电气中级职称论文电气工程师职称论文蜘蛛式高空作业平台的电气控制系统设计研究

电气中级职称论文电气工程师职称论文:蜘蛛式高空作业平台的电气控制系统设计研究摘要：在分析蜘蛛式高空作业平台的使用功能和特点的基础上，蜘蛛式高空作业平台电气控制系统采用PLc控制器。为了确保工作过程的安全性和可靠性，对重要参数的检测采用了冗余设计，并在硬件和控制软件设计中采用了必要的可靠性措施，以保证每次操纵的正确性，最大限度地避免误操-作的发生，实现安全、便捷、高效的使用要求。关键词：高空作业平台，蜘蛛式;电气控制系统;安全性，可靠性1引言高空作业平台有单桅柱式、双桅柱式、车载剪叉式、剪叉自行式、臂架式、蜘蛛式等多种形式，其中蜘蛛式高空作业平台是因其4条支腿放置地面后形似蜘蛛腿而得名，其外型美观、操作方便、安全可靠、灵活机动、工作区间大，在国外广泛用于建筑施工与设备安装及维护、风电设备安装、造船等领域[l]。目前，我国高空作业平台大高度产品和特殊产品，如蜘蛛式大高度作业平台、自行式高空作业平台依然以进口为主[z]。不同于其他工程机械，高空作业平台的作业频率不高，负荷较小，但对安全性、可靠性要求较高，因此，在稳定可靠的机械和液压系统基础上，其电气控制系统尤为重要。2蜘蛛式高空作业平台工作原理蜘蛛式高空作业平台的结构如图1所示，在结构上可分为上车和下车两部分，上车包括大臂、小臂和吊篮，下车包括支腿、底盘、转台和行走装置，作业平台包括以下动作:支腿调节、行走、转向、转台回转、大臂伸缩、大臂变幅、小臂变幅、吊篮调平、吊篮旋转等。液压系统图如图2所示。高空作业平台液压系统以交流电机提供动力，通过控制阀改变液压油的流向、速度和流量，推动液压缸做出不同行程、不同方向的动作，完成各种不同的动作需求。表1列出了各个动作与阀的逻辑关系。其中‘，+”表示电磁阀线圈得电，用“”表示比例调节阀工作。其中YVZ为比例阀，液压系统工作时，通过YVZ调节系统流量以改变动作速度，此时:l)当YV10得电，电磁阀YVg/YV10处于上位，可以进行上车动作的操纵，通过控制电磁阀YV20、YVZI操纵大臂伸缩，通过控制电磁阀YV18、YV19操纵大臂上、下变幅，通过控制电磁阀YV16、YV17操纵转台左、右旋转;2)当YVg得电，电磁阀YVg/YV10处于上位，可以进行支腿调节，通过控制电磁阀YV22/YV23、YV24/YV25、YV26/YV27、YV28/YV29分别操纵4个支腿打开和收回;3)通过控制YVll/YV12操纵蜘蛛车向前、向后运动，在此状态下，控制YV巧实现油路的串并转换，实现行走速度的快慢转换;4)通过控制YV13/YV14操纵蜘蛛车车轮左、右转向。在进行以上动作时，电磁阀YVI得电处于右位使双泵合流，可加快动作的速度。电磁阀YVI失电处于左位，通过控制电磁阀YV3、YV4操纵吊篮手动调平，通过控制电磁阀YV7、YVS操纵小臂上下变幅，通过控制电磁阀YVS、YV6操纵吊篮顺时针/逆时针旋转。当车体处于水平状态时，通过操作转台可驱动上车旋转。蜘蛛车有4个支腿，每个支腿可以独立调节。进行支腿调节时，要求如下:①完全停车;②大臂完全收回并位于机器的中心轴线上;③转台的方向与机器的行走方向一致。行走操作时，要求支腿收回且大臂完全落下并位于机器的中心轴线上。行走包括转向和行走两级调速。工作臂动作包括大臂的变幅与伸缩、小臂的提升与下降。工作臂的活动范围应满足其工作曲线的限制，如图3所示。吊篮的动作包括吊篮调平和回转。在吊篮底部安装了水平/倾斜角传感器和称重传感器，当吊篮的倾斜角超过5’时，蜘蛛车所有的动作停止。当吊篮倾斜超过l’一’3蜘蛛式高空作业平台电气控制系统设计蜘蛛式高空作业平台采用220V交流电源供电，一部分通过液压泵为液压系统提供动力，另一部分为电气控制系统提供动力，用于实现动作调速、发动机启停、吊篮回转及调平等功能，同时实现幅度限制、支腿状态检测及调平、上下车互锁、极限位置报警、急停及应急恢复等安全保护功能。出于使用安全和操作方便的考虑，高空作业平台设置3个控制台，即远程控制、本机控制、吊篮控制。l)本机控制位于蜘蛛车车体上，设置了蜘蛛车启动、远程和吊篮操作控制选择、吊篮手动调平、急停等操作按钮，以及支腿空撑状态、失衡、失稳、大臂工作范围越限、蜘蛛车车体倾斜、吊篮倾斜、大臂归位等报警指示。2)远程控制通过一个独立的、可移动的便携式操作盒实现，远程操作面板主要用于控制行走和支腿动作，包括支腿的提升下降、机器的左右转向、行走及行走二级速度选择、急停等操作按钮，以及过载失稳、大臂工作范围越限、支腿空撑状态、大臂工作范围越限、大臂归位等报警指示。