基于PLC的蜘蛛式高空作業(yè)車電氣控制系統(tǒng)

高勇

摘 要：在建筑、設(shè)備安裝等需要高空作業(yè)的領(lǐng)域中使用高空作業(yè)車非常重要。如今隨著高空作業(yè)車的頻繁使用，其種類越來越多，其中蜘蛛式高空作業(yè)車具有優(yōu)異的性能，如操作方便、靈活性好、工作區(qū)間大等，所以在實(shí)際生產(chǎn)和生活中使用頻繁。蜘蛛式高空作業(yè)車需要具備非常高的安全性和穩(wěn)定性，其中電氣控制系統(tǒng)直接決定著高空作業(yè)車的穩(wěn)定運(yùn)行狀況，所以對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到其安全性和可靠性。PLC屬于一種比較理想的控制器，于是文章設(shè)計(jì)了基于PLC的蜘蛛式高空作業(yè)車電氣控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)有助于提高蜘蛛式高空作業(yè)車的安全性。

關(guān)鍵詞：PLC;高空作業(yè)車;電氣控制系統(tǒng);蜘蛛式

中圖分類號(hào)：TH211+.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）06-0089-05

Abstract：It is very important to use aerial work trucks in fields that require aerial work such as construction and equipment installation. Nowadays， with the frequent use of aerial work vehicles， there are more and more types of them. Among them， spider aerial work vehicles have excellent performance， such as easy operation， good flexibility， and large working areas， so they are frequently used in actual production and life. Spider-type aerial work vehicles need to have very high safety and stability. The electrical control system directly determines the stable operating conditions of the aerial work vehicles. Therefore， the safety and reliability of the electrical control system must be considered when designing the electrical control system. PLC is a kind of ideal controller， so the paper designs a spider-type aerial work vehicle electrical control system based on PLC， which helps to improve the safety of the spider-type aerial work vehicle.

Key words：PLC; aerial work vehicle; electrical control system; spider

高空作業(yè)車的形式種類比較多，比如蜘蛛式、雙桅柱式、單桅柱式、臂架式等，這些種類中蜘蛛式高空作業(yè)車性能較好，使用方便，因?yàn)樵摳呖兆鳂I(yè)車有4條支腿放置在地面，該形狀正好類似于蜘蛛腿，所以將其命名為蜘蛛式高空作業(yè)車[1-2]。蜘蛛式高空作業(yè)車不僅具有較為優(yōu)美的外觀，而且具有很好的靈活機(jī)動(dòng)性、操作方便、工作區(qū)間大、安全可靠性高等優(yōu)勢，所以在實(shí)際生產(chǎn)和生活中應(yīng)用比較多[3-4]。但是這種類型的高空作業(yè)車在國外應(yīng)用更加廣泛，比如在建筑施工、制船、設(shè)備安裝等領(lǐng)域。因?yàn)槲覈褂玫拇蟾叨茸鳂I(yè)車以進(jìn)口方式為主，所以在一定程度上降低了蜘蛛式高空作業(yè)車的使用范圍。高空作業(yè)車與其他工程機(jī)械有著很大的區(qū)別，高空作業(yè)車的負(fù)荷比較小，而且作業(yè)頻率也比較少，但是由于是在高空作業(yè)，對(duì)其可靠性和安全性要求非常高，需要保證蜘蛛式高空作業(yè)車的每個(gè)組成部分具有非?？煽康男再|(zhì)，在保證機(jī)械和液壓系統(tǒng)安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)之上，電氣控制系統(tǒng)在高空作業(yè)車中也相當(dāng)重要，如果電氣控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)高空作業(yè)車無法工作，甚至?xí)斐扇松戆踩珕栴}[5-6]。所以文章將主要對(duì)其電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，該系統(tǒng)中使用PLC控制系統(tǒng)。

1 蜘蛛式高空作業(yè)車工作原理

蜘蛛式高空作業(yè)車的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡單，如圖1所示，可以將該結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分，一個(gè)部分屬于下車部分，主要包含支腿、轉(zhuǎn)臺(tái)、行走裝置和底盤組成，另外一個(gè)部分就是上車部分，該部分主要包含大小臂和吊籃組成。蜘蛛式高空作業(yè)車結(jié)構(gòu)看似簡單，但是能夠完成很多作業(yè)動(dòng)作，比如支腿調(diào)節(jié)、大小臂變幅、轉(zhuǎn)向、行走、大臂收縮、吊籃旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)和吊籃調(diào)平等。所以使用蜘蛛式高空作業(yè)車進(jìn)行高作作業(yè)，將會(huì)具有非常大的靈活性，能夠根據(jù)實(shí)際要求在高空中完成各種動(dòng)作要求。

