基于PLC的蜘蛛式高空作業車電氣控制系統

高勇

摘 要：在建筑、設備安裝等需要高空作業的領域中使用高空作業車非常重要。如今隨著高空作業車的頻繁使用，其種類越來越多，其中蜘蛛式高空作業車具有優異的性能，如操作方便、靈活性好、工作區間大等，所以在實際生產和生活中使用頻繁。蜘蛛式高空作業車需要具備非常高的安全性和穩定性，其中電氣控制系統直接決定著高空作業車的穩定運行狀況，所以對電氣控制系統進行設計時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，于是文章設計了基于PLC的蜘蛛式高空作業車電氣控制系統，該系統有助于提高蜘蛛式高空作業車的安全性。

關鍵詞：PLC;高空作業車;電氣控制系統;蜘蛛式

中圖分類號：TH211+.6 文獻標識碼：A 文章編號：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車性能較好，使用方便，因為該高空作業車有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車[1-2]。蜘蛛式高空作業車不僅具有較為優美的外觀，而且具有很好的靈活機動性、操作方便、工作區間大、安全可靠性高等優勢，所以在實際生產和生活中應用比較多[3-4]。但是這種類型的高空作業車在國外應用更加廣泛，比如在建筑施工、制船、設備安裝等領域。因為我國使用的大高度作業車以進口方式為主，所以在一定程度上降低了蜘蛛式高空作業車的使用范圍。高空作業車與其他工程機械有著很大的區別，高空作業車的負荷比較小，而且作業頻率也比較少，但是由于是在高空作業，對其可靠性和安全性要求非常高，需要保證蜘蛛式高空作業車的每個組成部分具有非常可靠的性質，在保證機械和液壓系統安全穩定的基礎之上，電氣控制系統在高空作業車中也相當重要，如果電氣控制系統出現問題，就會導致整個高空作業車無法工作，甚至會造成人身安全問題[5-6]。所以文章將主要對其電氣控制系統進行深入研究，該系統中使用PLC控制系統。

1 蜘蛛式高空作業車工作原理

蜘蛛式高空作業車的結構相對比較簡單，如圖1所示，可以將該結構分為兩個部分，一個部分屬于下車部分，主要包含支腿、轉臺、行走裝置和底盤組成，另外一個部分就是上車部分，該部分主要包含大小臂和吊籃組成。蜘蛛式高空作業車結構看似簡單，但是能夠完成很多作業動作，比如支腿調節、大小臂變幅、轉向、行走、大臂收縮、吊籃旋轉、轉臺回轉和吊籃調平等。所以使用蜘蛛式高空作業車進行高作作業，將會具有非常大的靈活性，能夠根據實際要求在高空中完成各種動作要求。

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

表1列舉了部分不同動作與閥之間的邏輯關系，表中的+號代表的是電磁閥得到電，箭頭表示的是比例調節閥工作。將YV2作為比例閥，然后通過其對系統流量進行調節，可以對動作速度進行改變，此時有一些動作：

當YV10得到電時，能夠操作上車動作。包含大臂上下變幅、伸縮和轉臺左右旋轉。

當YV9得到電時，可以調節支腿，即對四個支腿進行打開或者收回操作

可以控制YV11/YV12對蜘蛛式高空作業車的方向進行調整，比如操控車向前或者向后進行運動，然后為了調整速度，控制YV15實現串并轉換即可調整速度快慢。

控制YV13/YV14即可實現蜘蛛式高空作業車的左右移動。

上述動作開可以進行加快處理，即使得電池閥YV1得電，從而雙泵合流就可以提高動作速度。當YV1處于失電狀態時，控制YV7、YV8即可實現小臂的上下變幅，控制YV3、YV4即可實現吊籃調平，控制YV5、YV6即可實現吊籃的旋轉，比如逆時針旋轉或者順時針旋轉。

旋轉操作。當蜘蛛式高空作業車處于水平狀態時，對轉臺進行操作就可以使得上車部分進行旋轉運動，然后高空作業車的4個支腿也可以進行調節，并且每個支腿之間是相互獨立的，可以實現單個進行調整。

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

吊籃操作。吊籃的主要動作有回轉和調平，由于吊籃屬于工人的工作位置，所以需要保持吊籃的水平，并且吊籃強度有限，不能承載過重的物質，所以為了提高高空作業車的安全性，在吊籃的底部安裝稱重傳感器和水平/傾斜角傳感器，當傳感器監測到吊籃的傾斜角超過了5°或者超載，則會自動停止高空作業車的所有動作。當傾斜角小于1.5°大于1°時，高空作業車會自動對吊籃進行調整。

2 蜘蛛式高空作業車電氣控制系統設計

通過上文對蜘蛛式高空作業車的工作原理分析，然后再其電氣控制系統進行設計，該作業車的電源采用220V交流電源。電氣控制系統主要為液壓系統提供動力，然后實現各種動作的操控調節、極限位置報警、發動機停啟操作等功能。

2.1 控制臺

在設計電氣控制系統時，為了提高蜘蛛式高空作業車的安全性和可操作性，設計了3個控制臺，分別為本車控制、遠程控制和吊籃控制，下面將對3個控制臺進行具體分析設計。

（1）本機控制安裝在高空作業車車體上，主要作用在于控制高空作業車的開啟、控制吊籃的調平等，當高空作業車運行出現問題時還會出現在自動報警指示。該控制臺設置了一些功能按鈕，比如急停、啟動、控制選擇、遠程等。主要方便高空作業車下面的人員進行操控。