3)吊篮操作控制设置在吊篮上，吊篮是蜘蛛车的工作平台，吊篮操作包括大臂伸缩、大臂变幅、转台回转、小臂变幅、吊篮调平和急停等，同时还设置了车体倾斜、吊篮倾斜、大臂工作范围越限及支腿空撑及失衡等状态报警。在任何情况下，3个操作台只能有一个处于操作状态。为了检测支腿是否空撑和失衡在每个支腿上安装了一个微动开关和一个压力传感器，当支腿离地或失去压力时，微动开关的状态和压力传感器输出会发生变化。当支腿伸长时，禁止移动大臂。当4个支腿中有一个支腿离地(微动开关动作)，空撑报警并禁止大臂落下和伸出。当4个支腿中有2个以上的支腿压力下降时，支腿失衡报警;此时，电源切断，大臂不能降落和伸出。只有在大臂降低并且旋转到对中位置时，允许调节支腿。另外，当支腿收起、大臂完全收回、转台对中时，才可以使蜘蛛车行走。在大臂上设置了长度/角度传感器，用来测量大臂的仰角和伸出的长度，在额定载荷下，当大臂的工作曲线超过了规定的范围时，停止大臂和吊篮的所有动作。为了保证安全，长度/角度传感器选用冗余的2路长度/角度传感器。当大臂的动作伸出范围超过规定的限位值时，报警并终止其他动作。在工作过程中，要求保持水平，不能超载，设计时选用电液自动调平系统。当吊篮倾斜角度在水平位置士5。范围之内，通过自动调平系统调平，当吊篮处于倾斜状态时，自动调平系统自动切断所有的动作;当吊篮倾斜超过5。时，报警并禁止吊篮旋转和小臂的提升下降，可以通过手动调平措施使吊篮回到自动调平的范围内。在系统中，为了检测蜘蛛车的工作状态，设置了如下检测元件:每个支腿各设置1个用于检测支脚失稳的压力传感器和1个检测支腿空撑的微动开关;在蜘蛛车车体上设置1个双轴倾角传感器，以测量车体的倾斜程度，1个用于检测转台对中的行程开关，1个检测大臂收回并落下的行程开关。另外，1个双通道长度角度传感器用于检测大臂伸出量和角度，以进行工作区间的计算;在吊篮部分，设置1个单轴倾角传感器检测吊篮的倾斜程度，l个称重传感器检测吊篮的载荷，选择超声波传感器作为防撞检测开关，当被测范围内有物体时，给出报警信号。在工作过程中，为了使高空作业平台能在安全有效的状态下运行，并能对异常状态进行及时的报警和处理，在设计时采取了如下措施。1)3个操作控制面板上都设有急停按钮及相应的报警器，一旦发生异常情况，报警器报警，急停按钮按下时，所有动作立刻停止。2)支腿状态报警指示:当支腿没有完全放置地面或者支腿上的压力不平衡时，均有对应的指示灯进行报警指示。3)机器不稳定报警指示:当蜘蛛车底盘不平衡时，报警并停止上车动作。4)大臂幅度限制指示:当大臂的动作幅度超过了工作曲线所设定的范围，则报警并终止大臂的动作。5)吊篮载荷指示报警:当吊篮超载时，报警灯亮并停止吊篮动作。6)防碰撞报警:当吊篮接近障碍物，报警并停止转台旋转和大臂、小臂的动作，同时，禁止吊篮的调平和旋转动作。7)当支腿未伸到位置、下车未达到水平状态时，则禁止上车的动作;当上车工作时，禁止支腿的动作。根据以上分析，综合操作开关按钮和状态检测开关信号，系统需要检测的开关量为47个，综合报警、电磁阀线圈以及其他控制开关量，系统需要输出的开关量33个，另外，需要检测的模拟量5路。综合上述因素，选用西门子57一200系列PLC作为控制核心。57一200系列PLC是SIEMENS公司的一种小型PLC，结构紧凑，扩展性好，性价比高，是小型控制工程的理想控制器[s，4]。为了满足蜘蛛车的控制需求，PLC控制器配置如下:CPU单元为CPU226，它由24个开关量输人、16个开关量输出，3块EM221开关量扩展模块(8路DI)，2块EM222开关量输出模块(8路，继电器输出)、l块EM223开关量输人/输出模块(4路Dl/4路DO)，2块EM231模拟量输人(Al)扩展模块(4路12位模拟量输人)。蜘蛛车控制系统如图4所示。为了确保蜘蛛车工作的安全性，在设计时，所有由PLC程序综合产生的动作限制约束条件，除了直接在程序中引用之外，同时由PLC输出到中间继电器，用其可见触点再连接到相关的硬件电路中，以确保操纵的正确性。另外，所有操作面板上与动作有关的操纵信号，不论是直接操纵执行机构的操纵杆，还是间接控制的开关、按钮，其状态均引人PLC，参与约束条件的逻辑运算，采取了软件、硬件相互制约的方法，以避免失误操纵。控制软件的流程图如图5所示。4结束语蜘蛛式高空作业平台是一种新型、多用途的工程机械设备，本文在研究和分析其工作原理和使用功能的基础上，采用PLC为核心控制器设计了控制系统，实现了其使用功能。为了确保工作过程的安全性和可靠性，在系统设计时，对重要参数的检测采用了冗余设计，另外在硬件和控制软件采取了必要可靠性措施，根据动作和使用要求，设计了机器启动下车操作?各个动作的逻辑约束，保证了每次