情况，微机应能及时发出声光报警信号，并自动地或由人工进行必要的处理。
2.2控制系统硬件简介
2.2.1系统控制框图
系统硬件设计时，主要应考虑PLC、高度位移传感器和比例放大器的选择。
由于汽车蓄电池标称电压为24VDC，所以控制系统所有电器元件的工作电源都必须采用24VDC。
设计的电子举升控制系统硬件框图如图2-1所示：
图2-1电子举升控制系统主要硬件框图
在图2-1中：
（1）PLC系统包含了底板、电源组件、CPU组件、开关量I/O组件、模拟量I/O组件等。
其主要作用是完成各种信息采样、处理和系统所需各种动作的控制以及系统所需各种信息的显示；
（2）传感器组包含了压力传感器、磁致伸缩位移传感器以及温度等的检测与转换为电压量。
（3）A/D、D/A的作用是完成模拟量和数字量之间的转换。
（4）操作面板是指被保留的原操作面板，主要是手动/自动操作手柄，分别控制四点单独的升降与整体自动升降；
（5）比例阀组的作用是通过控制比例阀的开度来控制油缸的油位，从而达到控制平台高度的目的；
（6）图形显示系统的主要硬件就是触摸屏，主要显示各点升降高度、压力、比例阀开度、以及载重吨位、重心位置、故障代码等以及若干报警信息；
（7）DC/DC。
可将蓄电池的电压（22-28）VDC转换成24VDC的稳定电压，以供控制系统各元器件使用。
（8）蓄电池是原德国MPIK升降式运输车举升控制系统中被保留的部件。
其实它是整个升降式运输车的电源，配置为2*12V/143Ah。
（9）初试录入设备是原德国MPIK升降式运输车举升控制系统中被保留的部件。
在初始化（工作需要时）设置控制参数时使用。
本课题改造对象为德国MPIK.120.7D-C001.框架车，在了解上述硬件构成的基础上，整个系统的工作过程可描述如下：
自动工作情况下，先在初始化期间设置好控制参数，按一下上升键，平台将平稳地上升到指定的高度，尔后允许行走指示灯亮并锁闭升降系统；运送到目的地后，升降系统自动解锁允许操作，当按一下下降键后，平台则平稳地下降到地面。
同理在升降过程中，行走系统也被禁止操作。
在升降过程中，系统具备即时重力测量、位移测量、重心位置计算、平稳性控制等功能，当车体的重心位置落在安全范围之外时，系统能够立即报警并运行相应的调平程序。
整个系统还具有即时可靠的故障处理系统，防止可能的误操作或故障情况下出现不良后果。
如在故障情况下（失电），平台高度位置被记忆，系统重新启动后可以显示原高度位置。
2.2.2系统特色电路设计方法简介
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