本實用新型涉及一種大型氣囊隔振裝置CAN總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：對大型動力設(shè)備隔振要求較高的工業(yè)領(lǐng)域及船舶行業(yè)，采用氣囊隔振裝置能大幅衰減設(shè)備振動向基礎(chǔ)的傳遞，取得優(yōu)于傳統(tǒng)隔振裝置的效果。然而，氣囊隔振裝置本身具有低固有頻率特性，在受外界擾動力及氣囊自身氣體泄漏等因素影響下，氣囊隔振裝置容易偏離平衡姿態(tài)，產(chǎn)生較大偏移，影響設(shè)備性能及裝置的隔振效果，特別是對于有嚴(yán)格對中要求的動力設(shè)備，姿態(tài)偏移產(chǎn)生的不對中可能影響設(shè)備運行安全。建立氣囊隔振裝置控制系統(tǒng)，對裝置姿態(tài)、氣囊壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測，通過調(diào)節(jié)氣囊壓力可對裝置姿態(tài)進(jìn)行平衡控制，確保動力設(shè)備的穩(wěn)定運行及裝置優(yōu)良的隔振效果。目前在汽車及列車領(lǐng)域采用空氣彈簧(即氣囊隔振器)進(jìn)行懸架減振及高度控制，其控制系統(tǒng)主要由高度控制閥、電磁閥、接近開關(guān)等控制器件構(gòu)成，如《車輛空氣懸架減震裝置》(中國專利號：201010210484.4)、《一種空氣懸架復(fù)合型高度控制系統(tǒng)》(中國專利號：201110130312.0)、《空氣懸架車輛的姿態(tài)維持裝置》(中國專利號：02158789.2)、《城軌磁浮車輛空氣彈簧懸掛系統(tǒng)高度調(diào)節(jié)方法和調(diào)節(jié)系統(tǒng)》(中國專利號200610025187.6)、《車廂高度自動控制裝置》(中國專利號：200510022452.0)。上述控制系統(tǒng)主要針對單節(jié)車廂或車輛的空氣懸架進(jìn)行控制，對高度的控制精度及系統(tǒng)可靠性要求不高，且系統(tǒng)規(guī)模小、空氣彈簧數(shù)量少、也未考慮容錯設(shè)計。無法應(yīng)用于對隔振效果及姿態(tài)平衡均有嚴(yán)格要求的動力設(shè)備氣囊隔振裝置。本申請人的專利《智能氣囊隔振裝置》(中國專利號：200910063656.7)針對動力設(shè)備隔振需求，采用一種集中式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，通過中央控制器直接采集現(xiàn)場儀表信號并控制電磁閥等執(zhí)行機構(gòu)，但該集中式控制結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大尺度、大承載氣囊隔振裝置時，存在信號長距離傳輸下抗干擾能力差、可靠性降低、線纜鋪設(shè)及檢修復(fù)雜、系統(tǒng)可擴(kuò)展性及靈活性不足等缺陷。特別對于電磁環(huán)境惡劣、安裝檢修條件嚴(yán)苛的船舶領(lǐng)域，無法滿足對大型動力設(shè)備及傳動系統(tǒng)進(jìn)行整體隔振的需求。CAN總線技術(shù)是一種可靠性高、靈活性好、實時性強的現(xiàn)場總線技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、航空航天、工業(yè)控制等領(lǐng)域。將CAN總線技術(shù)應(yīng)用于大型氣囊隔振裝置，通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場信號的全數(shù)字傳輸及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的冗余設(shè)計，可有效提高大型氣囊隔振裝置運行的可靠性及智能化水平，進(jìn)一步簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)安裝及維護(hù)成本。技術(shù)實現(xiàn)要素：本實用新型的目的是針對上述現(xiàn)狀，旨在提供一種具有較強的擴(kuò)展性和靈活性，可適應(yīng)大尺度、大承載范圍的氣囊隔振裝置控制需求，具備故障自診斷、隔離及熱冗余備份功能，保證裝置安全可靠運行，同時具有良好的可維護(hù)性，支持故障節(jié)點自動定位及ID地址配置功能的大型氣囊隔振裝置CAN總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。本實用新型目的的實現(xiàn)方式為，大型氣囊隔振裝置CAN總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制主站、位移傳感器、氣源模塊、充放氣控制模塊配置兩個電連接器，通過雙CAN總線及雙電源線屏蔽電纜串行連接，組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)，各節(jié)點通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)交換信息；所有節(jié)點連接的兩段電纜互為冗余，電纜內(nèi)部CAN總線及電源線也互為冗余；環(huán)形網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)中的控制主站、CAN總線電纜、供電電纜及各節(jié)點的總線控制器、收發(fā)器均采用冗余配置。