非道路移动机械电控系统设计研究

摘要:针对非道路移动机械电控系统的优化设计，分析近年来国内外非道路移动机械电控系统的发展现状及电控系统设计思路，重点探讨人机交互层的优化设计和核心件选型与匹配，结合实际应用，提出进行负载驱动能力设计、安全性设计、抗干扰能力设计时应遵循的共性原则和应对策略。

关键词：非道路移动机械；电控系统；安全性

1非道路移动机械电控系统现状

近年来，随着电子技术、网络技术的发展，非道路移动机械电控系统从传统的以PLC为核心向以专用控制器为核心升级演进[1]。在工程实践中，越来越多的主机厂和客户发现，传统的以PLC为核心的电控系统存在诸多弊端，不适用相比工业自动化场合环境要恶劣得多的非道路移动机械，例如严酷的高低温条件、高振动、高冲击、高防护等级要求，以及恶劣的电磁环境等。以专用控制器、智能分布式IO、显示屏、总线操作面板等为核心部件的新一代电控系统克服了传统电控系统的弊端，极大地提升了系统的可靠性、故障诊断能力、人机交互的友好性和信息化水平。但受限于各自发展水平和诸多因素的影响，各个细分领域的电控系统水平参差不齐，在实际设计和应用过程中暴露出诸多共性问题。本文针对非道路移动机械电控系统的典型设计和应用，探讨一些共性的思路、方法和应遵循的设计原则，同时讨论如何避免不合理的设计，保证系统的鲁棒性，提升电控系统设计水平。

2常用非道路移动机械电控系统总体设计思路

在工程实践的具体设计时，首先需要明确系统的实际需求，从输入输出的数量、类型，人机接口的方式，布置与布线等细节着手，做好系统框架方案设计，具体包括：人机交互设计、控制系统核心件的选型与匹配、系统拓扑结构设计、线束设计及系统软件方案等。电控系统的整体构成形态通常分为集中控制方式和分布式控制方式两种典型模式。2.1集中控制方式。集中控制方式是普遍采用的构成形态，一般系统中所有的输入、输出均集中在一个控制器中，输入的采集、运算、处理及作业控制输出均由该控制器完成，除该控制器外不再有其他控制单元承担系统输入的采集和控制输出的执行。在中小型电控系统中，集中控制方式为主流形态，但集中控制方式也并非适用所有的中小型系统。当被控对象分散、输入输出种类复杂，往往很难选到合适的控制器来满足系统设计要求，或者即使有资源比较配套的控制器，但设计线束可能非常复杂，造成成本增加，同时也增加了系统的不可靠因素，为后期系统维护埋下隐患。这些问题在分布式控制方式中都得到了很好的解决，特别是CAN总线在非道路移动机械上装电控系统中的广泛使用，使得分布式控制方式在大中型系统设计中处于明显的优势地位。2.2分布式控制方式。分布式控制方式如图1所示，指的是多机系统，由控制器、IO模块、总线操作面板、显示屏等多个功能部件分别控制不同的对象或设备，各自构成输入感知子系统、控制输出子系统、发动机交互子系统及人机接口子系统等，各子系统间通过CAN通信网络互连。从整个系统来讲，在功能上、逻辑上、物理上以及地理位置上都是分散的，因此被称为分布式控制系统。一般来讲，基于CAN总线的分布式控制系统具有以下优势和特点：（1）节约材料成本，提高传输效率，消除安全隐患。CAN总线成本低，传输效率高，可靠性高，易于维护，具有很强的可扩展性，只需要2根线便可将所有电控单元串接起来，能更好地协调各个子系统[2]。（2）实现了信息共享。各个功能部件的信息及设备信息都可以集中显示在显示屏上，可图形化实时显示各个控制单元的工作、运行状态，便于实时掌握作业信息。（3）系统功能扩展升级更容易。当需要增加新的功能时，只需要将新节点挂接到CAN总线上并升级相关的软件程序即可，原来的系统不受影响，能简单可靠地实现系统功能的扩展升级。

