早期的自动双轨伸缩雨棚主要是民用场景，如家庭园艺、停车场等。但自动双轨伸缩雨棚技术已经逐渐成熟，完全具备进行工业化应用的可行性，如大型货场、远洋干散货船舶、规模化种植场地等。早期的民用伸缩雨棚，道轨行程较短，设计方向主要为智能化设备兼容、移动互联网兼容等领域，所以主控设备多采用单片机或嵌入板，但因为雨棚仅有伸缩两种状态，即便增加双轨同步控制、阻尼管理、中间位置控制等功能，也会造成控制系统的冗余，带来系统不稳定性。所以，该研究设计工业伸缩雨棚，应采用更为稳定的PLC(Programmable Logic Controller, 可编程逻辑控制器)控制系统，且在道轨阻尼状态监测、双轨同步控制方面有细化设计和升级设计。系统还应具备机旁、集控、远程三种控制模式。

GSM(Global System for Mobile Communications, 全球移动互联网)控制系统主要供现场技术管理人员在远离现场且移动通信信号只有2G链接时实现远程遥控控制，要求系统控制指令充分精简，系统自动化运行程度较高。该研究通过对工业全自动伸缩雨棚的液压系统、定位系统、电控系统全面升级全新设计实现该需求。

以大型货场伸缩雨棚为例，其道轨长度一般超过100 m, 雨棚跨度一般超过25 m, 雨棚有效高度一般超过15 m。雨棚立柱之间采用四连杆机构实现伸缩连接功能。伸缩驱动有2种实现模式，当前半自动雨棚多采用在雨棚前端门型支架两侧布置轨道车的驱动方式，但这种模式驱动大型雨棚，同步控制难度较大，且后期拖曳扭矩要求较大，控制难度大，控制精度低。所以，该研究选择第2种模式， 即在雨棚中段四连杆机构中布置多组对称线性液压缸进行驱动。通过控制线性液压缸的压力和充液量，可以提供更高精度的雨棚伸缩控制。液压管道的悬吊方式及弯折力矩可能造成雨棚双轨同步控制不平衡问题，但通过优化液压管道悬吊机构可以有效避免该问题。该研究重点讨论系统控制模式，所以不对液压管道悬吊机构展开讨论。数据采集及数据反馈硬件方面，雨棚前端门型支架与移动终点之间布置亚米级激光测距探头，实现门型支架的姿态控制和双轨同步控制。每个线性液压缸进液口和回液口设置远程抄表压力计和流量计，用于线性液压缸的高精密控制。线性液压缸使用节流阀和换向阀串联控制。上述硬件构成的控制硬件部分如图1所示。

图1中，该全自动工业双轨雨棚控制硬件系统共分为3个子系统，由液压泵、液压监控系统、线性液压缸构成的液压系统，由激光测距仪和定位监控系统构成的定位系统，由PLC、网络模块和控制器构成的控制系统。下文中将对三大控制子系统展开设计分析。

该液压系统采用30 MPa小型液压站，采用开式循环模式，液压管采用内径12.7 mm外径20 mm铠装橡胶软管，同一侧串联接入阀形成供液回液总管，每个接入阀后设置三位柱塞换向阀和锥形节流阀对每个线性液压缸执行独立控制。该液压系统的细化设计如图2所示。

图2中共包含4个关键技术要素：①接入阀、三通阀均为不可控阀组，其中接入阀为1组2个互不连通的三通阀，所有三通阀均为双向导通的直通结构。三通阀共3个接入点，确保三个接入点的压力损失最低。接入阀共6个接入点的2个三通阀设计要求与三通阀一致。末端接入阀的1个方向上2个接入点可设置丝堵封闭；②三位换向阀采用电磁与复位弹簧驱动，共2个电势信号输入和1个控制地信号输入，2个电势信号均为低电平时，阀门处于中位，其中1个电势信号为高电平时，对应电磁驱动器吸合并实现正向导通或逆向导通；③锥形截止阀采用步进电机驱动，共4个控制信号输入和1个控制地信号输入，4个控制信号直通步进电机机旁控制板；④从节流阀到液压缸之间控制一路液压通道，另一路液压控制通道由液压缸直通换向阀；换向阀不用方向导通时，节流阀通过控制高压侧或低压侧实现节流控制。

该液压系统的末端反馈数据采集来自每个液压缸配置的接入阀与换向阀之间，中央控制反馈数据采集来自总接入阀前后两侧，其细化结构设计结果如图3所示。

图3(上)为液压子系统末端反馈数据采集模式，为每个线性液压缸设计2个压力表，1个流量表，共3个计量数据点，每个数据点采用8位并行信号控制，共24位并行信号；图3(下)为液压子系统中央反馈数据采集模式，系统共设计4个压力表和1个流量表，共5个计量数据点，每个数据点采用8位并行信号控制，共40位并行信号。以100 m双轨雨棚系统为例，两侧各布置4个线性液压缸，即末端系统共设计8个反馈数据采集模块，拥有192位并行信号线，合并中央模块40位并行信号，共设计232位并行信号，如果信号全部汇入中央控制PLC中，则中央控制系统PLC的引脚占用量过大，所以需要设计1个前端PLC系统用于液压系统数据分析，即前文图1中“液压监控系统”模块。该系统采用三菱256位系统，其中232引脚用于采集数据，上行4位并行信号用于标记液压系统状态，8位信号用于故障寻址。信号定义如表1所示。