蜘蛛式高空作業(yè)車的液壓系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)中提供動(dòng)力部分就是交流電機(jī)，通過使用交流電機(jī)和控制閥，液壓油的速度、流向和流量才能夠得以改變和控制，才能夠推動(dòng)液壓缸做成相應(yīng)的動(dòng)作，蜘蛛式高空作業(yè)車才能夠完成不同的動(dòng)作需求。

表1列舉了部分不同動(dòng)作與閥之間的邏輯關(guān)系，表中的+號(hào)代表的是電磁閥得到電，箭頭表示的是比例調(diào)節(jié)閥工作。將YV2作為比例閥，然后通過其對(duì)系統(tǒng)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以對(duì)動(dòng)作速度進(jìn)行改變，此時(shí)有一些動(dòng)作：

當(dāng)YV10得到電時(shí)，能夠操作上車動(dòng)作。包含大臂上下變幅、伸縮和轉(zhuǎn)臺(tái)左右旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)YV9得到電時(shí)，可以調(diào)節(jié)支腿，即對(duì)四個(gè)支腿進(jìn)行打開或者收回操作

可以控制YV11/YV12對(duì)蜘蛛式高空作業(yè)車的方向進(jìn)行調(diào)整，比如操控車向前或者向后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，然后為了調(diào)整速度，控制YV15實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換即可調(diào)整速度快慢。

控制YV13/YV14即可實(shí)現(xiàn)蜘蛛式高空作業(yè)車的左右移動(dòng)。

上述動(dòng)作開可以進(jìn)行加快處理，即使得電池閥YV1得電，從而雙泵合流就可以提高動(dòng)作速度。當(dāng)YV1處于失電狀態(tài)時(shí)，控制YV7、YV8即可實(shí)現(xiàn)小臂的上下變幅，控制YV3、YV4即可實(shí)現(xiàn)吊籃調(diào)平，控制YV5、YV6即可實(shí)現(xiàn)吊籃的旋轉(zhuǎn)，比如逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)或者順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)操作。當(dāng)蜘蛛式高空作業(yè)車處于水平狀態(tài)時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行操作就可以使得上車部分進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后高空作業(yè)車的4個(gè)支腿也可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且每個(gè)支腿之間是相互獨(dú)立的，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)進(jìn)行調(diào)整。

行走操作。進(jìn)行該動(dòng)作操縱時(shí)，需要將支腿收回，然后將大臂完全落下。工作臂的動(dòng)作有大臂伸縮和變幅，小臂下降和升高。為了安全操作，一般規(guī)定工作臂的活動(dòng)范圍會(huì)受到一定的限制，即要滿足其工作曲線的限制，如圖3所示。

吊籃操作。吊籃的主要?jiǎng)幼饔谢剞D(zhuǎn)和調(diào)平，由于吊籃屬于工人的工作位置，所以需要保持吊籃的水平，并且吊籃強(qiáng)度有限，不能承載過重的物質(zhì)，所以為了提高高空作業(yè)車的安全性，在吊籃的底部安裝稱重傳感器和水平/傾斜角傳感器，當(dāng)傳感器監(jiān)測到吊籃的傾斜角超過了5°或者超載，則會(huì)自動(dòng)停止高空作業(yè)車的所有動(dòng)作。當(dāng)傾斜角小于1.5°大于1°時(shí)，高空作業(yè)車會(huì)自動(dòng)對(duì)吊籃進(jìn)行調(diào)整。

2 蜘蛛式高空作業(yè)車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過上文對(duì)蜘蛛式高空作業(yè)車的工作原理分析，然后再其電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該作業(yè)車的電源采用220V交流電源。電氣控制系統(tǒng)主要為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，然后實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作的操控調(diào)節(jié)、極限位置報(bào)警、發(fā)動(dòng)機(jī)停啟操作等功能。

2.1 控制臺(tái)

在設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)時(shí)，為了提高蜘蛛式高空作業(yè)車的安全性和可操作性，設(shè)計(jì)了3個(gè)控制臺(tái)，分別為本車控制、遠(yuǎn)程控制和吊籃控制，下面將對(duì)3個(gè)控制臺(tái)進(jìn)行具體分析設(shè)計(jì)。

（1）本機(jī)控制安裝在高空作業(yè)車車體上，主要作用在于控制高空作業(yè)車的開啟、控制吊籃的調(diào)平等，當(dāng)高空作業(yè)車運(yùn)行出現(xiàn)問題時(shí)還會(huì)出現(xiàn)在自動(dòng)報(bào)警指示。該控制臺(tái)設(shè)置了一些功能按鈕，比如急停、啟動(dòng)、控制選擇、遠(yuǎn)程等。主要方便高空作業(yè)車下面的人員進(jìn)行操控。

