西門子PLC S7-1500在工程車控制系統(tǒng)中應(yīng)用

孫根林

（安徽興宇軌道裝備有限公司，安徽蚌埠，233010）

0 引言

常見工程車有重型運(yùn)輸車輛、工程搶險(xiǎn)車、起重機(jī)械等。高空施工作業(yè)車是目前建筑施工領(lǐng)域中重要施工設(shè)備，其中，蜘蛛式高空作業(yè)車因使用方便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際施工領(lǐng)域中應(yīng)用比較多。西門子S7-1500PLC系統(tǒng)在S7-300/400基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，在系統(tǒng)性能、響應(yīng)速度上都有顯著改進(jìn)，提升了電氣控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性等，能夠滿足不同行業(yè)對(duì)高空作業(yè)車的使用需求。對(duì)基于PLC的蜘蛛式高空作業(yè)車控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，探究工程車控制系統(tǒng)具體應(yīng)用。

1 S7-1500PLC系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

■ 1.1 S7-1500PLC系統(tǒng)性能

西門子S7-1500PLC系統(tǒng)綜合性能較強(qiáng)，在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多。西門子S7-1500擁有高速背板總線，能夠快速處理信號(hào)，大大減短了響應(yīng)時(shí)間，500微秒之內(nèi)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，兼顧S7-1500PLC的工作任務(wù)或者能力選擇合適的CPU，不同類型CPU運(yùn)轉(zhuǎn)效率存在一定差異，其中，對(duì)于位指令的運(yùn)算，最快可在10納秒之內(nèi)完成。CPU1511模塊和CPU1513模塊有兩個(gè)PROFINET端口，CPU1516模塊有三個(gè)端口：其中兩個(gè)與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)進(jìn)行通信，第三個(gè)則可用于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。此外，西門子SIMATIC S7-1500系統(tǒng)帶有良好診斷功能，不用額外編寫程序就能具備診斷功能[1]。S7-1500PLC系統(tǒng)能夠?qū)⒏鞣N信息以文本形式顯示在顯示器上，供技術(shù)人員查看，便于人們對(duì)驅(qū)動(dòng)器信息或者故障信息實(shí)時(shí)監(jiān)督。

■ 1.2 S7-1500PLC系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)

西門子S7-1500PLC相比于S7-200、S7-300等，有著顯著應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，S7系列的兼容性較強(qiáng)，能夠更好地滿足不同行業(yè)的特殊需求，S7-1500模塊在尺寸上比S7-300大一點(diǎn)，其接線位置的設(shè)計(jì)，加上自帶屏蔽支架、線卡和電源元件，使接線更加便利；相比于S7系列其他可編程控制器，S7-1500 中央處理器上配有LED顯示屏，能夠直觀顯示有無(wú)故障信息或者CPU運(yùn)行狀態(tài)等。不同于S7-300/400，S7-1500可編程控制器采用的是新型的背板總線技術(shù)，并采用高波特率和高傳輸協(xié)議，能夠快速響應(yīng)，處理效率高；S7-1500可編程控制器CPU模塊集成PROFINET接口最少一個(gè)，最多有三個(gè)，而S7系列其他可編程控制器很少有CPU型號(hào)能夠集成有PROFINET接口；S7-1500 PLC的模塊對(duì)于故障診斷能力較強(qiáng)，如果出現(xiàn)故障，能夠快速識(shí)別故障通道，減少停機(jī)時(shí)間，這是S7其他可編程控制器無(wú)法比擬的；西門子新的自動(dòng)化設(shè)備都要集成到TIA博途軟件中，S7-1500PLC作為新型控制器也需要無(wú)縫集成軟件平臺(tái)，借助軟件平臺(tái)，能夠方快捷地完成各項(xiàng)工作，而S7-300/400可編程控制器上位組態(tài)軟件為WinCC，其性能不如TIA博途軟件[2]；S7-300/400 PLC能夠支持的最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為32位，而S7-1500PLC最大能達(dá)到64位，且除了基本數(shù)據(jù)類型，S7-1500PLC還能支持更多數(shù)據(jù)類型。

2 蜘蛛式高空作業(yè)車工作原理

高空作業(yè)車在建筑工程中使用廣泛，形式種類也較多，例如，臂架式、雙桅柱式、單桅柱式等，其中蜘蛛式高空作業(yè)車性能較好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用更加方便。如圖1所示，為蜘蛛式高空作業(yè)車結(jié)構(gòu)示意圖，整體上可由下車部分和上車部分組成，下車部分，主要有行走裝置、支腿、轉(zhuǎn)臺(tái)以及底盤等，上車部分主要由大臂、小臂和吊籃構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但能夠完成多種動(dòng)作，例如，行走、轉(zhuǎn)向、大小臂變幅、大臂收縮、吊籃旋轉(zhuǎn)等，在建筑領(lǐng)域施工過程中使用靈活，能夠結(jié)合具體施工要求高效完成建筑任務(wù)。

