基于PLC的高空作業車自動充電系統

劉 璐 王桂森 鄭 軍 張仁民

杭州愛知工程車輛有限公司 杭州 310020

0 概述

高空作業車是一種能夠在各種高空建筑物空隙間作業的設備，廣泛應用于電力、市政、園林、通信、機場、造（修）船、交通、攝影等領域[1]。隨著電力行業的不斷發展，對不斷電進行帶電作業維修高架線路的需求越來越多，使用高空作業車進行帶電作業的作業密度不斷加大，對高空作業車使用效率的要求也越來越高。目前，高空作業車通常在工作斗上設置有許多用電設備，如工作斗控制器、傳感器、顯示屏、照明燈等。為了滿足高空作業車的用電需求。現有相關技術中，通常通過在工作斗上設置電池為用電設備供電，通過更換備用電池維持工作斗上用電設備的正常工作。然而，相關技術中更換電池的方法無法滿足高空作業時不間斷作業的要求，容易導致電池和備用電量用光就無法繼續作業情況，從而影響高空作業車的正常工作。

針對上述問題，本文設計了一種基于PLC的高空作業車自動充電系統，通過為高空作業車安裝相關液壓元件、電氣元件，能夠使高空作業車上用電設備長期不間斷正常用電，不需要停機更換電池，提高高空作業工作效率。

1 現有的高空作業車充電技術

1.1 原有充電系統原理

為了實現高空作業車斗部能夠長期使用，以往的作法是在下車安裝備用電池與隨車充電器。備用電池用以斗部電瓶虧電時對斗部電瓶進行替換，隨車充電器用于日常行車時間，對備用電池進行充電。

如圖1所示，高空作業車斗部電氣箱內部裝有控制器、傳感器等用電設備，安裝在工作斗上面，斗部電池為電氣箱供電；下部電氣箱內部裝有充電器，汽車底盤發動機工作時，充電器會對備用電池進行充電，維持電瓶電量滿；當斗部電池虧電時，需要操作人員使用備用電池對其進行更換，來維持斗部電氣箱內用電設備工作，完成相關高空作業。

圖1 原有高空作業車充電系統構成圖

1.2 原有充電系統的技術缺點

原有的充電系統為人工干預式，即需要人工進行更換電池，在高空作業車實際工作中，經常使用在對電網進行帶電作業維修維護的場景中，對工作效率和便捷性要求較高。在高空作業過程中，作業位置都在高空，且作業的環境可能比較復雜，需要較長時間才能調整車體位置，如果在作業中途出現斗部電瓶虧電情況，需將車體臂架收回到地面對電瓶進行更換后再回到原來的工作位置，非常影響帶電作業的效率。同時下部充電器只有在汽車底盤工作的情況下才能工作，如果使用者進行高空作業的地理位置離停放點較近，備用電瓶可能會處在未充滿電的狀態。當斗部電瓶虧電時，即使再使用備用電瓶進行更換，也會因為備用電瓶虧電而影響高空作業的時間，無法實現長時間工作。

綜上所述，原充電系統需要人工更換電池，效率低，更換難度大，難以維持長時間高空作業，這些因素造成該系統的實用性較差。因此，在高空作業過程中，仍存在無法不間斷作業的問題。

2 基于PLC的自動充電控制方法原理

2.1 PLC原理

本文設計的基于PLC的自動充電系統，需要PLC檢測電瓶電壓，發電機轉速及控制液壓發電機工作。PLC是一種具有微處理器的數字電子設備，用于自動化控制的數字邏輯控制器，可以將控制指令隨時加載存儲器內存儲與運行。可編程控制器由內部CPU、指令及數據存儲器、輸入輸出單元、電源模塊、數字模擬等單元所模塊化組合成。PLC可接收（輸入）及發送（輸出）多種類型的電氣或電子信號，并使用其控制或監督幾乎所有種類的機械與電氣系統。

將PLC運用到高空作業車上符合目前機械發展的趨勢。PLC技術可以在一定程度上增強工程機械電氣控制裝置的自動化水平及其自身的質量，使其運用的有效性科學性與合理性也得到一定程度的提升[2]。同時，PLC的運用提升了系統的安全性，降低了系統誤差，減少了工程機械在工作中出現故障的情況，提高了系統的可靠性和準確性。

2.2 液壓系統原理

使用自身高空車的液壓回路分支帶動液壓馬達進行發電，其設計簡潔，高空作業進行或停止時都可以進行發電，且該系統選用發電機噪聲小，可以在不擾民的環境下進行工作。傳統發電油路系統是定量泵帶動調速閥進行工作，液壓系統原理如圖2所示。

