車載電腦控制系統(tǒng)中傳感器的作用

高小敏

（南京港江北集裝箱碼頭有限公司，江蘇南京 211805）

1 車載電腦控制系統(tǒng)的組成

1.1 系統(tǒng)組成

車載電腦控制系統(tǒng)主要由PWT（POWERTRONIC，主機(jī)電腦）、CAN 線、LMS 顯示屏、發(fā)動機(jī)控制器ECU、油門踏板、變速箱控制器APC200/D108、擋位操作手柄、速度傳感器、吊具電器系統(tǒng)（吊具電路板）電磁閥、繼電器和儀表等組成。

1.1.1 PWT 在集裝箱設(shè)備上的應(yīng)用

（1）通過對輸入輸出模塊的編程控制，代替原來復(fù)雜的繼電器和機(jī)械控制，是移動工程機(jī)械的發(fā)展趨勢。

（2）利用CAN 通信將各傳感器和各子系統(tǒng)連接起來，利用PWT 的集中運算，實現(xiàn)整車運行狀態(tài)監(jiān)測。

（3）發(fā)動機(jī)控制、變速箱控制、燈光控制和安全控制集成到一個PWT 上，易于控制而且經(jīng)濟(jì)性好。

（4）對于小電流輸出，PWT 不需要繼電器，并且有短路保護(hù)，如果電流超過一定數(shù)值將會保護(hù)。減少了繼電器的使用量，增大了系統(tǒng)可靠性。

（5）PWT 以及CAN 通信的使用，使得原來復(fù)雜的控制線路得到很大的改善，既提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又簡化了系統(tǒng)的診斷方式。

1.1.2 CAN 線的特點

（1）CAN 通信用低成本的雙絞線電纜代替了車身內(nèi)昂貴的導(dǎo)線，大幅減少排線數(shù)量，提高了可靠性。

（2）具有快速響應(yīng)時間和高可靠性，適合對實時性要求較高項目的應(yīng)用。

（3）添加和增減終端方便。

（4）方便實現(xiàn)系統(tǒng)集成，真正將發(fā)動機(jī)、變速箱、負(fù)載管理系統(tǒng)和整車形成一個系統(tǒng)。

（5）使自動診斷成為可能，通過CAN 可以顯示分析各種傳感器的信息以及故障點?，F(xiàn)在的集裝箱搬運設(shè)備使用了這種技術(shù)，使車機(jī)的每一個系統(tǒng)集成到一起。極大提升了設(shè)備的可靠性和安全性。例如，F(xiàn)ANTUZZIKALMAR 等。

CAN 是單一的網(wǎng)絡(luò)總線，可以掛接所有外圍器件。以FANTUZZI 正面吊為例，發(fā)動機(jī)控制單元ECU、整機(jī)綜合控制單元PWT、負(fù)載管理系統(tǒng)LMS，以及行走控制器D108 等節(jié)點都掛接在同一個網(wǎng)絡(luò)中。任一單元發(fā)出信息在總線中都是開放的。即掛接在網(wǎng)絡(luò)中的所有單元都可以看到該信息。但該信息只會與理解其內(nèi)容的單元發(fā)生反應(yīng)。并且，該網(wǎng)絡(luò)中還能輕易地掛入新的節(jié)點，不需要設(shè)計復(fù)雜的線路。這種特性使得可以非常方便將診斷系統(tǒng)接入總線，并輕松讀取任意節(jié)點信息。

CAN 總線由一對銅質(zhì)雙絞線組成。為避免外部信號干擾，1 m 纏繞至少30 次以上。這樣可以大大增加總線的使用長度，使得數(shù)據(jù)的傳輸距離可以達(dá)到將近50 m。這對雙絞線分別被定義為CANHigh 和CANLow，根據(jù)它們的電勢變化來定義總線的兩種不同的工作狀態(tài)。當(dāng)CANHigh=1.75 V，CANLow=3.25 V，表示總線邏輯狀態(tài)0；當(dāng)CANHigh=4 V，CANLow=1 V，表示總線邏輯狀態(tài)1。由此，便將模擬信號轉(zhuǎn)化成了二進(jìn)制數(shù)字信號。在以往的通信線路中，所有的監(jiān)控信號都必須有單獨的信號傳輸線。隨著功能不斷增加，線路也越來越復(fù)雜。通過CAN 通信總線，可以將總線中傳輸?shù)娜我獗O(jiān)控信號轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)字信號，在總線中進(jìn)行傳輸。原本復(fù)雜的線路，現(xiàn)在只需要一對雙絞線就能完全代替。既節(jié)約成本，又安全可靠，檢查維修也更加簡便。

