电气工程及其自动化毕业论文-基于PLC的高空作业车电控系统设计

基于PLC的高空作业车电控系统设计摘要高空作业车由起重机械发展而来，是将工作人员和装备运送到特定的高度并进行作业的一种电力设备。本文分析国内外的技术要求和达到的目标，指出我国高空作业车发展的方向和前景。高空作业车具有地面转台和高空工作平台两个结构上比较分离的系统，本文采用两个S7-200CPU226可编程控制器、一台电脑和MCGS模块搭建硬件系统，两个PLC控制器分别安装在作业车转台和工作平台上。控制器采集控制面板的指令信号，如各类传感器信号、执行元件的动作、指示灯信号等，经过运算功能传输给控制器，控制器再控制比例阀、电磁阀等执行元件。根据高空作业车的实际作业情况，分析其作业要求，设计各个模块控制方案，然后设计作业车工作的流程图，编写梯形图语言，采用MCGS组态软件对高空作业车电控系统的作业过程进行监控，当作业到达规定限位时，其对应的限位开关作用，电铃报警同时对应的指示灯闪烁，提醒作业人员采取相关措施，提高了作业的安全性、可靠性。关键词:高空作业车；PLC；MCGSABSTRACTOverheadworkingtruckevolvedbytheliftingmachineryisapowerfacilityoperationwhichmakesstaffandequipmentreachtoaspecificheight.Thispaperanalyzesthetechnicalrequirementsandachievementsathomeandabroad,whichpointsoutthedirectionandprospectsofthedevelopmentofaerialvehicles.Overheadworkingtruckisdesignedbytwoseparatesystems,includingagroundturntableandaerialworkplatform.ThispaperbuildsupthehardwaresystembytwoS7-200CPU226programmablecontrollersinstalledonthegroundturntableandworkingplatform,acomputerandtheMCGSmodulestructures.Controllerscollectthecontrolsignalsfromcontrolpanelssuchasallkindsofsensorsignals,theactionofactuators,lightsignalsandsoon.Thesignalswerecomputedandtransferredtothecontrollerthatcontrolsproportionalvalve,solenoidvalveactuatorsandsoon.Accordingtotheactualsituationoftheoverheadworkingtruck,firstly,afteranalyzingthedemandoftheoperation,thispaperdesignseachmodulecontrolscheme.Andthen,itcarrysouttheoperationworkflowchartandladderdiagram.Lastly,MCGSconfigurationsoftwareisusedtomonitortheprocessofelectroniccontrolsystemintheaerialworktruck.Whatismore,iftheoverheadworkingtruckreachesthespecifiedlimit,thecorrespondingelectricbellwillalarmandatthesametime,lightwillflash,whichremindsworkerstotakerelevantmeasurestoimprovethesafetyandreliabilityoftheoperation.Keywords：OverheadworkingtruckPLCMCGS目录TOC\o"1-3"\h\u119941绪论 I1绪论1.1课题设计的意义及应用背景高空作业车由起重机发展而来，相比于起重机，高空作业车作业更加灵活方便，适用于各种作业环境，而且转场灵活方便，降低了拆装的人力、物力。高空作业车也和起重机有很多的共性，也是为适应人们的生活发展而来的，随着城市化速度的加剧，出现了越来越多的高空建筑、高空电力输送、高架桥等等，凭借人们的自身能力，很难达到预料的效果，所以高空作业车应运而生，高空作业车可以很方便的达到人们无法到达的高度，作业人员只需在地面就可以控制高空作业车的动作，平台也有安全装置，可以很好地保证作业人员的安全，节约劳动力，节省费用。据统计，美国高空作业车的年需求量在一万六千台左右，欧盟大约是两万一千台，日本约六千台，我国的高空作业车年需求量大约三千台。根据国际高空作业车机械杂《访问国际》数据统计显示，国民经济较发达的国家及地区，对高空作业车的单位需求量就越大。而我国作为经济总量排世界第二的国家，国内的经济规模与市场的需求不一致，说明我国的高空作业车市场有很大的发展空间。随着我国城市化进程的加快，出现了大量的高层建筑，从而包括建筑的翻新、维护、电力、通讯及搬家等都会使用到高空作业车，因此，在未来的一段时间内高空作业车将会呈现强劲增长，发展前景非常广阔。1.2高空作业车发展现状1.2.1高空作业车国外技术发展现状高空作业车在20世纪20年代的欧美发达国家和地区已经开始研究生产，经过近一个世纪的发展，高空作业车具有综合技术水平高、结构类型多样化、功能丰富、规格品种齐全、作业高度提高等优点。从总体上看，典型的高空作业车具有高空作业、抢险、救援等功能，使用各种安全措施，以适应工作中的各种场所。产品控制系统普遍智能化

