大型气囊隔振装置CAN总线网络控制系统的制作方法

本发明涉及一种大型气囊隔振装置CAN总线网络控制系统。
背景技术：
：对大型动力设备隔振要求较高的工业领域及船舶行业，采用气囊隔振装置能大幅衰减设备振动向基础的传递，取得优于传统隔振装置的效果。然而，气囊隔振装置本身具有低固有频率特性，在受外界扰动力及气囊自身气体泄漏等因素影响下，气囊隔振装置容易偏离平衡姿态，产生较大偏移，影响设备性能及装置的隔振效果，特别是对于有严格对中要求的动力设备，姿态偏移产生的不对中可能影响设备运行安全。建立气囊隔振装置控制系统，对装置姿态、气囊压力等数据进行在线监测，通过调节气囊压力可对装置姿态进行平衡控制，确保动力设备的稳定运行及装置优良的隔振效果。目前在汽车及列车领域采用空气弹簧(即气囊隔振器)进行悬架减振及高度控制，其控制系统主要由高度控制阀、电磁阀、接近开关等控制器件构成，如《车辆空气悬架减震装置》(中国专利号：201010210484.4)、《一种空气悬架复合型高度控制系统》(中国专利号：201110130312.0)、《空气悬架车辆的姿态维持装置》(中国专利号：02158789.2)、《城轨磁浮车辆空气弹簧悬挂系统高度调节方法和调节系统》(中国专利号200610025187.6)、《车厢高度自动控制装置》(中国专利号：200510022452.0)。上述控制系统主要针对单节车厢或车辆的空气悬架进行控制，对高度的控制精度及系统可靠性要求不高，且系统规模小、空气弹簧数量少、也未考虑容错设计。无法应用于对隔振效果及姿态平衡均有严格要求的动力设备气囊隔振装置。本申请人的专利《智能气囊隔振装置》(中国专利号：200910063656.7)针对动力设备隔振需求，采用一种集中式结构的控制系统，通过中央控制器直接采集现场仪表信号并控制电磁阀等执行机构，但该集中式控制结构应用于大尺度、大承载气囊隔振装置时，存在信号长距离传输下抗干扰能力差、可靠性降低、线缆铺设及检修复杂、系统可扩展性及灵活性不足等缺陷。特别对于电磁环境恶劣、安装检修条件严苛的船舶领域，无法满足对大型动力设备及传动系统进行整体隔振的需求。CAN总线技术是一种可靠性高、灵活性好、实时性强的现场总线技术，已广泛应用于汽车、船舶、航空航天、工业控制等领域。将CAN总线技术应用于大型气囊隔振装置，通过CAN总线网络实现现场信号的全数字传输及系统结构的冗余设计，可有效提高大型气囊隔振装置运行的可靠性及智能化水平，进一步简化系统结构，降低系统安装及维护成本。技术实现要素：本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种具有较强的扩展性和灵活性，可适应大尺度、大承载范围的气囊隔振装置控制需求，具备故障自诊断、隔离及热冗余备份功能，保证装置安全可靠运行，同时具有良好的可维护性，支持故障节点自动定位及ID地址配置功能的大型气囊隔振装置CAN总线网络控制系统。本发明目的的实现方式为，大型气囊隔振装置CAN总线网络控制系统，作为网络节点的控制主站、位移传感器、气源模块、充放气控制模块配置两个电连接器，通过双CAN总线及双电源线屏蔽电缆串行连接，组成环形网络控制结构，各节点通过CAN总线网络交换信息；所有节点连接的两段电缆互为冗余，电缆内部CAN总线及电源线也互为冗余；环形网络控制结构中的控制主站、CAN总线电缆、供电电缆及各节点的总线控制器、收发器均采用冗余配置。本发明的技术效果如下：1、通过绝缘屏蔽材料将两套通讯线路及两套供电线路集中在一束多芯电缆内，所有节点通过该电缆串联成环形网络结构，安装方便、可扩展性强，能有效隔离故障节点；2、在结构及配置上实现了功能冗余，可在任意一段通讯链路或电缆故障下保持通讯及供电正常，具有很高的可靠性；3、各节点能够实现对压力、位移等模拟信号的自动采集上传，对模拟量信号溢出、断线及通讯链路故障进行自检测，并可根据故障模式自动切换通讯链路；各节点采用统一的电接口及通讯协议，保证了运行可靠及方便日常维护管理；4、采用一种姿态控制算法可自动隔离故障节点及故障气囊，根据不同的故障模式，重新配置气囊压力分布，从而实现隔振装置姿态的平衡控制，使系统具有较好的鲁棒性及自适应性能力；5、采用一种节点ID自动配置方案，根据节点类型、用途分配不同号段，在进行维修更换时，控制主站通过网络识别更换的备用节点并进行ID地址配对，提高了模块的通用性及标准化程度，简化了维修流程。