单发抑尘车上装动力系统和控制系统设计与研究

摘要：针对传统带副发动机的抑尘车工作过程中噪声污染大、排放不环保等问题，设计了一种雾炮喷雾量可随环境监测PM值而变化的，且由底盘发动机全功率取力的单发抑尘车上装动力系统和控制系统。该单发全液压抑尘车喷雾系统使用底盘全功率取力实现动力来源；主泵计划采用变量比例柱塞泵驱动喷雾机风机，以实现柱塞泵的无级调速；喷雾机水泵齿轮马达、喷雾机的俯仰油缸、左右回转马达由双联齿轮泵驱动；将低压水路控制系统与雾炮控制系统进行融合，集成到一个控制系统中。

关键词：单发抑尘车；全功率取力；动力系统；无级调速

中图分类号：U462 收稿日期：2023-05-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.017

1 前言

近年来，我国经济不断发展，城市人口增长速度和城市化进程逐渐加快，粉尘、PM2.5、PM10等悬浮物已经成了主要的环境污染物，对人们的身体健康、生活、安全等方面都带来了不少危害，因此，对于粉尘类可吸入颗粒物的整治已经刻不容缓。

抑尘车是主要治理设备之一，其系统控制的优化设计成研究热点。目前，市场上的多功能抑尘车上装系统都通过副发动机驱动柴油发电机组为雾炮风机、雾炮回转和仰俯提供电力动力源，该套系统由于副发动机的存在，增大了燃油消耗量，同时还存在噪声大、环保性差等缺点。

据此，本文设计了一种雾炮喷雾量可随环境监测PM值而变化的由底盘发动机全功率取力的单发抑尘车上装动力系统和控制系统。

2 系统结构设计

该单发抑尘车控制系统的设计摒弃了原先抑尘车喷雾系统采用发电机组提供动力的模式，转而由底盘发动机全功率取力，带动串联的无级变量柱塞泵和双联齿轮泵输出高压油来驱动喷雾机风机马达、多级离心式水泵齿轮马达、喷雾机左右回转马达和俯仰油缸完成相应的动作，上装还具备一个监测PM值的变化进而控制抑尘车雾炮喷雾量大小的功能，整套系统结构简单，可靠性高、安全性高、噪音小、污染小，亦可达到降低PM2.5、PM10的浓度和污染程度的目的。

单发抑尘车上装系统结构包括上装动力系统和上装控制系统，如图1所示。

上装动力系统主要包括喷雾机动力系统和低压水路动力系统。喷雾机动力系统由三部分组成，即风机动力系统、离心泵动力系统和液压站动力系统。这三部分动力系统由底盘取力器全功率取力，驱动相应的齿轮马达进行动力输送，为喷雾机完成水雾化、吹雾和喷雾机俯仰和回转工作提供动力，其中选用变量比例柱塞泵驱动喷雾机风机马达，可实现风机转速的无极调速，双联齿轮泵驱动多级离心水泵马达和喷雾机的回转马达和俯仰油缸；低压水路动力系统也是通过底盘取力器提供动力驱动低压水泵运转。

上装控制系统主要包括可编程控制器（PLC）控制喷雾机动作阀组、低压水路控制阀组、各传感器监测，还增加了监测PM值的变化进而控制抑尘车雾炮喷雾量大小的功能，其中触摸屏通过网线与PLC连接，可实现各种上装动作的操控、参数设置、运行状态监控以及故障报警提示等功能。

3 功率匹配性

本系统为两种液压回路结合方式。主泵为变量柱塞泵，副泵选用双联齿轮泵。主泵从底盘发动机后飞轮上带的全功率取力器取力，副泵由主泵上带的输出法兰取力，液压原理如图2所示。

底盘发动机功率为202 kW，喷雾机所需功率为风机35 kW+高压水泵7.5 kW+辅助1.5 kW；低压水泵所需功率为24 kW，因此底盘满足上装所需功率要求，能够实现全功率取力为上装提供动力。

4 变量比例柱塞泵

喷雾系统的以实现柱塞泵的无级调速主泵计划采用变量比例柱塞泵，变量比例泵是通过比例控制板将变量泵输出的压力和流量进行范围内的调整实现控制，虽然它具有抗污染能力强、可靠性高等优点，但比例控制板存在一定的缺陷，输出的压力、流量往往与输入不呈线性使得比例泵的控制不够稳定，因此采用PLC线性控制算法程序，将整个控制分段化处理，解决了泵口输出的压力和流量呈线性可调特性，实现平稳控制［1］。

变量比例柱塞泵控制系统由PLC、MCGS组态屏、比例控制板以及变量泵构成，如图3所示。

a.PLC与MCGS组态屏建立通信，将设定参数反馈给PLC处理。

b.PLC根据反馈的信号以及数据，经过内部DA数模转换模块实时输出0～10 VDC电压信号。

c.直流电压信号输入至比例控制板，比例控制板经过内部计算将电压信号转换成0～1 000 mA的比例电流，通过最终得到的电流信号驱动比例阀，实现对变量泵的压力、流量输出控制。

图4、图5中，原曲线代表比例控制板控制的效果，调整后曲线代表基于PLC控制的效果［2］。由图可知，基于PLC控制系统使得变量比例泵输出的压力和流量呈线性，很好地弥补了比例控制板的缺陷，达到斜率稳定的效果，实现了柱塞泵的无级调速，使得整个液压系统更加平稳可靠。