表1中，0位数据为错误总标记数据，所有错误报错时0位应全部给出高电平1值，如1、2、3位给出高电平1值但0位给出低电平0值，则认为液压监控系统自身错误。且报错代码总容量为16,含正常运行状态H0000在内，共7种报错状态，代码冗余量为56.25%,系统给出有意义运行状态之外的反馈代码，也标志着液压监控系统自身错误。

寻址方面，该系统可判断中央泵站系统(地址码H11100001)和各液压缸系统寻址，左侧液压缸为H11010000至H11011111,右侧液压缸为H11000000至11001111,两侧最高容纳16个液压缸，按照每个液压缸最高控制30 m最大雨棚伸出长度计算，该系统可最高维护480 m轨道上的雨棚长度，足以满足大部分工业场景双轨雨棚的控制需求。

该工业雨棚控制系统的液压系统较为复杂，定位系统和中央控制系统相对简单，所以将后两者合并讨论。

其定位系统包含2个激光测距仪，每个测距仪返回1组16位距离数据，给出800 m量程内65536刻度的厘米级定位结果，刻度理论长度0.0122 m。同样因为中央控制系统无需提供大量引脚作为激光测距定位的控制资源，所以如前文图1所示设计定位监控子系统PLC作为定位错误反馈节点。该系统输入引脚32位，输出引脚8位，输出数据的信号格式定义模式如表2所示。

表2中，使用冗余代码段监控定位监控系统PLC的自身错误，其中，上报数据中0位与7位恒为低电平0值，左偏错误报错时4、5、6、7位恒为低电平0值，右偏错误报错时0、1、2、3位恒为低电平0值，8位错误代码总容量为256,含定位正常H00000000代码在内，定位监控系统有效代码7个，代码冗余量为97.26%。

中央控制PLC系统的所有引脚中，输入数据来自液压监控系统的4位错误码和8位寻址码，来自定位监控系统的8位错误码，以及最大控制32个液压管路的32个三位换向阀(每路控制信号2位)共64位，32个锥形节流阀(每路控制信号4位)共128位，泵站控制信号(小规模泵站使用万能开关控制)共4位，即监控反馈信号共20位，动作控制信号共196位，使用256位PLC可实现硬件功能。控制系统之间的逻辑结构如图4所示。

图4中，使用3台PLC联合控制该工业全自动双轨伸缩雨棚设备，最大支持道轨长度达到480 m, 最大定位测距距离为800 m, 实际定位需求小于 500 m, 理论定位精度为±0.0122 m。所有3台PLC控制器之间使用杜邦铜芯排线连接，3台PLC可以同柜布置，离柜线路使用8芯六类屏蔽双绞线(CAT-6)连接。该系统除互联网模块的远程连接外，并未使用光缆、无线网等通信模式，主要目的是通过整合传统技术增加系统稳定性。下文将针对系统的可靠性、定位精度、工作效率等展开仿真验证。

GSM远程控制指使用短信报文控制机械系统，经过上述系统设计，该系统可在2条控制指令下完成全部控制功能，如接收短信报文“展开”或“ON”后，系统全自动驱动使雨棚从完全收起状态展开到完全展开状态，接收短信报文“收起”或“OFF”后，系统全自动驱动使雨棚从完全展开状态收起到完全收起状态。前文图4中互联网模块可实现短信收发功能。

即该验证过程中，应判断该系统在简单指令条件下的执行效率和执行错误率情况。仿真环境在MATLAB软件平台上搭建，仿真模拟液压系统常规随机故障(漏液、高阻等)及轨道异物等常规故障。初步比较分析中，借鉴参考文献中布置基于单片机的双滑车驱动系统和该研究设计的基于PLC的液压控制系统，比较结果如表3所示。

表3中，480 m道轨条件下，该系统较参考文献中使用的双滑车系统展开用时节约21.57%,收起用时节约24.61%,控制中断率指系统接收到GSM指令后，因为不可自愈故障(如控制不平衡、轨道异物等)导致展开过程或收起过程终止的事件比率，该系统降低49.09%,脱轨事故率指因为控制精度等问题导致道轨与雨棚支持结构脱离接触的比例，该系统降低66.02%。分析其原因，该系统并非采用滑车驱动机构，即便部分门型支架支持结构脱离道轨约束，该系统仍可在一定程度上完成展开或收起动作，即双滑车驱动系统中的部分不可自愈故障在该系统中转化为可自愈故障。

另外，比较故障发生时，系统通过GSM向控制端返回的数据复杂度，分别从故障类型、故障寻址、故障定位等角度分析，得到表4。

表4中，双滑车系统仅有2个驱动点，而该液压线性缸控制系统有32个驱动点，所以该系统的可返回信息总量远超过双滑车系统，同时因为两套系统仿真分析时采用了相同的激光定位系统，所以其故障定位精度完全一致。作为现场技术管理人员，用户在GSM系统中收到报错后，可以远程获得更加精确的故障信息，可以更直观地实现远程指挥故障排查。

该系统通过对工业双轨伸缩雨棚的液压系统、定位系统、电控系统全面升级设计，使GSM远程控制指令精简到2条，且因为驱动系统放弃了相关研究中常用的双滑车系统而采用了分布式线性液压缸四连杆驱动系统，系统的可靠性获得大幅度提升。后续研究中会涉及到更大规模的工业伸缩雨棚GSM控制研究。