圖1 蜘蛛式高空作業(yè)車簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)圖

交流電機(jī)為蜘蛛式高空作業(yè)工程車液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，加上控制閥的使用，控制或者改變液壓油的流向、速度以及流量，以推動(dòng)液壓缸變換動(dòng)作實(shí)現(xiàn)不同功能，滿足工程領(lǐng)域中對(duì)蜘蛛式高空作業(yè)車的多樣化使用需求[3]。由于作業(yè)車的整體由兩部分組成，因此，液壓系統(tǒng)也相應(yīng)的分為上車液壓系統(tǒng)和下車液壓系統(tǒng)，由回轉(zhuǎn)頭承接液壓系統(tǒng)兩部分。其中上車液壓系統(tǒng)根據(jù)上車部分結(jié)構(gòu)要完成的動(dòng)作，由整車回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、工作臂變幅與伸縮系統(tǒng)、吊籃調(diào)平系統(tǒng)等組成，而下車部分主要是實(shí)現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)向等功能，因此下車液壓系統(tǒng)由支腿動(dòng)作系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等組成。

3 蜘蛛式高空作業(yè)車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

采用220V交流電源為該作業(yè)工程車提供動(dòng)力，由于西門子S7-1500PLC是作為S7-300或S7-400替換機(jī)種而存在的，綜合性能更加優(yōu)越，因此文章設(shè)計(jì)的工程車控制系統(tǒng)編程硬件主要選取了西門子S7-1500型號(hào)可編程控制器，除此之外，還有一些PCL的硬件設(shè)施，例如，與PLC相適應(yīng)的中央處理器、輸入與輸出單元、存儲(chǔ)器、通信接口、電源等。

■ 3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體上主要采用邏輯控制方式，確保對(duì)作業(yè)車各部分的安全檢測(cè)和環(huán)境的穩(wěn)定可靠。基于PLC的蜘蛛式高空作業(yè)車電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 蜘蛛式高空作業(yè)車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

軟件設(shè)計(jì)方面，針對(duì)操作面板上的各種信號(hào)都配備PLC控制器，以邏輯運(yùn)算控制信號(hào)的傳輸，實(shí)現(xiàn)軟件與系統(tǒng)硬件的相互制約，避免因操作錯(cuò)誤引起安全事故。控制軟件的流程為：?jiǎn)?dòng)高空作業(yè)車，如果選擇下車操作，則調(diào)節(jié)支腿，然后判斷是否行走，如果需要行走，下一步選擇行走方向和合適的行走速度，如果不行走，則收回支腿，將大臂落下；也可選擇上車操作，打開并調(diào)節(jié)支腿，保證底盤的穩(wěn)定，發(fā)送允許上車動(dòng)作指令，下一步可對(duì)大臂的伸縮、大臂和小臂的上升與下降、轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)、吊籃移動(dòng)以及控制速度進(jìn)行選擇和控制，每次執(zhí)行完相應(yīng)任務(wù)后，自動(dòng)判斷工作狀態(tài)是否正常，檢測(cè)不正常時(shí)及時(shí)報(bào)警處理。

■ 3.2 控制臺(tái)

蜘蛛式高空作業(yè)車在高空作業(yè)，因此工程車的安全性和穩(wěn)定性要求非常高。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，為保障施工安全，設(shè)計(jì)了本車控制、吊籃控制以及遠(yuǎn)程控制這3個(gè)控制臺(tái)，分別詳細(xì)介紹3個(gè)控制臺(tái)的設(shè)計(jì)。為方便作業(yè)車地面人員對(duì)其進(jìn)行操作和控制，在作業(yè)車車體上安裝本機(jī)控制，控制臺(tái)設(shè)置了啟動(dòng)、急停以及一些控制按鈕，使得工作人員能夠控制高空作業(yè)車的開啟、停止、吊籃的調(diào)平等過程，當(dāng)作業(yè)車運(yùn)行狀態(tài)不正常或者發(fā)生故障時(shí)，能夠給出自動(dòng)報(bào)警指示，以免造成人員受傷或者經(jīng)濟(jì)損失。在上車部分的吊籃上安裝吊籃控制，主要用于吊籃上的工作人員對(duì)高空作業(yè)車進(jìn)行全程控制，以實(shí)現(xiàn)大臂變幅和伸縮、小臂變幅以及吊籃調(diào)平等各項(xiàng)功能，以便于工作的進(jìn)行，為保障吊籃上工作人員的安全，在吊籃控制上還設(shè)置了急停和報(bào)警功能，如果因外界環(huán)境或者設(shè)備原因等，吊籃失去平衡或者難于控制時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。在信息技術(shù)與通訊技術(shù)的應(yīng)用下，工作人員即使不在現(xiàn)場(chǎng)也能對(duì)高空作業(yè)車進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，完成操作，能夠移動(dòng)的便攜式操控盒是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)。通常情況下，會(huì)對(duì)高空作業(yè)車的支腿動(dòng)作、行走過程進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，同樣的，遠(yuǎn)程控制也設(shè)計(jì)了急停、報(bào)警指示等功能[4]。