3人机交互层优化设计

如图2所示，传统人机接口设计中旋钮开关、钮子开关、挡位开关等为常见的操作指令输入形式，其集成形式往往是钣金或塑料盒体，笨重、体积大、接线复杂，而且机械开关往往防护等级不高，寿命有限。具备图像、声光体验的人机交互方式，得到越来越多的专业操作人员特别是年轻人的喜爱。随着技术进步，液晶显示屏、CAN总线操作面板、智能语言播报、语言识别及人脸识别等技术正逐步引入到专用车人机交互领域，并逐步成为发展趋势。显示屏的使用，使其成为设备的一个信息融合中心，用户可以通过显示画面、实时变化的参数，甚至动画、语音或视频直观地了解和感受设备的运行状态。很多原来需要依赖各种仪表才能读取的参数，变得易于获取并有着生动友好的展示形式。特别是近些年，商用领域成熟的电容触摸技术引入到工业应用后，操作和交互变得更为便捷，实现了智能手机操作到专用设备操作的无缝过渡。在专用设备领域，相比传统电阻触摸，电容屏可以实现多点触控，可戴手套操作，更重要的是具有电阻触摸工艺所无法比拟的耐磨耐刮性能。CAN总线操作面板则在兼顾操作体验和优化线束上做了综合提升，系统布线变得非常简单，电源和CAN网络的简单连接就可以实现十几个甚至几十个输入操作的集成。总线面板的背光功能使得即使没有辅助照明的夜间操作也变得容易，不同颜色的多色LED及多状态反馈使得诊断变得直观友好。更为重要的是，IP67的防护等级，50万次以上的按键寿命，对控制器资源的节约更是传统机械开关无法比拟的。

4核心件的选型和匹配

控制系统核心件通常包括控制器、显示屏、智能分布式IO、总线操作面板、遥控器及配电单元等，在进行系统核心件选型前，首先必须明确系统的资源需求。典型的资源类型主要有输入和输出。其中：输入类型通常包括各种开关量（高有效/低有效或两线制传感输入）、模拟量（电压型/电流型/电阻型）、频率量（或者正交编码输入、计数输入）等；输出类型通常包括数字开关型输出（MOSFET输出/继电器输出）、PWM输出（脉宽调制输出）、PWMi输出（带电流闭环反馈的输出或恒流模式输出）、H桥输出（直流有刷电机正反转驱动）、4~20mA输出，以及0~5V/0~10V输出等。确定资源需求后，结合输入和输出的物理分布情况，可以选择集控方式和分布式方式，如为集控方式则相对简单，选择资源匹配的控制器即可；如果为分布式方式，则要考虑资源的合理分配，控制器、智能分布式IO如何合理搭配，既简化系统线束设计，又不牺牲系统的性能，实现资源优化配置。人机交互方面，是否需要显示屏、总线面板，则要结合实际使用和操作的需要进行配置。