5 PM值监测控制模块

本系统PM值监测控制模块使用车载空气颗粒物监测系统，由液晶屏显示，界面友好，系统界面见图6，能够使用户及社会大众实时了解到空气中PM2.5和PM10含量，将PM2.5、PM10传感器采集的模拟量数值化，通过找到PM2.5、PM10数值与柱塞泵排量的逻辑关系，使得柱塞泵的排量在设定好的阈值内变化，从而达到通过监测PM2.5、PM10数值变化量控制喷雾量的目的。

PM2.5、PM10采用RS485变送传感器，支持Modbus-RTU协议通信，数据接收端使用Modbus-RTU结构环境下的组态自主开发上位机系统，以设备地址为0×01为例，通过问询0×03功能码，从0×00起始连续问询两字节数据长度，应答到两个十六进制字节码，通过十六进制转十进制得到实际的模拟量值，在组态系统中分别读4区起始两个地址，将读数显示在上位机端，该数据也可通过RS485写入到PLC的内部寄存器，通过程序设定的阈值动态改变输出到比例阀的电信号，从而实现通过颗粒物的浓度值对泵排量变化的变量控制［3］。

空气颗粒物监测系统中电比例变量雾炮风扇马达驱动的工作原理如图7所示，该系统将捕捉到的PM2.5、PM10颗粒物进行模拟量处理，通过颗粒物变量控制电比例阀阀芯的开度，导致LS口的压力变化，从而控制变量比例泵的输出流量，最终实现对风扇马达转速的控制。对这种模拟量变化过程的处理控制达到了自动调整喷雾机风扇转速的目的。

变量泵总成内部负荷传感阀的平衡方程为：

p - pLS= pK （1）

式中，p为变量散热泵出口压力；pLS为电比例溢流阀控制的LS口压力；pK为电比例阀预设的弹簧力。

当控制电比例溢流阀的电流一定，pLS也就一定。当变量泵的转速瞬间升高，泵的出口压力p和流量也会瞬间升高，根据式（1），势必引起负荷传感阀立刻右移，调节缸两腔都进油。由于无杆腔的作用面积大于有杆腔的作用面积，所以柱塞杆左移，使变量泵排量减小，相应的变量泵输出的流量减少，达到新的平衡后，进入风扇马达的流量基本不变；反之亦然。

根据上述工作原理，在系统流量饱和的情况下，风扇的转速不受全功率取力接口转速的限制，从而实现通过外部变量对风扇转速进行控制。当空气质量良好时，风扇电机较低速运转，节约功率；当空气质量恶劣时，或所工作区域出现集中污染颗粒物时，风扇电机加速运转，提升雾炮机工作效率。由于颗粒物变量控制系统可以采集并且处理数据，通过系统的比较运算与处理将最终的调节结果以电流值发出，控制LS口的压力pLS，从而控制风扇的转速。

6 低压水路与喷雾机控制系统融合

传统的抑尘车低压水路控制系统与喷雾机控制系统分别为独立的两个控制系统，该系统设计将低压水路控制系统与喷雾机控制系统进行融合，集成到一个控制系统中，这将使整车电控系统的布置得到优化，方便作业过程中的操作。相关界面见图8、图9。

系统中还设计了参数设置界面（图10），该界面能够实时监测运行输出状态和各传感器感应，在系统故障时，也能够帮助快速有效的排查故障类型。

7 控制系统的实现

单发抑尘车控制系统由核心控制器和执行机构组成，其中核心控制器选用一种PLC，本系统选用西门子S7-200型PLC，使用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9对其进行编程，内部存储器可读取组态设备写入的数值，模拟量输出端口支持输出模拟量信号，其性能强大，运行速度快，体积小，通信功能强，性价比高，适合在车载系统下运行。

PLC系统输入输出定义表如表1所示，各功能动作控制程序使用梯形图表示，如图11～图18所示。

因此，通过以上PLC的逻辑控制可以实现各动作功能，模拟量信号也能够快速有效处理，运行速度快，系统稳定性较高。

8 结语

本文为单发抑尘车上装动力系统的设计应用提供了解决方案，并且有多个创新点：a.解决上装部分系统功率需求与单发动机功率的匹配性问题；b.喷雾系统主泵采用变量比例柱塞泵，实现喷雾机风机的无极调速；c.将低压水路控制系统与雾炮控制系统进行融合，使得操作系统更加简单方便；d.通过PM2.5、PM10数值变化量来控制喷雾量的大小，可达到降低PM2.5、PM10的浓度和污染程度的目的。该方案能够实现抑尘车喷雾机系统和低压水路系统在行车情况下正常工作，并且运行工况较传统带副发动机的抑尘车更为经济和环保，系统调试结果良好，运行情况稳定可靠。

参考文献：

[1]李丽霞.基于PLC的电液比例控制节流调速系统的改进和开发[J].液压与气动，2012（7）：108-111.

[2]蒙功树.基于PLC电液比例便利欧昂泵的控制系统设计[J].液压气动与密封，2020（8）：50-52.

[3]高志华.基于PLC和MCGS组态的压缩垃圾车控制系统设计[J]. 内燃机与配件，2018（16）：10-12.

作者简介：

王进钰，女，1997年生，助理工程师，研究方向为专用车上装电控系统设计与开发。