刘志强 白光建 柯龙燕
LIU Zhi-qiang et al
中航（上海）汽车技术有限公司上海200092
摘要：针对联合疏通车电控系统的智能化水平和可靠性水平不高的问题，采用CAN总线技术，搭建以主控制器、I/O扩展模块、可编程显示器和遥控接收器为节点的CAN总线网络。各节点之间以CANopen协议进行通讯，通过识别数据的COB-ID号，使各节点相互传输数据，从而实现对动力系统、高压疏通、吸污／反排等模块的准确可靠控制，以及对整车关键参数、元件执行状态和故障诊断信息的有效监控。
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关键词 ：联合疏通车CAN总线CANopen协议故障诊断
中图分类号：U469.6+91.02 文献标识码：A 文章编号：1004-0226(2015)09-0109-04
1前言
城市化进程的快速推进使城市的排水系统越发复杂，同时由于沉积物成分复杂、种类繁多，下水道疏通工作越发困难。淤积的下水道沉积物是近年来我国内涝频发的重要原因，，因此研发能满足下水道疏通工作需求的联合疏通车刻不容缓。联合疏通车是一款集成高压疏通和真空吸污等多功能的新型作业车辆，可以极大地提高车辆的作业用途和工作效率。该车型由以下3个部分组成：a真空系统，包括真空泵、一级／二级防溢阀、空气过滤器、消声器、吸污管、四通阀等；b．高压水系统，包括高压水泵、疏通管、喷头、调压阀、安全阀、软管卷盘、清洗卷盘等；c．传动系统，主要是实现动力从底盘上输出的分动箱、可驱动真空泵、高压水泵及附属装置，并实现动力的输出和转换。
目前国内已有不少厂家可以自主研发联合疏通车，但是与国外产品相比，普遍技术落后，自动化程度低。很多操纵基本上是半机械化的，有的疏通环节基本还要靠手工操作。由于联合疏通车控制元件和反馈信号多，各个动作有相互协同和信号共享的要求，且功能参数和故障信息需要实时监测，故采用以移动车辆控制器为主节点的CAN总线技术，不仅可以减少线束量，提高系统的稳定性和可靠性，同时便于程序修改，且控制灵活。各元件之间以CANopen协议进行通讯。通过执行元件的信号反馈，可以实现对应功能的自动控制，并通过防误操作的设计，以有效保障操作者和设备的安全。
2.基于CAN总线联合疏通车控制模块设计
2.1 CANopen协议介绍
在众多总线协议中，CAN总线是目前广泛应用的总线协议之一。CANopen协议对总线上传输的数据进行分类，即每一个传输数据都是某一特定类的对象，从而实现面向对象的程序设计。每一类传输对象都有其规范化的格式，以便实现应用层结构上的统一。CANopen协议的核心内容是对象字典(OD：Object Dictionary)，CANopen网络中每个节点都有一个对象字典，对象字典包含了描述这个设备和它的网络行为的所有参数。对象字典是CANopen-系列子协议（通信协议和设备协议）的具体的实现形式。除此之外，还包括数据类型的定义和制造商特定子协议。CANopen在保证网络节点互用性的同时允许节点的功能随意扩展。
2.2联合疏通车CAN总线控制系统网络设计
基于CAN总线的联合疏通车电控系统，该车型采用屏蔽双绞线作为物理传输介质，波特率设置为250 kbps，CAN总线的网络拓扑图如图1所示。主控制器为主节点，显示器、I/O扩展模块和遥控接收器为从节点。主控器和I/O模块可以接收来自总线的数据和发送数据到总线上，显示器只能显示来自总线的数据，遥控接收器只能发送数据到总线上。对于接收发送CAN总线数据，需要明确双方的通讯协议，即发送和接收数据的COB-ID号，以及每个字节和每个位表示的含义。其中，主控制器中CANO口的设置采用了J1939协议，实现与底盘发动机的通讯，用于接收来自底盘的转速、机油压力、水温信号及其他故障报警信息。
由于控制元件的布置比较分散，且其输入输出点主要集中在控制器和I/O模块上，为了方便编程和故障排查，该车型从功能集成的角度，设计了4个功能控制模块，即动力控制模块、吸污／反排控制模块、高压疏通／清洗模块，以及吸污臂控制模块。
主控制器设为主节点，其余为从节点，主控器一方面接收来自上装系统各类传感器信号和开关信号并打包发到总线，另一方面通过总线接收来自底盘发动机的各类信号并通过总线发送至显示器。
2.2.1动力系统模块的控制 如图2所示，动力系统包括取力器、分动箱、真空泵和高压水泵。取力器由驾驶室取力器开关直接控制，主要驱动液压泵，为马达和油缸提供压力油，其余部分均由控制器驱动相应电磁阀控制。为了确保行车安全，把空挡信号和刹车信号加入到分控箱的控制条件中，以保证在空挡和制动情况下，分动箱才允许进入工作状态。控制分动箱主输入轴的气缸带有位置开关，在气缸活塞杆到达工作位置时，输出开关信号进入控制器，分动箱位置指示灯亮，该信号同时作为真空泵和高压水泵起动的条件（如图3）。其中，空挡信号、刹车信号和气缸位置开关信号的数据由控制器发送到CAN总线上，显示器从CAN总线上接收到数据时，解码后根据映射表格驱动对应的状态。