5电控系统设计中应遵循的原则和应对策略

在电控系统设计中，为保证系统的可靠性，降低系统维护成本，需要遵循一些共性的设计原则和应对策略。5.1负载驱动能力考量。在专用车上装控制系统中，常用的被控对象为液压系统或气动系统的阀组。一般阀的负载电流不超过3A，但当系统中同时有多个阀动作时，单个控制部件的总负载驱动能力是一个必须考量的因素，特别是当环境温度较高时，要适当考虑系统降容，否则可能导致控制单元在高温环境下工作异常，例如触发温度保护或端口过载烧毁。此外，除了考虑常温额定负载和高温下的负载能力外，在系统驱动电源保护元件的选择上，还要考虑负载短路或启动瞬态可能导致的不合理触发保护。例如，正常情况下，系统额定最大常态负载不超过20A，此时，如果保险选择为25A，则当多个负载同时工作，若其中某一个负载发生短路，则可能触发保险动作，造成不必要的停机或系统作业中断。实际上，控制单元的输出保护可以确保系统只是单个短路负载输出异常保护，并不需要触发系统级的断电保护。5.2安全性设计考量。安全性可简单地分为控制系统自身安全和设备作业的安全，本文重点讨论系统设计中电气控制系统本身的安全。在许多特种移动作业设备中，手控与电控的融合是一种典型的设计思路，而在专用车移动控制器中，端口复用率一般较高，通常存在部分端口既可以做输入，同时也可以做输出的情形。因此，在此类设计中往往容易因设计的不合理而造成电控系统本身的不安全。如图3所示，当复用端口存在高电平输入时，如采用手控操作模式，端口高电平电压将通过输出晶体管中的体二极管产生倒灌，而此时，如果UBB断线，且其他高边开关带负载开启，则该复用端口高边开关的体二极管将会过流损坏。此种情况下，即使控制器内置安全继电器，也不能完全确保设备安全，因此，设计必要的防倒灌措施是必不可少的。典型的应对措施是在复用端口的输出端串接二极管，确保手控操作时无倒灌通路的存在。必须注意的是，此时串接二极管的功率要确保负载在额定工作条件下不会过载。5.3抗干扰设计考量。一般而言，控制系统的复杂程度越高，线束就越多，大电流负载也越多，可能导致的系统干扰问题就越严重。控制系统核心件的抗干扰能力有通用的评价标准，如IEC61000-4所涵盖的静电放电、电快速瞬变脉冲群、雷击/浪涌、射频场感应的传导抗扰度和射频电磁场抗扰度等[3]，以及ISO7637所涵盖的脉冲1至脉冲5所代表的车辆电源系统在不同情况下产生的干扰。不同的器件制造商可能在标准的严酷等级上存在差异，但更多的系统级抗干扰设计是单个器件厂家所无法处理的，典型的如系统地线的处理和CAN总线的抗干扰处理。5.4接地设计考量。在电气系统中，通常将地平面定义为零电位点，也就是整个系统的电气参考平面。在基于电瓶提供系统电源的非道路移动设备中，零电位点其实就是电池负，而通常电池负极会直接与上装的主金属件连接，此时系统的参考平面也就是整个设备的搭铁[4]。地线并线或与搭铁的并线不合理可能导致的一个典型现象是：系统模拟量不稳或随着某个或某几个负载的启动而陡升或陡降。此现象产生的根本原因在于有大的电流从模拟线路的回路流经，使得控制单元的参考平面与真正的零电位点（电池负）存在压差，并且由于流经电流的不稳定变化，导致该压差随着负载而波动，最终反映出来的现象是系统部分模拟采集参数的不稳。在具体的线束布置中，首先，模拟地与数字地要分开布线，且模拟地间进行单点连接；其次，存在大负载电流回流的地线要以尽可能短的回路路径连接至电池负。5.5CAN总线设计考量。CAN总线是德国BOSCH公司开发并最终成为国际上应用最广泛的现场总线，因为其显著的优越性，CAN总线在汽车系统中迅速普及并沿用至今。通常为降低系统成本，大部分设计者采用普通的线缆进行总线连接，甚至在节点连接时也没有分支网络结构。系统设计中应该优选总线型网路拓扑结构，如图4所示，对于复杂的不规范网络结构，如果存在总线型和星型混合型布局，建议在网络中加总线路由解决。为增强CAN网络的抗干扰能力，推荐使用双绞屏蔽线缆，并进行单点接地处理，终端电阻应置于总线型网络最远的两个节点处。特别要注意的是，波特率的选择对总线的抗干扰也尤为重要，总线波特率越低，负载率越低，网络的抗干扰能力也就越强。