（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對高空作業車進行控制。吊籃控制主要的功能有大臂變幅和伸縮、小臂變幅、轉臺會轉、吊籃調平等，當然考慮到安全吊籃控制上設置了急停按鈕還有狀態報警，當吊籃發生傾斜或者其他不符合規范的情況出現時，系統就會自動報警，然后停止工作。

（3）遠程控制主要方便距離高空作業車比較遠的人員對其進行操控。所以遠程控制屬于一個獨立個體，主要由一個能夠移動的便攜式操控盒進行實現。遠程控制的主要作用在于對支腿動作和高空作業車行走進行控制，當然還會設置了急停、報警指示等功能。這3個控制臺不能同時進行工作，不然會造成指令混亂等現象，所以只能使其中一個控制臺出于操作狀態。

2.2 安全保護裝置

因為高空作業車的安全性能要求非常高，所以在設計電氣控制系統，也需要做好相關的安全保護裝置。首先需要保證支腿的安全性，在每個支腿上安裝一個壓力傳感器和微動開關，檢測支腿是否空撐和失衡，然后再作出一些控制或者預警處理，從而保證高空作業車的在運作過程中的安全性。

在大臂上設置長度/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現大臂曲線超過規范要求，系統將會自定關閉吊籃和大臂，使之停止工作。問了增加蜘蛛式高空作業車的安全性，使用冗余的2路長度/角度傳感器。

在設計過程中使用電液自動調平系統，系統能夠自行處理某些小問題，比如上文已經提到過的吊籃在某一個傾斜角度時能夠自行處理或者發出報警信號，并且當吊籃出現傾斜度較大時，可以手動對其進行一定的調整，然后使其滿足系統自動調平的范圍，這樣系統就可以執行自動調整工作，有助于保持吊籃的水平狀態，提高工作安全性。

另外，電氣控制系統還需要對高空作業車的工作狀態進行檢測，從而防止出現各種問題。所以需要設置如下檢測單元：在蜘蛛式高空作業車車體上設置一個雙軸傾角傳感器，在每個支腿上分別設置一個微動開關和壓力傳感器;兩個行程開關，分別檢測轉臺對中情況、大臂收回落下情況;大臂伸出量和角度也需要使用一個傳感器進行控制;在吊籃上還需要設置超聲波傳感器，防止碰撞，設置一個稱重傳感器，防止吊籃超重。由于高空作業車的安全性非常高，需要系統能夠對異常狀態進行檢測和報警，所以在對電氣控制系統進行設計時，可以有以下措施進行實施：

（1）系統設置了3個操控面板，在每個上面都設置報警器和急停按鈕，如果發現或者檢測到高空作業車存在異常情況，則可以立即停止運動和操作。

（2）當檢測到蜘蛛式高空作業車的底盤沒有平衡時，即高空作業車不穩定則發出報警并停止運動。

（3）當檢測當支腿上的壓力不平衡或者沒有完全放置到地面時，那個支腿出現問題，則相應的指示燈會出現預警反應。

（4）當檢測到大臂幅度超過規范要求時，則報警并停止運作。

（5）當檢測到高空作業車的下車部分沒有保持水平狀態時，此時上車部分也不能進行工作。

（6）當檢測到吊籃和其他物體非常接近快要碰撞時，則會發出報警并停止上車部分運動。

（7）當檢測到吊籃超重時，則發出預警并停止吊籃工作。

2.3 整機控制系統

通過上述內容的分析，系統需要設置的檢測開關總量為47個，需要的輸出開關總量為33個，然后還需要設置檢測的模擬量為5路。文章基于PLC設計高空作業車的電氣控制系統，選擇性能較好的西門子PLC作為控制核心。其型號為S7-200，這種PLC屬于小型的類型，但是其結構非常緊湊，具有很好的性價比和擴展性，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]。通過上文對蜘蛛式高空作業車電氣控制系統的分析，PLC控制器的配置如下所示：選擇CPU226作為CPU單元，包含著16個開關量輸出和24個開關量輸入;2塊EM231模擬量輸入擴展模塊;3塊EM221開關量擴展模塊等。只有配置較為合適的PLC控制器才有助于電氣控制系統的安全和高效運行。如圖4所示。

圖4即為蜘蛛式高空作業車電氣控制系統的原理圖。在設計過程中，為了增加電氣控制系統的安全性，通過PLC控制的所有動作都會有相應的限定條件，從而能夠及時阻止高空作業車的運行狀態。另外，操作面板上的各種操控信號都需要引入PLC控制器，并且將這些信號受到邏輯運算的影響，從而可以將硬件和軟件之間有一種相互制約的關系，從而可以提高高空作業車的安全性，避免出現操作錯誤而造成的安全事故。圖5即為控制軟件的流程圖。

3 結語

蜘蛛式高空作業車在生產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，所以在實際應用中比較受歡迎。文章通過對蜘蛛式高空作業車的工作原理進行分析，使用PLC作為電氣控制系統的控制核心，使用冗余設計，并且基于安全性設計硬件和控制軟件，使得蜘蛛式高空作業車能夠在安全穩定的運行情況下實現各種動作，能夠滿足實際的功能需求。

參考文獻

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

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

[3]李淮，李柯.兩種蜘蛛式高空作業車回轉平臺結構與工藝的成本控制[J].工程機械，2011（09）：31-34.

[4]黃林剛.高大空間作業平臺電液系統分析研究[D].西安：長安大學，2011.

[5]夏秀峰.淺談我國高空作業車發展[J].建筑機械化，2010（09）：32-34.

[6]黃桂芬，陳銘年.我國高空作業車研究進展綜述[J].機電技術，2012，35（001）：2-5.

[7]張宇.電加熱器的模糊控制及其PLC實現[D].南昌：南昌大學，2005.

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