6、采用控制时序管理算法，将各气囊充、放气电磁阀的延时、开启、保护等时序进行优化设置，提高系统控制效率，降低系统并行控制的瞬时功率需求。本发明结构简单、灵活性好、可靠性高、智能化程度高、维修方便；对于尺度范围大、气囊数量多、控制节点分散、运行环境严苛的大型气囊隔振装置具有很高的可靠性、灵活性及可扩展性为工业及船舶领域大型气囊隔振装置的控制提供新的解决途径。附图说明图1为本发明的网络结构示意图；图2为控制主站内部结构示意图；图3为气囊隔振装置布置原理图；图4为气囊隔振器与充放气控制模块管路连接原理图；图5充放气控制模块时序控制图。具体实施方式下面参照附图详述本发明。参照图1，作为网络节点的控制主站5、位移传感器2、气源模块4、充放气控制模块3配置两个电连接器，通过双CAN总线及双电源线屏蔽电缆1串行连接，组成环形网络控制结构，通过CAN总线网络交换信息。环形网络控制结构安装方便、可扩展性强，能有效隔离故障节点。环形网络控制结构中的控制主站、CAN总线电缆、供电电缆及节点的总线控制器、收发器均采用冗余配置，可在任意一段电缆故障下保持通讯及供电正常，具有很高的可靠性。各网络节点配置两个电连接器，可在任意一段通讯链路或供电电缆故障下保证通讯及供电正常。各网络节点能够实现对压力、位移等模拟信号的自动采集上传，对模拟量信号溢出、断线及通讯链路故障进行自检测，并可根据故障模式自动切换通讯链路，实现通讯链路的热冗余功能。参照图2，所述控制主站5内集成有主要包括可编程控制器6、平板工控机7及网关模块8，平板工控机7通过PROFIBUS总线9与网关模块8、可编程控制器6连接，网关模块8通过CAN总线10接电连接器11。平板工控机通过PROFIBUS总线9与可编程控制器实现数据同步，并负责人机交互及数据管理。网关模块8通过CAN总线10接电连接器11，可编程控制器作为主控节点从CAN总线网络提取被隔振设备姿态、气源及气囊压力等状态信息，执行控制算法并发送气囊充放气控制指令，实现CAN接口设备与控制主站内部PROFIBUS网络的接口转换。控制主站采用可编程控制器6及平板工控机7双主机控制结构的功能冗余设计，两台主机通过PROFIBUS高速总线交互信息，正常情况下可编程控制器负责系统控制等核心任务，平板工控机负责人机交互及数据管理任务，在可编程控制器发生故障时，平板工控机可自动接管系统控制权。控制主站采用功能冗余设计在不增加系统硬件成本前提下提高设备运行可靠性。所述的位移传感器2、充放气控制模块3、气源模块4内部集成有MCU控制模块、多通道AD转换模块及套总线收发器，实现模拟信号现场采集、诊断、数据上传及通讯链路的冗余。参照图2、3、4，所述位移传感器2选用了ZR81型电涡流传感器与MCU控制模块进行集成化设计，布置基座与被隔振设备之间，将所在测点的高度数据上传至CAN总线网络，由控制主站5接收处理，用于检测并向CAN总线网络上传装置在该点的高度。所述充放气控制模块3采用一体式阀座和MCU控制模块的集成化设计。所述充放气控制模块3连接充气管路及气囊隔振器12，充放气控制模块上集成有气源接口、充气接口、放气接口，可对两个气囊隔振器气囊压力进行监测，并通过内部电磁阀控制充气接口与气源接口的连通及充气接口与大气的连通，实现气囊充气、放气功能。所述气源模块4串接在充气管路上，连接控制主站5及外部气源，将充气管路内的压力数据以及外部气源压力数据上传至CAN总线网络，由控制主站接收处理。用于检测外部气源及充气管路内的压力。参照图5，智能控制单元9通过监测气囊充气、放气压力变化，诊断电磁阀是否正常开启；通过检测传感器测量通道的电流值，判断位移传感器上溢、下溢及断线故障。上述故障均上报至CAN总线网络。智能控制单元9对气囊压力变化进行监测、统计、分析，自动剔除进气、排气过程对气囊压力的影响，精确计算由气囊囊体或管路接口泄漏产生的气体泄漏量，实现气囊漏气故障在线诊断。