圖2 傳統的液壓系統原理圖

圖2所示液壓系統中，定量泵在發動機帶動下液壓油進入高空作業車總油路，換向閥不通電時液壓油進入主閥為高空作業提供液壓油，多余流量通過換向閥匯入高空作業車回油路。當換向閥通電時液壓油進入自動充電系統油路帶動液壓馬達進而驅動發電機動作，液壓馬達轉速通過調速閥進行調節。該系統中總流量基本恒定，液壓發電動作時多余流量會通過溢流閥溢流，導致油溫上升較快。因此，在總回油路還必須增加冷卻器，冷卻器是保證液壓系統正常工作的一種很重要的附件[3]。從節能方面考慮，該系統能量浪費嚴重且易發熱需要單獨增加冷卻器，故設計了另外一套液壓系統，如圖3所示。

圖3 改進的液壓系統原理圖

圖4 電氣系統原理圖

圖3所示液壓系統中，變量泵在發動機帶動下液壓油進入高空作業車總油路，換向閥不通電時液壓油進入主閥為高空作業提供液壓油，多余流量通過換向閥匯入高空作業車回油路。當換向閥及三通流量閥同時通電時，液壓油進入自動充電系統油路帶動液壓馬達進而驅動發電機動作。控制閥組件為比例三通流量閥，比例三通流量閥屬于流量閥的一種。在液壓系統中，用來控制流體流量的閥統稱為流量控制閥，簡稱流量閥[4]。流量閥配合電器系統反饋控制可以精準地控制通過液壓馬達的流量，從而更好地控制發電機的轉速。該系統變量泵可以根據實際需求提供適當的流量，液壓發電時即使有多余流量也會從三通流量閥回油箱，不會出現溢流情況。因此，從節能及系統發熱情況來看，該系統改進效果較明顯。

2.3 電氣系統原理

電氣系統以PLC為核心，通過輸出穩壓裝置將發電機產生的交流電轉換為直流電，對電瓶進行充電，在高空作業車的發動機和發電機上分別裝有轉速檢測傳感器，通過PLC檢測轉速檢測傳感器信號和電瓶電壓，使用閥泵協同控制策略，采用前饋+PID控制方法，通過控制變量泵的轉角和三通流量閥的開口大小，實現液壓馬達達到目標轉速，發電機發出穩定電壓電流供給電瓶及用電設備。

2.4 閥泵協同控制

為了消除液壓馬達轉速的震蕩，使發電機獲得平穩的轉速，根據閥泵調速協同工作原理提出閥泵協同控制策略，通過前饋+PID的控制方法，實現馬達轉速平穩運行。閥泵協同控制系統的控制目標分別是變量泵和三通流量閥，通過控制變量泵的排量和三通流量閥的開口大小實現對發電機轉速的控制。

在設計此系統的控制方法之前，首先對整個系統的工作情況進行研究，高空作業車自動充電系統的工作過程主要包含開始時的初始加速環節和后續工作時的穩定波動調節環節。在初始加速環節，需要通過控制變量泵的流量達到目標系統流量，在達到目標系統流量后，在接近目標發電機轉速的附近通過調節流量閥的開口對轉速進行微調，以達到目標的輸出電壓和電流值。

2.4.1 前饋控制環節

前饋控制是根據檢測到信號擾動的大小和擾動的變化，控制系統在偏差出現以前作用，主要應用在控制回路滯后、反饋控制不及時、外部擾動可測不可控的系統。

根據高空作業車自動充電系統原理可知，高空作業車傳動系統中的變量泵輸入端轉速是典型的可測不可控變量。可測是指高空作業車在工作過程中可通過傳感器將輸入端的速度信號轉化為標準的電信號，不可控主要是指在高空作業車工作時，泵的轉速可能受到不同工況、負載變化等多種因素影響，很難通過對控制系統的簡單設置，使其轉速穩定。

變量泵的輸出流量為

Qsp＝Kp·ωp·γ

式中：Qsp為變量泵的輸出流量；Kp為變量泵的排量梯度；ωp為變量泵的角速度；γ為變量泵變量機構擺角。

前饋控制變量γ范圍為0°～18°，排量在0～90 ml/r變化，對應的擺角控制信號為0～1。

在變量泵的工作過程中，由于變量泵動力是由高空作業車發動機提供，在高空作業車工作過程中，由于工作狀態和負載變化的原因，發動機的轉速變化無法實時控制，選擇基于給定的前饋控制方法對變量泵進行控制，使其在變轉速輸入下為系統提供穩定流量。使用前饋控制能夠有效地消除發動機工作時轉速大范圍變化對液壓系統穩定性的影響，減少了節流調速環節的泄油損失。

2.4.2 PID控制環節

PID算法是工業應用中最廣泛的算法之一，在閉環系統的控制中，可自動對控制系統進行準確且迅速地校正。PID以其3種糾正算法而命名。受控變量是比例、積分、微分3種算法相加后的結果，即為輸出，其輸入為誤差值（設定值減去測量值后的結果）或是由誤差值衍生的信號。若定義u(t)為控制輸出，PID 算法可表示為