總線中每一個信號都被打包成了一個信息包。每個信息都有自己單獨的定義方式。前11 或29 位為地址區(qū)，表明該條信號的去向。避免與之無關(guān)的節(jié)點誤接該條信息。數(shù)據(jù)區(qū)長度為0～64 位，表明該條信息的具體內(nèi)容。最后16 位為糾錯區(qū)，用于檢查信息是否被正確發(fā)送。

發(fā)動機(jī)和變速箱都可以由電腦控制，在自動變速過程中，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速會自動下降約35%，使得司機(jī)感覺換擋非常平穩(wěn)，并且降低了對變速箱換擋的沖擊。發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速不再由司機(jī)人為控制，電子油門只是向PWT 發(fā)送請求。

1.1.3 LMS（負(fù)載管理系統(tǒng)）運用

（1）機(jī)器處于空載狀態(tài)，時速25 km/h。

（2）機(jī)器處于低負(fù)載、大臂伸出狀態(tài)，時速12 km/h。

（3）機(jī)器處于超載或重載，并且大臂伸出狀態(tài)，時速8 km/h。根據(jù)碼頭具體情況，可以對車機(jī)的最高速度進(jìn)行限制。①在吊具帶有負(fù)載時，PWT 控制變速箱的換擋自動套用不同變速值表（區(qū)別于空載，由系統(tǒng)自帶），加速更慢，加強安全；②發(fā)動機(jī)在高速運轉(zhuǎn)時司機(jī)突然關(guān)閉點火開關(guān)（從現(xiàn)場開回車輛到停車場后立即熄火發(fā)動機(jī)），這時發(fā)動機(jī)仍會繼續(xù)怠速一定時間，以便發(fā)動機(jī)的渦輪增壓器緩慢冷卻，保護(hù)發(fā)動機(jī)和渦輪增壓器。當(dāng)然，按下發(fā)動機(jī)緊急停車按鈕，發(fā)動機(jī)會熄火；③可以顯示實時的燃油消耗量，可以統(tǒng)計燃油的總消耗量；④發(fā)動機(jī)自動熄火保護(hù)。柴油油量低于10%，10 min 后發(fā)動機(jī)熄火。冷卻水少2 min 后發(fā)動機(jī)熄火。發(fā)動機(jī)油壓低，3 s 后發(fā)動機(jī)熄火。發(fā)動機(jī)油溫高3 s 后發(fā)動機(jī)5 min 怠速，溫度仍不下降，則發(fā)動機(jī)熄火。冷卻水溫度高3 s 后，發(fā)動機(jī)1 min 強制怠速后溫度仍不下降，則發(fā)動機(jī)熄火。當(dāng)發(fā)動機(jī)怠速超過一定時間，PWT 自動切斷大燈和工作燈的電源，保護(hù)發(fā)電機(jī)和蓄電瓶，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過怠速值時大燈自動打開。根據(jù)負(fù)載情況，PWT 控制大臂起升和伸出的動作速度。當(dāng)負(fù)載的不穩(wěn)定超過設(shè)定值時（系統(tǒng)自帶），集裝箱的起吊速度將被降低，加強了安全性。操作手柄上有傳感器，如果沒有用手握好手柄將會切斷動作，避免司機(jī)在值時集裝箱的起吊速度將被降低，加強了安全性。可以方便更改各種參數(shù)，使車機(jī)的使用更符合每一部個性化車機(jī)的車況。例如，更合適變速箱換擋的參數(shù)、加速率、速度的限制和發(fā)動機(jī)的加速速率等。

1.2 編程實現(xiàn)POWERTRONIC 功能

（1）自動變速箱管理。POWERTRONIC 可以自動或手動模式控制變速箱，為防止錯誤使用變速箱，特設(shè)置安全保護(hù)功能。

（2）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制。從空擋開始，如果發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過900 r/min，不能正常前進(jìn)或后退。

（3）防逆轉(zhuǎn)控制。如果操作者嘗試在車輪還未停止時改變行駛方向，變速箱將自動轉(zhuǎn)換到空擋。除非車子處于最低行駛速度（正常是2 km/h）。

（4）微動控制。在掛擋情況下，如果操作者按下駐剎按鈕或踩下裝在剎車踏板上的微動開關(guān)，POWERTRONIC 將把變速箱設(shè)為空擋。這是為防止變速箱壓力和油溫過高。