本實用新型的技術(shù)效果如下：1、通過絕緣屏蔽材料將兩套通訊線路及兩套供電線路集中在一束多芯電纜內(nèi)，所有節(jié)點通過該電纜串聯(lián)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，安裝方便、可擴(kuò)展性強，能有效隔離故障節(jié)點；2、在結(jié)構(gòu)及配置上實現(xiàn)了功能冗余，可在任意一段通訊鏈路或電纜故障下保持通訊及供電正常，具有很高的可靠性；3、各節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)對壓力、位移等模擬信號的自動采集上傳，對模擬量信號溢出、斷線及通訊鏈路故障進(jìn)行自檢測，并可根據(jù)故障模式自動切換通訊鏈路；各節(jié)點采用統(tǒng)一的電接口及通訊協(xié)議，保證了運行可靠及方便日常維護(hù)管理；4、采用一種姿態(tài)控制算法可自動隔離故障節(jié)點及故障氣囊，根據(jù)不同的故障模式，重新配置氣囊壓力分布，從而實現(xiàn)隔振裝置姿態(tài)的平衡控制，使系統(tǒng)具有較好的魯棒性及自適應(yīng)性能力；5、采用一種節(jié)點ID自動配置方案，根據(jù)節(jié)點類型、用途分配不同號段，在進(jìn)行維修更換時，控制主站通過網(wǎng)絡(luò)識別更換的備用節(jié)點并進(jìn)行ID地址配對，提高了模塊的通用性及標(biāo)準(zhǔn)化程度，簡化了維修流程。6、采用控制時序管理算法，將各氣囊充、放氣電磁閥的延時、開啟、保護(hù)等時序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，提高系統(tǒng)控制效率，降低系統(tǒng)并行控制的瞬時功率需求。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、靈活性好、可靠性高、智能化程度高、維修方便；對于尺度范圍大、氣囊數(shù)量多、控制節(jié)點分散、運行環(huán)境嚴(yán)苛的大型氣囊隔振裝置具有很高的可靠性、靈活性及可擴(kuò)展性為工業(yè)及船舶領(lǐng)域大型氣囊隔振裝置的控制提供新的解決途徑。附圖說明圖1為本實用新型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為控制主站內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為氣囊隔振裝置布置原理圖；圖4為氣囊隔振器與充放氣控制模塊管路連接原理圖；圖5充放氣控制模塊時序控制圖。具體實施方式下面參照附圖詳述本實用新型。參照圖1，作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制主站5、位移傳感器2、氣源模塊4、充放氣控制模塊3配置兩個電連接器，通過雙CAN總線及雙電源線屏蔽電纜1串行連接，組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)，通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)交換信息。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)安裝方便、可擴(kuò)展性強，能有效隔離故障節(jié)點。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)中的控制主站、CAN總線電纜、供電電纜及節(jié)點的總線控制器、收發(fā)器均采用冗余配置，可在任意一段電纜故障下保持通訊及供電正常，具有很高的可靠性。各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配置兩個電連接器，可在任意一段通訊鏈路或供電電纜故障下保證通訊及供電正常。各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)對壓力、位移等模擬信號的自動采集上傳，對模擬量信號溢出、斷線及通訊鏈路故障進(jìn)行自檢測，并可根據(jù)故障模式自動切換通訊鏈路，實現(xiàn)通訊鏈路的熱冗余功能。參照圖2，所述控制主站5內(nèi)集成有主要包括可編程控制器6、平板工控機7及網(wǎng)關(guān)模塊8，平板工控機7通過PROFIBUS總線9與網(wǎng)關(guān)模塊8、可編程控制器6連接，網(wǎng)關(guān)模塊8通過CAN總線10接電連接器11。