采用本发明，控制主站5采集各节点上传信息，调用控制算法及功率管理算法，计算各电磁阀的开启时序，并将时序控制指令分发给各智能控制单元9执行。平板工控机7通过PROFIBUS网络与可编程控制器6交换信息，并完成人机交互功能，并通过CAN总线网络监测可编程控制器6是否正常。在检测到可编程控制器6故障或断开网络情况下，自动接管系统控制。所述CAN总线网络的CAN总线网络协议应用层包括ID地址定义、报文类型定义、节点工作状态描述、控制时序管理等，使网络具有很强的在线维护能力及智能化水平，也保证了网络传输的可靠性。CAN总线网络协议应用层ID地址定义为：控制主站5、位移传感器2、气源模块4及充放气控制模块3等各类型网络节点分配有规定的ID地址段，除控制主站5外，每个节点拥有2个连续的ID地址，其中奇地址响应控制主站5的AD数据请求，偶地址响应控制主站5的控制指令。各类型节点的备件也分配有规定的ID地址段，便于控制主站5控制及人员维护管理。节点ID地址配置方案见表1。表1节点ID地址配置根据控制系统监测及控制两大功能需求，控制主站通过远程帧向节点奇地址查询位移、压力等数据，各节点的奇地址收到远程帧后，通过数据帧上传检测到的传感器AD数据，该数据帧格式见表2。表2AD数据传输格式控制主站通过数据帧向节点偶地址发送控制指令见表3，控制指令包括：变更节点ID地址、控制节点IO通道、查询节点工作状态等，各节点偶地址收到控制指令后，执行控制动作，并通过数据帧上传该指令执行的状态。表3控制指令格式字节0(最先被传送)字节1～字节7指令码指令信息为避免各充放气控制模块的多个电磁阀同时开启导致瞬时功率过大、系统控制响应超调，定义了充放气控制模块3的IO通道的时序控制指令见表4，充放气控制模块3收到时序控制指令时，延迟Td一段时间后开启电磁阀，待开启Tc时间达到后，自动复位电磁阀，在Tp时间内不接受新的IO控制指令。其时序如图5所示。表4时序控制指令格式本发明的工作原理为：本发明将分散布置在大型气囊隔振装置上的控制器及大量测量模块、控制模块通过一根集成双CAN总线及双电源线的屏蔽电缆1进行连接，组成环形网络结构。各测量及控制模块内部集成的MCU单元通过现场数据采集、分析，独立实现测量仪表及控制元件的现场状态监测及故障诊断。所述姿态优化控制算法通过建立优化目标函数，迭代搜索最优压力调整路径，最终实现装置姿态平衡以及各气囊压力的均衡，其算法如下：定义气囊最优压力分布的指标函数：其中，pi为编号为i的气囊压力，N为气囊个数，psi为i号气囊理想状态下的最优压力。定义装置姿态平衡指标函数：其中，d为姿态控制精度，uδ为各位移传感器测点的测量值与理想值的偏差构成的向量。显然，Jh<1时，装置满足平衡姿态要求。假定气囊每次的压力调整量为Δp(充气为取正，放气取负)。气囊压力调整引起的装置姿态响应可由如下公式表示：uδ(i)＝ΔpLi其中Li是i号气囊的响应矩阵，由其在系统中的坐标位置决定。若系统进行到第k次调整后，上述性能指标分别为Jp(k)、Jh(k)，在进行第k+1次调整时，控制算法需要解决的关键问题是：搜索合适的气囊i进行调整，使其满足的同时，最小，步骤如下：(1)若Jh(k)<1，则系统达到姿态平衡性要求，算法结束；否则需要进行k+1次调整。(2)令排除故障气囊及已遍历过的气囊，搜索|λi|最大的气囊号进行调整。计算调整后的(3)若则对i号气囊执行控制动作，返回步骤(1)；反之，排除i号气囊，返回步骤(2)继续搜索。控制主站5读取网络各节点的测量数据及状态信息，调用控制算法及控制时序管理算法，发送气囊充气、放气的时序控制指令，调整各气囊压力，实现装置姿态平衡控制。由于控制时序可实现多个气囊并行控制。本发明具有抗干扰能力强、冗余度高、智能化程度高、可维修性好、配置灵活、控制速度快、精度高、功耗低的特点。本发明为工业、船舶领域大型及超大型动力系统气囊隔振装置的可靠平稳运行提供了解决途径，对提高我国新型船舶智能化、网络化隔振技术水平具有重要意义。说明书中未作详细描述的内容均为本领域技术人员公知的技术内容。当前第1页1 2 3