高空作业车在美国和欧洲国家广泛使用的是智能控制和电液比例控制，通过检测各种参数，然后根据操作参数、工作参数、环境参数实现车辆的自动控制，包括整车的行走、转向，转台的回转，作业臂的伸缩、变幅，平台的回转和调平等动作，作业过程中要求高空作业车实现检测障碍、克服障碍、自动避障和自动变速等，当到达规定的极限点时，自动减速，并在极限位置上自动停止，控制系统会自动确定高空作业车支腿跨距的范围。作业车的的控制系统高度集成，通过两至三个手柄操作所有连续的动作，简化了操作手续，降低劳动强度，提高作业车作业的安全性和可靠性。安全控制装置齐全发达国家非常重视高空作业车工作的安全性，一般会设置很高的安全性和可靠性控制系统，包括整车的行走速度限位系统，作业臂的伸缩、变幅极限位置限位系统，平台调平和回转限位系统，模块动作之间的互锁，工作平台过载保护系统，高电压、高电流报警系统等，确保作业人员和设备在安全的区域工作。（3）采用高强度材料和轻质合金材料

高空作业车的作业臂采用高强度和轻质合金材料，截面采用轻薄的材质，作业车的其他配套件产品也同样采用质量更小的材质，这样可以有效降低整车的质量，提高了作业车底盘的能动性，通常相同的作业高度，国外高空作业车较国内轻便灵活。（4）产品质量水平高

发达国家高空作业车发展的时间长久，经验相比于国内较丰富，而且技术水平很高，生产制造工艺先进，具有完善的安全保障系统和先进的电控通讯系统，产品质量水平高。发达国家的高空作业车电控系统大多采用先进的嵌入式控制系统，如现场总线技术，保障作业车多个动作安全、准确的作业，采用工程机械专用控制器，如EPEC控制器、EPEC显示器等。1.2.2高空作业车国内技术发展现状我国高空作业车的发展是从20世纪70年代末开始的，其速度很快，目前发展规模已经从原来的几家企业增长至40多个，其中与国外企业合资或合作生产的企业有5家。在高空作业车行业，吴顺起重机总厂，锦州工程机械集团研发出了68米的登高平台消防车，徐州工程机械集团的股份已研发出了30多米的高空消防车辆，68米登高平台消防车，彻底打破我国依赖进口的局面。另外中联重科和郑州大方的新公司已经研发出百米登高平台消防车，同时也填补了国内百米作业车的空白。但是，与发达国家相比，国内作业车的发展与发达国家还存在着一定的差距，主要表现在以下几个方面：（1）缺乏技术创新能力国内高空作业车相比于国外发达国家，起步较晚，而且都是先从外国引进再学习，结合国内的发展要求，研发适合自己的高空作业车。开拓创新能力不强，产品更新研发和改进也较缓慢，作业场地较窄，在生活中应用具有很大局限性，市场经营范围窄，企业效益差。