2.2.2吸污和反排模块的控制
吸污和反排功能是联合疏通车的主要功能，用于将堵塞下水道的淤泥吸入的污水罐体中，通过罐体内部的滤网过滤沉淀后将水反排回下水道。吸污前需要按下真空管路排气阀控制按钮，使排气阀处于关闭状态。罐体内部建立负压，当负压达到设定值时，按下吸污按钮，吸污阀打开，开始吸污。由于吸污阀的开闭由气缸控制并置于罐体顶部，故增加吸污阀气缸位置开关，以便于观察其执行情况。当气缸正确执行时，按钮指示灯亮。为防止罐体液面持续上升造成污水进入真空管路，在污水罐的顶部安装控制液面位置的液位开关。当液面上升使液位开关动作时，将发出输出开关信号进入控制器，通过控制器输出信号控制吸污阀关闭，以及真空管路排气阀开启，同时通过CAN总线在显示器界面显示报警信息并伴有蜂鸣声。污水经过水箱中滤网过滤后，操作人员按下反排开关，四通阀得电后，真空管路换向并向污水箱注气，通过产生正压将过滤后的水重新排回到下水道中。吸污与反排控制模块示意，如图4所示。
2.2.3高压疏通和高压清洗模块的控制
高压疏通为联合疏通车最主要的功能，功能示意如图5，控制示意如图6所示。通过控制高压管路中的三通电磁阀，实现水路的自循环与高压作业的切换和高压疏通与高压清洗的切换。水箱的出水口处安装检测出水口阀门是否处于打开状态的清水口关闭开关，控制器通过该开关检测到水阀处于打开状态时，高压水泵才可以起动。疏通或清洗作业时，当水箱液位下降至使液位开关动作时，液位开关输出开关信号到控制器，控制器接收到信号时，则控制三通电磁阀，使其处于水路自循环状态，同时通过CAN总线，将报警信息在显示器的界面显示并伴有蜂鸣声。
2.2.4吸污臂模块的控制
吸污臂主要作用是托举吸污软管做俯仰、变幅及伸缩动作，以便吸污管根据现场情况伸入作业位置，吸污臂控制是通过遥控器面板完成（如图7），其中“Fn”为功能键，与“左”或“右”键组合使用时，吸污臂可以从左侧或者右侧自动回位，提高作业效率。遥控接收器作为CAN总线中的一个节点，负责发送命令给主控制器，主控制器接收到命令运算后，通过CAN总线将数据发送到I/O扩展模块，I/O模块输出控制信号给对应的电磁阀，吸污臂做出相应的动作，控制示意如图8所示。
3.联合疏通车故障诊断及工作过程的状态监测系统设计
3.1故障诊断和状态监测系统的硬件介绍
可编程显示器界面采用Codesys V3.4软件进行程序开发。CAN总线通讯带有两个CAN2.OB接口，CPU主频为532 MHz，配置128 MB的RAM和512 MB数据存储器，运算和读取速度完全满足要求。超大存储空间可以延长故障信息的保存周期，状态监测的参数和画面可通过实际需要自行编程开发，以满足不同用户群体的个性化需求，如图9所示。
3.2故障诊断知识库的设计
联合疏通车系统故障诊断的知识库是整个故障诊断的数据来源和故障诊断的基础。当故障发生时，其故障发生的原因分析应从最直接的故障发生原因逐步向可能的原因递进，依次建立起相应的分层知识库结构。针对联合疏通车故障知识库的设计，可以采用如下流程进行：收集潜在的故障现象→故障所有潜在原因→每种原因对应的解决措施→建立分层知识库。
将建立好的知识库文件植入到人机界面中，当故障信号输入控制器时，控制器通过CAN总线激活人机界面的故障知识库的对应位置，按下故障诊断键后，根据提示逐一排查原因。表1为部分故障知识库。
3.3状态监测及报警
状态监测功能是反应各个执行元件执行状态，以及作业过程中对人员和设备的安全提示及控制。发动机转速、发动机机油压力、发动机水温以及与作业工况相关的真空压力、高压水路压力的参数，将在状态监控显示器上实时动态显示。针对无法直接检查其是否有效执行的关键元器件（如吸污阀控制气缸），需要增加检测元件，并将检测的数据发送到CAN总线上，通过数据解码后给出执行状态监测结果。表2列出了部分监测结果示意。
4结论
针对传统控制方式带来的线束繁多、布置凌乱、故障排查难等缺点，以及控制元件较多，布置分散的特点，该联合疏通车采用CANopen协议通讯的总线技术，并使用移动车辆控制器作为整车的主控制器，且通过功能模块化设计，实现信号共享和各功能的有效控制。此外，CAN网络的构建和CAN接口显示器的引入，以及所开发的友好显示界面，很好地实现了整车执行状态的实时监控和故障诊断，并可自动采取必要的控制措施，从而确保了执行元件、设备和操作人员的安全。