（2）吊籃控制安裝在吊籃上。主要方便在吊籃上的工作人員能夠隨時(shí)對(duì)高空作業(yè)車進(jìn)行控制。吊籃控制主要的功能有大臂變幅和伸縮、小臂變幅、轉(zhuǎn)臺(tái)會(huì)轉(zhuǎn)、吊籃調(diào)平等，當(dāng)然考慮到安全吊籃控制上設(shè)置了急停按鈕還有狀態(tài)報(bào)警，當(dāng)?shù)趸@發(fā)生傾斜或者其他不符合規(guī)范的情況出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，然后停止工作。

（3）遠(yuǎn)程控制主要方便距離高空作業(yè)車比較遠(yuǎn)的人員對(duì)其進(jìn)行操控。所以遠(yuǎn)程控制屬于一個(gè)獨(dú)立個(gè)體，主要由一個(gè)能夠移動(dòng)的便攜式操控盒進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程控制的主要作用在于對(duì)支腿動(dòng)作和高空作業(yè)車行走進(jìn)行控制，當(dāng)然還會(huì)設(shè)置了急停、報(bào)警指示等功能。這3個(gè)控制臺(tái)不能同時(shí)進(jìn)行工作，不然會(huì)造成指令混亂等現(xiàn)象，所以只能使其中一個(gè)控制臺(tái)出于操作狀態(tài)。

2.2 安全保護(hù)裝置

因?yàn)楦呖兆鳂I(yè)車的安全性能要求非常高，所以在設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)，也需要做好相關(guān)的安全保護(hù)裝置。首先需要保證支腿的安全性，在每個(gè)支腿上安裝一個(gè)壓力傳感器和微動(dòng)開關(guān)，檢測支腿是否空撐和失衡，然后再作出一些控制或者預(yù)警處理，從而保證高空作業(yè)車的在運(yùn)作過程中的安全性。

在大臂上設(shè)置長度/角度傳感器，目的在于測量大臂的伸出長度和仰角，如果在工作過程中發(fā)現(xiàn)大臂曲線超過規(guī)范要求，系統(tǒng)將會(huì)自定關(guān)閉吊籃和大臂，使之停止工作。問了增加蜘蛛式高空作業(yè)車的安全性，使用冗余的2路長度/角度傳感器。

在設(shè)計(jì)過程中使用電液自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠自行處理某些小問題，比如上文已經(jīng)提到過的吊籃在某一個(gè)傾斜角度時(shí)能夠自行處理或者發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并且當(dāng)?shù)趸@出現(xiàn)傾斜度較大時(shí)，可以手動(dòng)對(duì)其進(jìn)行一定的調(diào)整，然后使其滿足系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)平的范圍，這樣系統(tǒng)就可以執(zhí)行自動(dòng)調(diào)整工作，有助于保持吊籃的水平狀態(tài)，提高工作安全性。

另外，電氣控制系統(tǒng)還需要對(duì)高空作業(yè)車的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測，從而防止出現(xiàn)各種問題。所以需要設(shè)置如下檢測單元：在蜘蛛式高空作業(yè)車車體上設(shè)置一個(gè)雙軸傾角傳感器，在每個(gè)支腿上分別設(shè)置一個(gè)微動(dòng)開關(guān)和壓力傳感器;兩個(gè)行程開關(guān)，分別檢測轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)中情況、大臂收回落下情況;大臂伸出量和角度也需要使用一個(gè)傳感器進(jìn)行控制;在吊籃上還需要設(shè)置超聲波傳感器，防止碰撞，設(shè)置一個(gè)稱重傳感器，防止吊籃超重。由于高空作業(yè)車的安全性非常高，需要系統(tǒng)能夠?qū)Ξ惓顟B(tài)進(jìn)行檢測和報(bào)警，所以在對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以有以下措施進(jìn)行實(shí)施：

（1）系統(tǒng)設(shè)置了3個(gè)操控面板，在每個(gè)上面都設(shè)置報(bào)警器和急停按鈕，如果發(fā)現(xiàn)或者檢測到高空作業(yè)車存在異常情況，則可以立即停止運(yùn)動(dòng)和操作。

（2）當(dāng)檢測到蜘蛛式高空作業(yè)車的底盤沒有平衡時(shí)，即高空作業(yè)車不穩(wěn)定則發(fā)出報(bào)警并停止運(yùn)動(dòng)。

（3）當(dāng)檢測當(dāng)支腿上的壓力不平衡或者沒有完全放置到地面時(shí)，那個(gè)支腿出現(xiàn)問題，則相應(yīng)的指示燈會(huì)出現(xiàn)預(yù)警反應(yīng)。