式中：Kp為比例增益，Ki為積分增益，Kd為微分增益，e為誤差值，t為當前時間。

常規的模擬PID控制系統原理框圖如圖5所示。

圖5 PID控制系統原理框圖

可以通過調整3個單元的增益Kp、Ki和Kd來調定其特性，PID控制器主要適用于基本上呈線性，且動態特性不隨時間變化的系統。

采用PID對閥泵協同系統進行校正，以保證在多種擾動影響下，發電機輸出轉速為穩定值。在本系統中控制閥與系統回路采用串聯方式，通過調節流入發電機的流量恒定，以達到對發電機輸出轉速的控制。在參數調節方面，已經有不少的理論指導和工程經驗，故在現場可根據實際情況運用規律調節PID參數[5]。

2.5 高空作業車自動充電控制方法

如圖6所示，當工作斗上的工作斗控制器檢測到儲能裝置電量低，工作斗控制器發送信號給下車控制器，下車控制器控制液壓泵在發動機帶動下輸出液壓油，通過高空作業車總油路、自動充電系統油路穿過工作臂將液壓油從高空作業車液壓油箱輸送到工作斗上的控制閥組件，工作斗控制器給控制閥組件通電，進而液壓馬達帶動發電機轉動發出電壓電流信號對儲能裝置進行充電。在充電過程中，工作斗控制器通過轉速傳感器檢測發電機轉速，通過輸出穩壓裝置控制發電機到儲能裝置的電壓，使其穩定在一定范圍內，當檢測到發電機轉速異常時，通過控制閥泵協同系統進行調速，以此形成閉環控制，當工作斗控制器檢測到儲能裝置電量充滿時，則控制控制閥組件斷電，停止充電。

圖6 控制流程圖

2.6 高空作業車自動充電系統測試結果分析

對充電系統工作穩定性的分析主要分為變量泵輸出流量的調節和發電機的轉速控制2個部分，變量泵輸出流量的調節即變量泵控制試驗曲線，變量泵的機構擺角必須能夠實時隨著發動機轉速的變化進行調節，維持變量泵的輸出流量在設定值附近；對于發電機的轉速控制，變量泵的輸出流量經過控制閥節流調速后輸入發電機馬達，控制閥的開口自動調節應能將馬達轉速穩定在設定值。

2.7 變量泵的控制響應

根據高空作業車不同工作狀態下對發動機轉速的不同要求，對變量泵進行開環分段控制，通過0～1的控制信號，控制變量泵機構擺角在0°～18°范圍內變化，以調節變量泵的排量，如圖7所示。

圖7 變量泵開環分段控制

在發動機轉速較低時，控制泵的信號比較低，此時變量泵機構的擺角打開較大，在發動機轉速較高時，控制泵的信號也較高，此時變量泵機構的擺角打開較小。通過此分段信號，控制變量泵在發動機不同轉速情況下，輸出一個較穩定的系統流量。

2.8 發電機轉速的控制響應

在變量泵完成把發動機的動能轉換為液壓動力，并將此流量調節到系統要求輸出后，此流量經過控制閥輸入液壓發電機馬達。

如圖8所示，在自動充電系統開始工作后，發電機的轉速迅速達到目標轉速附近，在經過4.5 s后穩定在950 r/min附近；如圖9所示，當在系統中突然加入3 kW的負載時，發電機的轉速發生了突然降低，然后在1 s時間內的恢復到950 r/min；再次，如圖10所示，當從系統中撤去3 kW的負載時，發電機轉速發生了突然升高，然后在1 s時間內匯入到正常轉速。

圖8 啟動時發電機轉速變化曲線

圖9 加入3 kW負載時發電機轉速曲線

圖10 撤去3 kW負載時發電機轉速曲線

在以上測試中，啟動時發電機的轉速最大偏差值為990 r/min，加負載和去負載的最大偏差分別為920 r/min和980 r/min，偏差值占目標轉速百分比為4%，收斂速度分別為4.5 s、1 s、1 s，說明使用了變量泵前饋控制加PID控閥的控制方法對系統的控制效果良好。

3 結語

通過在高空作業車斗部設置變量泵、三通流量閥、液壓馬達、發電機，油路，并通過PLC，傳感器，使用閥泵協同控制方法，利用自身發動機動力給電瓶充電，可以使高空作業車實現無需更換斗部電池，進行長時間的作業，針對發電機輸出轉速波動的問題，采用了前饋+PID的控制策略，聯合對高空作業車自動充電系統的輸出轉速進行控制，顯著提高了系統的穩定性和充電效率。本文所述高空作業車自動充電系統已經在高空作業車上應用，效果良好。該系統原理及流程控制簡單，PLC編程易于實現，具有較高的可推廣性。