（5）速度傳感器檢查。如果驅(qū)動軸上的傳感器不能提供正確的信號，變速箱將為空擋；警報復(fù)位時必須將排擋桿撥到空擋。如果有錯誤警報，變速箱會開始工作。為防止傳感器真的出錯或沒有連接，變速箱是在第一擋。只有調(diào)到手動模式才能選擇任意速度，這時所有安全設(shè)置將不再工作。

（6）踏板加速控制。將調(diào)速油門踏板按至最大，POWERTRONIC前移一些百分比（正常是20%～30%），這意味著隨著機(jī)器速度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增快，變速值將被激活。

（7）發(fā)動機(jī)扭矩控制。變速時（到高的擋位時），發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速將自動增加，這是為了避免在發(fā)動機(jī)扭矩高時掛擋。變速停止時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速即可通過踏板重設(shè)。

（8）變化的起始速度。在一些機(jī)器中操作手柄上可以有額外按鈕。通常機(jī)器從第二擋開始啟動。如果操作者按了這個按鈕，那么這次機(jī)器將從第一擋開始啟動。這是為了減少第一擋的使用，只有在必要時使用第一擋。

（9）負(fù)載控制。LMS 會通過CAN1 總線向POWERTRONIC發(fā)出機(jī)器負(fù)載信號。如果機(jī)器有負(fù)載，POWERTRONIC 系統(tǒng)將會使用不同的變速值表，這樣可以在較高速度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下掛擋，確保有足夠的動力移動和使用大臂。POWERTRONIC 系統(tǒng)把發(fā)動機(jī)和變速箱控制的典型功能都集中到一個簡化單元中，是一個具有很強綜合性的控制系統(tǒng)。

1.3 CAN 總線數(shù)據(jù)的顯示

（1）通過ECO-CAN 顯示屏顯示CAN 總線的信息。

（2）通過負(fù)載管理系統(tǒng)（LMS）顯示屏顯示各種信息。

（3）通過電腦的超級終端顯示更全面的信息。

1.4 CAN 總線數(shù)據(jù)的接口

（1）通過專用鍵盤和ECO-CAN 接口連接后修改參數(shù)（用于匹配變速箱和發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)）。

（2）通過專用鍵盤和LMS 接口連接后修改參數(shù)（用于調(diào)整負(fù)載管理及機(jī)器配置）。

（3）通過電腦的超級終端可以看到整車全部信息，甚至PWT的輸入輸出每一根線的狀態(tài)?？梢孕薷母娴膮?shù)。

（4）通過PC 下載LMS 的集裝箱操作記錄（時間和用時）和故障記錄（發(fā)生的具體故障、報警信息和時間）。

（5）通過SUPERLOAD 專用軟件更新PWT 的操作軟件。

2 故障實例

由于長期下雨，公司機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障，駕駛室內(nèi)POWERTRONIC 一直提示故障，正面吊吊具無動作。仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)位于機(jī)器尾部的長度傳感器的電腦板總成燒損。長度傳感器的可變電阻電位器的阻值在0～30 kΩ，負(fù)責(zé)提供長度變量，角度傳感器的阻值為0～5 kΩ，負(fù)責(zé)提供角度變量（原有的直接斷路）。XTR110KP16ZH737型集成塊（管腳短路，不能正常工作）將這些數(shù)據(jù)處理后變成數(shù)字信號傳遞給LMS，最后由PWT 和LMS 系統(tǒng)共同管理，更換相關(guān)電子元器件后上機(jī)測試，使用良好，各項安全指標(biāo)正常。

進(jìn)氣壓力傳感器故障后，由于不能提供正確的進(jìn)氣壓力數(shù)據(jù)，通常發(fā)動機(jī)會出現(xiàn)大量黑煙，不能正常工作。曲軸傳感器出現(xiàn)故障后，發(fā)動機(jī)啟動時間會延長，比正常啟動延遲4～5 s。凸輪軸位置傳感器出現(xiàn)故障后，也會出現(xiàn)發(fā)動機(jī)啟動時間延長，比正常啟動要延遲4～5 s。如果曲軸傳感器信號同時丟失，則發(fā)動機(jī)啟動時間會延時更久，甚至無法正常啟動。速度傳感器出現(xiàn)故障后（發(fā)動機(jī)容易出現(xiàn)開鍋現(xiàn)象），自動擋位無法自動切換，只能最低擋位運行，出現(xiàn)這種故障后可以打開旁路系統(tǒng)手動調(diào)整速度擋位。