（4）當(dāng)檢測到大臂幅度超過規(guī)范要求時(shí)，則報(bào)警并停止運(yùn)作。

（5）當(dāng)檢測到高空作業(yè)車的下車部分沒有保持水平狀態(tài)時(shí)，此時(shí)上車部分也不能進(jìn)行工作。

（6）當(dāng)檢測到吊籃和其他物體非常接近快要碰撞時(shí)，則會(huì)發(fā)出報(bào)警并停止上車部分運(yùn)動(dòng)。

（7）當(dāng)檢測到吊籃超重時(shí)，則發(fā)出預(yù)警并停止吊籃工作。

2.3 整機(jī)控制系統(tǒng)

通過上述內(nèi)容的分析，系統(tǒng)需要設(shè)置的檢測開關(guān)總量為47個(gè)，需要的輸出開關(guān)總量為33個(gè)，然后還需要設(shè)置檢測的模擬量為5路。文章基于PLC設(shè)計(jì)高空作業(yè)車的電氣控制系統(tǒng)，選擇性能較好的西門子PLC作為控制核心。其型號(hào)為S7-200，這種PLC屬于小型的類型，但是其結(jié)構(gòu)非常緊湊，具有很好的性價(jià)比和擴(kuò)展性，可以說在小型控制工程中，該類型的PLC是一種比較理想的控制器[7-8]。通過上文對(duì)蜘蛛式高空作業(yè)車電氣控制系統(tǒng)的分析，PLC控制器的配置如下所示：選擇CPU226作為CPU單元，包含著16個(gè)開關(guān)量輸出和24個(gè)開關(guān)量輸入;2塊EM231模擬量輸入擴(kuò)展模塊;3塊EM221開關(guān)量擴(kuò)展模塊等。只有配置較為合適的PLC控制器才有助于電氣控制系統(tǒng)的安全和高效運(yùn)行。如圖4所示。

圖4即為蜘蛛式高空作業(yè)車電氣控制系統(tǒng)的原理圖。在設(shè)計(jì)過程中，為了增加電氣控制系統(tǒng)的安全性，通過PLC控制的所有動(dòng)作都會(huì)有相應(yīng)的限定條件，從而能夠及時(shí)阻止高空作業(yè)車的運(yùn)行狀態(tài)。另外，操作面板上的各種操控信號(hào)都需要引入PLC控制器，并且將這些信號(hào)受到邏輯運(yùn)算的影響，從而可以將硬件和軟件之間有一種相互制約的關(guān)系，從而可以提高高空作業(yè)車的安全性，避免出現(xiàn)操作錯(cuò)誤而造成的安全事故。圖5即為控制軟件的流程圖。

3 結(jié)語

蜘蛛式高空作業(yè)車在生產(chǎn)和生活中具備多種用途，并且具有靈活的操作性和廣泛的操作面，所以在實(shí)際應(yīng)用中比較受歡迎。文章通過對(duì)蜘蛛式高空作業(yè)車的工作原理進(jìn)行分析，使用PLC作為電氣控制系統(tǒng)的控制核心，使用冗余設(shè)計(jì)，并且基于安全性設(shè)計(jì)硬件和控制軟件，使得蜘蛛式高空作業(yè)車能夠在安全穩(wěn)定的運(yùn)行情況下實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作，能夠滿足實(shí)際的功能需求。

參考文獻(xiàn)

[1]蒙樹立，熊靜琪，呂志剛.折疊式高空作業(yè)車臂架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模[J].噪聲與振動(dòng)控制，2012（04）：63-67.

[2]夏德茂，馬軍星，王進(jìn)，等.PT25蜘蛛式高空作業(yè)平臺(tái)車架有限元分析[J].建筑機(jī)械化，2011，32（01）：47-49.

[3]李淮，李柯.兩種蜘蛛式高空作業(yè)車回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)與工藝的成本控制[J].工程機(jī)械，2011（09）：31-34.

[4]黃林剛.高大空間作業(yè)平臺(tái)電液系統(tǒng)分析研究[D].西安：長安大學(xué)，2011.

[5]夏秀峰.淺談我國高空作業(yè)車發(fā)展[J].建筑機(jī)械化，2010（09）：32-34.

[6]黃桂芬，陳銘年.我國高空作業(yè)車研究進(jìn)展綜述[J].機(jī)電技術(shù)，2012，35（001）：2-5.

[7]張宇.電加熱器的模糊控制及其PLC實(shí)現(xiàn)[D].南昌：南昌大學(xué)，2005.

[8]黃雪鋒，張紹坤，王國鋒.中國小型PLC市場的發(fā)展之道[J].自動(dòng)化博覽，2009，26（012）：42-45.