平板工控機通過PROFIBUS總線9與可編程控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，并負(fù)責(zé)人機交互及數(shù)據(jù)管理。網(wǎng)關(guān)模塊8通過CAN總線10接電連接器11，可編程控制器作為主控節(jié)點從CAN總線網(wǎng)絡(luò)提取被隔振設(shè)備姿態(tài)、氣源及氣囊壓力等狀態(tài)信息，執(zhí)行控制算法并發(fā)送氣囊充放氣控制指令，實現(xiàn)CAN接口設(shè)備與控制主站內(nèi)部PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的接口轉(zhuǎn)換。控制主站采用可編程控制器6及平板工控機7雙主機控制結(jié)構(gòu)的功能冗余設(shè)計，兩臺主機通過PROFIBUS高速總線交互信息，正常情況下可編程控制器負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制等核心任務(wù)，平板工控機負(fù)責(zé)人機交互及數(shù)據(jù)管理任務(wù)，在可編程控制器發(fā)生故障時，平板工控機可自動接管系統(tǒng)控制權(quán)?？刂浦髡静捎霉δ苋哂嘣O(shè)計在不增加系統(tǒng)硬件成本前提下提高設(shè)備運行可靠性。所述的位移傳感器2、充放氣控制模塊3、氣源模塊4內(nèi)部集成有MCU控制模塊、多通道AD轉(zhuǎn)換模塊及套總線收發(fā)器，實現(xiàn)模擬信號現(xiàn)場采集、診斷、數(shù)據(jù)上傳及通訊鏈路的冗余。參照圖2、3、4，所述位移傳感器2選用了ZR81型電渦流傳感器與MCU控制模塊進(jìn)行集成化設(shè)計，布置基座與被隔振設(shè)備之間，將所在測點的高度數(shù)據(jù)上傳至CAN總線網(wǎng)絡(luò)，由控制主站5接收處理，用于檢測并向CAN總線網(wǎng)絡(luò)上傳裝置在該點的高度。所述充放氣控制模塊3采用一體式閥座和MCU控制模塊的集成化設(shè)計。所述充放氣控制模塊3連接充氣管路及氣囊隔振器12，充放氣控制模塊上集成有氣源接口、充氣接口、放氣接口，可對兩個氣囊隔振器氣囊壓力進(jìn)行監(jiān)測，并通過內(nèi)部電磁閥控制充氣接口與氣源接口的連通及充氣接口與大氣的連通，實現(xiàn)氣囊充氣、放氣功能。所述氣源模塊4串接在充氣管路上，連接控制主站5及外部氣源，將充氣管路內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)以及外部氣源壓力數(shù)據(jù)上傳至CAN總線網(wǎng)絡(luò)，由控制主站接收處理。用于檢測外部氣源及充氣管路內(nèi)的壓力。參照圖5，智能控制單元9通過監(jiān)測氣囊充氣、放氣壓力變化，診斷電磁閥是否正常開啟；通過檢測傳感器測量通道的電流值，判斷位移傳感器上溢、下溢及斷線故障。上述故障均上報至CAN總線網(wǎng)絡(luò)。智能控制單元9對氣囊壓力變化進(jìn)行監(jiān)測、統(tǒng)計、分析，自動剔除進(jìn)氣、排氣過程對氣囊壓力的影響，精確計算由氣囊囊體或管路接口泄漏產(chǎn)生的氣體泄漏量，實現(xiàn)氣囊漏氣故障在線診斷。采用本實用新型，控制主站5采集各節(jié)點上傳信息，調(diào)用控制算法及功率管理算法，計算各電磁閥的開啟時序，并將時序控制指令分發(fā)給各智能控制單元9執(zhí)行。平板工控機7通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)與可編程控制器6交換信息，并完成人機交互功能，并通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測可編程控制器6是否正常。在檢測到可編程控制器6故障或斷開網(wǎng)絡(luò)情況下，自動接管系統(tǒng)控制。所述CAN總線網(wǎng)絡(luò)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)用層包括ID地址定義、報文類型定義、節(jié)點工作狀態(tài)描述、控制時序管理等，使網(wǎng)絡(luò)具有很強的在線維護(hù)能力及智能化水平，也保證了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?。CAN總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)用層ID地址定義為：控制主站5、位移傳感器2、氣源模塊4及充放氣控制模塊3等各類型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配有規(guī)定的ID地址段，除控制主站5外，每個節(jié)點擁有2個連續(xù)的ID地址，其中奇地址響應(yīng)控制主站5的AD數(shù)據(jù)請求，偶地址響應(yīng)控制主站5的控制指令。各類型節(jié)點的備件也分配有規(guī)定的ID地址段，便于控制主站5控制及人員維護(hù)管理。節(jié)點ID地址配置方案見表1。