■ 3.3 安全保護(hù)裝置

電氣控制系統(tǒng)的性能關(guān)乎著高空作業(yè)車的行走或者施工安全性，因此，高空作業(yè)車的電氣控制系統(tǒng)也需對(duì)安全保護(hù)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。支腿是承載整體車身重量的關(guān)鍵，為保證支腿作用的良好發(fā)揮，將作業(yè)車每個(gè)支腿上都安裝一個(gè)壓力傳感器和微動(dòng)開關(guān)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)車的支腿是否正常支撐，如果監(jiān)測(cè)到失衡或空撐現(xiàn)象，及時(shí)做出相應(yīng)調(diào)整或者給出預(yù)警提示，從而保證高空作業(yè)車正常運(yùn)轉(zhuǎn)和建筑工程的施工安全。采用PLC可編程控制器設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)，對(duì)作業(yè)車的大臂、轉(zhuǎn)臺(tái)、支腿、吊籃等進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和異常報(bào)警。為保證作業(yè)車各個(gè)動(dòng)作在可控范圍內(nèi)，通過PLC控制的部件的運(yùn)轉(zhuǎn)都會(huì)有一定的限制。另外，三個(gè)操作面板上的各種操控信號(hào)都需要引入PLC控制器，通過硬件設(shè)施和軟件平臺(tái)之間的相互制約關(guān)系提高高空作業(yè)車的安全性，避免因工作人員操作失誤而導(dǎo)致嚴(yán)重安全事故。電氣系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 電氣控制系統(tǒng)原理圖

■ 3.4 實(shí)際應(yīng)用

電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于液壓系統(tǒng)，以驅(qū)動(dòng)相關(guān)液壓系統(tǒng)完成各種動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)車的發(fā)動(dòng)機(jī)停啟、操控調(diào)節(jié)、極限報(bào)警等應(yīng)用。

系統(tǒng)有3個(gè)操控面板，可實(shí)現(xiàn)工作人員在地面、吊籃內(nèi)以及遠(yuǎn)程情況下對(duì)作業(yè)車的有效操控，每個(gè)操控面板都有設(shè)置急停按鈕以及報(bào)警裝置，如果檢測(cè)到作業(yè)車運(yùn)行狀態(tài)異常或者出現(xiàn)故障，能夠便于工作人員及時(shí)按下停止按鈕，保障運(yùn)行安全。如果有檢測(cè)到蜘蛛式高空作業(yè)車底盤不夠平衡，有發(fā)生傾斜的風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)會(huì)停止動(dòng)作控制并發(fā)出報(bào)警。每個(gè)支腿上都有安裝壓力傳感器和開關(guān)，如果作業(yè)車每個(gè)支腿上的壓力不平衡，或者出現(xiàn)有的支腿懸空，出現(xiàn)異常的這個(gè)支腿上的指示燈會(huì)發(fā)出預(yù)警功能[5]。對(duì)大臂的動(dòng)作幅度作了一定的限制，當(dāng)檢測(cè)到大臂擺動(dòng)幅度超過安全范圍或者極限值時(shí)，會(huì)停止運(yùn)作并報(bào)警。當(dāng)?shù)趸@稱重超標(biāo)或者與其他物體距離過短時(shí)，上車部分會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，并發(fā)出報(bào)警，防止吊籃和其他物體相撞。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，西門子S7-1500PLC系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短、處理速度快，安全性和穩(wěn)定性高，在建筑工程中受到廣泛應(yīng)用。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，采用PLC控制器對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得PLC控制器應(yīng)用下蜘蛛式高空作業(yè)車能夠安全穩(wěn)定完成各種動(dòng)作，以良好滿足施工過程中的實(shí)際需求。