6软件系统的鲁棒性设计

电控系统可靠性的一个重要保证就是软件系统的鲁棒性。不同的非道路移动机械基于特定的工况对软件系统的可靠性指标会提出不同的要求。通常，安全性、冗余备份、异常处理机制等这些措施是均需考量的共性因素。6.1启停机保护。这里所述的安全性不同于系统硬件的安全设计，主要关注的是软件上的静态和动态安全处理，包括：设备的安全启动和停机保护策略，作业状态下的互斥和互锁保护策略等。通常，非道路移动机械的动力来源于汽油或柴油发动机，而发动机启动所导致的系统电源波动有着特殊的特性曲线，不同设备、不同系统，甚至同一类型设备，所表现出来的特性都存在差异。典型的特征就是：电源会随着发动机的启动发生剧烈变化，电压存在百毫秒级的骤降、跌落而后恢复，整个过程伴随着振荡和抖动。此时，控制系统的很多部件可能都工作在不确定状态，包括控制器，在这个短暂的过程中，控制器可能经历了上电启动—初始化—断电—再上电启动等多个循环。在这个过程中，时间因素和状态因素都是变化的，甚至每次发动机的启动过程都是随机变化的。因此在软件设计中，系统上电至初始化完成再至正常工作，这个过程需要综合考量输入输出设备状态的突变和不确定性（特别是输入的不确定可能导致的误判断），以及软件初始化和自检的完整性。软件设计上，基于特定的发动机启动特性的启动延时保护机制是必须考量的一个关键因素，如可以参照ISO7637Pulse4的典型曲线图，在t6、t7、t8和df的持续跌落时间过程中，避免进行存储器的写操作和任何的对外输出使能。6.2互斥和互锁保护。作业状态下的互斥和互锁保护策略是安全作业的保证，是保证设备安全和人员安全所要考虑的核心内容。例如，在高空作业设备中，调平装置一旦到位，无论是机械上还是软件上都必须锁死，对解锁要有严格的必要充分条件要求。又如在环卫作业的洗扫车中，车辆在行驶过程中，无论如何，垃圾箱是不允许倾翻的，软件上必须考虑到操作人员的误操作和其他感应部件的误触发情况。6.3数据完整性保护。在大多数情况下，所关注的软件冗余备份更多的是关键数据的备份和存储。通常，设备的开机次数、作业时长、行驶里程、位置信息和作业状态参数等属于需要永久性存储和备查的关键数据。这些数据一般存储在控制单元的内部FLASH或EEPROM中，但当系统异常断电时，受限于这些存储器的物理特性，即时的工况数据是无法保存的。因此，对于非常关键的数据，建议直接存储至FRAM或MRAM，鉴于这两种存储器几乎没有擦写寿命限制和极速写入的特性[5]，可以在软件中进行非常简单的操作，以达到安全保存关键数据的目的。当然，控制器首先要在物理上支持该类型的存储器。6.4异常处理机制。异常处理机制在大部分非道路移动机械软件系统设计中都是存在的，典型的如混凝土泵车，在设备进行混凝土浇筑作业过程中，如果控制系统主控CAN网络异常，系统的协同无法进行，混凝土在输送管中无法排出，超过一定的时间，混凝土一旦凝固将导致整个输送管路系统报废。此时，控制系统软件可以启动特殊作业模式，依赖有限的输入输出资源实现强制泵送，保证作业继续进行。

7结束语

本文分析了近年来国内外非道路移动机械电控系统的发展现状，针对非道路移动机械电控系统的典型设计和应用，探讨了一些共性的原则和应对策略，重点阐述了人机交互层的优化设计、核心件的选型与匹配、硬件设计中的负载驱动能力、安全性和抗干扰能力设计，以及软件设计中应该注意的数据安全、冗余备份、异常处理机制等，为提升非道路移动机械电控系统的设计水平提供思路。

参考文献

[1]燕来荣.工程机械的现状及未来发展趋势[J].中国重型装备，2008（3）：30-34.

[2]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，1999.

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

[4]何勇，杨求光.汽车线束搭铁设计[J].汽车电器，2014（10）：6-8.

[5]赵巍胜，王昭昊，彭守仲，等.STT-MRAM存储器的研究进展[J].中国科学：物理学力学天文学，2016，46（10）：70-90.

作者:罗轶峰 单位:长沙硕博电子科技股份有限公司