表1節(jié)點ID地址配置根據(jù)控制系統(tǒng)監(jiān)測及控制兩大功能需求，控制主站通過遠(yuǎn)程幀向節(jié)點奇地址查詢位移、壓力等數(shù)據(jù)，各節(jié)點的奇地址收到遠(yuǎn)程幀后，通過數(shù)據(jù)幀上傳檢測到的傳感器AD數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)幀格式見表2。表2AD數(shù)據(jù)傳輸格式控制主站通過數(shù)據(jù)幀向節(jié)點偶地址發(fā)送控制指令見表3，控制指令包括：變更節(jié)點ID地址、控制節(jié)點IO通道、查詢節(jié)點工作狀態(tài)等，各節(jié)點偶地址收到控制指令后，執(zhí)行控制動作，并通過數(shù)據(jù)幀上傳該指令執(zhí)行的狀態(tài)。表3控制指令格式字節(jié)0(最先被傳送)字節(jié)1～字節(jié)7指令碼指令信息為避免各充放氣控制模塊的多個電磁閥同時開啟導(dǎo)致瞬時功率過大、系統(tǒng)控制響應(yīng)超調(diào)，定義了充放氣控制模塊3的IO通道的時序控制指令見表4，充放氣控制模塊3收到時序控制指令時，延遲Td一段時間后開啟電磁閥，待開啟Tc時間達(dá)到后，自動復(fù)位電磁閥，在Tp時間內(nèi)不接受新的IO控制指令。其時序如圖5所示。表4時序控制指令格式本實用新型的工作原理為：本實用新型將分散布置在大型氣囊隔振裝置上的控制器及大量測量模塊、控制模塊通過一根集成雙CAN總線及雙電源線的屏蔽電纜1進(jìn)行連接，組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。各測量及控制模塊內(nèi)部集成的MCU單元通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、分析，獨立實現(xiàn)測量儀表及控制元件的現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷。所述姿態(tài)優(yōu)化控制算法通過建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，迭代搜索最優(yōu)壓力調(diào)整路徑，最終實現(xiàn)裝置姿態(tài)平衡以及各氣囊壓力的均衡，其算法如下：定義氣囊最優(yōu)壓力分布的指標(biāo)函數(shù)：其中，pi為編號為i的氣囊壓力，N為氣囊個數(shù)，psi為i號氣囊理想狀態(tài)下的最優(yōu)壓力。定義裝置姿態(tài)平衡指標(biāo)函數(shù)：其中，d為姿態(tài)控制精度，uδ為各位移傳感器測點的測量值與理想值的偏差構(gòu)成的向量。顯然，Jh<1時，裝置滿足平衡姿態(tài)要求。假定氣囊每次的壓力調(diào)整量為Δp(充氣為取正，放氣取負(fù))。氣囊壓力調(diào)整引起的裝置姿態(tài)響應(yīng)可由如下公式表示：uδ(i)＝ΔpLi其中Li是i號氣囊的響應(yīng)矩陣，由其在系統(tǒng)中的坐標(biāo)位置決定。若系統(tǒng)進(jìn)行到第k次調(diào)整后，上述性能指標(biāo)分別為Jp(k)、Jh(k)，在進(jìn)行第k+1次調(diào)整時，控制算法需要解決的關(guān)鍵問題是：搜索合適的氣囊i進(jìn)行調(diào)整，使其滿足的同時，最小，步驟如下：(1)若Jh(k)<1，則系統(tǒng)達(dá)到姿態(tài)平衡性要求，算法結(jié)束；否則需要進(jìn)行k+1次調(diào)整。(2)令排除故障氣囊及已遍歷過的氣囊，搜索|λi|最大的氣囊號進(jìn)行調(diào)整。計算調(diào)整后的(3)若則對i號氣囊執(zhí)行控制動作，返回步驟(1)；反之，排除i號氣囊，返回步驟(2)繼續(xù)搜索。控制主站5讀取網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的測量數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息，調(diào)用控制算法及控制時序管理算法，發(fā)送氣囊充氣、放氣的時序控制指令，調(diào)整各氣囊壓力，實現(xiàn)裝置姿態(tài)平衡控制。由于控制時序可實現(xiàn)多個氣囊并行控制。本實用新型具有抗干擾能力強、冗余度高、智能化程度高、可維修性好、配置靈活、控制速度快、精度高、功耗低的特點。本實用新型為工業(yè)、船舶領(lǐng)域大型及超大型動力系統(tǒng)氣囊隔振裝置的可靠平穩(wěn)運行提供了解決途徑，對提高我國新型船舶智能化、網(wǎng)絡(luò)化隔振技術(shù)水平具有重要意義。說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容均為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的技術(shù)內(nèi)容。當(dāng)前第1頁1 2 3