（2）控制方法落后，功能单一国内高空作业车的控制方法多采用手动控制，作业人员根据作业环境采取作业方式，发达国家多普遍采用智能化、自动化控制，排除人为的误差估算，提高控制的精确度，避免过分依赖作业人员的经验进行控制。而国内作业车控制的智能化普及较低，依然凭借冗余的控制手柄进行操作，对作业人员的作业经验要求也高。（3）产品安全性和可靠性差我国高空作业车配套件的生产数量很大，但更新换代的时间较长，研究开发空间较大，而且许多的配套件产品都要进口，核心技术和质量检测都掌握在国外人的手中，严重制约了整车技术的提高。作业车作业时各个结构动作的监控还不全面，安全性和可靠性还达不到国外的标准。1.3高空作业车发展的方向（1）大作业高度

随着城市的发展，电力、通讯、交通、市政、消防、救援、建筑等行业进行施工、维护修理等领域广泛应用，附带着对高空作业车的要求越来越高，由于城市空间狭小，城市越来越往高处发展，例如：高空建筑、高架桥、高空电缆等等，这就要求作业车往灵活、大高度、多场地的方向发展。（2）轻量化和小型化

随着城市化水平提高，城市人流流动量、车辆流动量加剧，就会使城市的空间变的狭窄，各种高空建筑的建设越来越多，地面的承载能力也相差各异，这就要求高空作业车外形尺寸小、总重量轻，这就要求高空作业车整车轻量化、小型化，以适应外在因素的发展。

（3）智能化控制

城市发展的节奏越来越快，城市运行越来越高效使得高空作业车运行高效，能解决维修维护紧急情况和各种突发状况，同时也要保证作业的安全性，既能解决突发状况同时又不会出现新的突发状况，引进精确地计算机技术和安全的智能技术可以很好的实现这一要求。

2控制系统的理论分析2.1高空作业车电控系统的整体设计要求电气控制系统的设计对高空作业车的各个模块是否正常作业是至关重要的，是设计过程中关键的部分。对高空作业车的作业分析可知，高空作业车应能实现整车的行走、转向，转台的回转，作业臂的伸缩、变幅，平台回转和调平等功能，完成控制面板的功能设计。由于作业车具有地面转台和高空工作平台两个结构，作业臂连接这两个分离的结构，各结构的动作均通过传感器传输至电脑，实现数据的共享，控制系统的关联，使动作具有优先级。本文采用两个可编程PLC控制器、一台电脑和MCGS模块搭建硬件系统，结构如下图所示，因为高空作业车的作业幅度较大，平台和转台两个结构距离较远，如果只用一个PLC控制器进行控制，会造成线路的繁琐，所以用两个PLC控制器可以很好的解决这个问题，控制器一个安装在转台上，一个安装在平台上，并通过作业臂进行信号传送。转台控制器采集转台控制面板的各种指令信号，包括作业车行驶系统的行走信号，作业臂的伸缩、变幅等传感器信号等，经过运算功能传输给转台控制器，转台控制器继而控制执行元件。工作平台控制器主要用来采集平台控制面板指令信号，通过平台控制器控制其输出信号，负责工作平台的回转。电脑分别控制转台控制器和平台控制器，两控制器将各自的动作信号传输至电脑，通过电脑实现数据的共享，提高控制系统的可靠性。MCGS的监控界面显示系统的工作参数和故障信息，实现故障报警功能。图2-1高空作业车整体设计要求根据现代高空作业的发展需要，作业车应具有整车行走、转向，地面转台回转、调平，作业臂伸缩、变幅，平台回转等功能，作业车的工作状态通过分布于各个结构上的传感器进行监控，并将信号传送至各自对应的控制器上，控制器经过内部运算发出对执行机构的控制信号，使作业车继续动作，当作业车执行到规定的限位后，报警子程序被调用，发出声光报警，作业车除了上述动作，当系统自检的安全装置不通过时，也会发出报警。作业车设有多种安全装置，包括紧急停止装置、发动机启动异常报警装置、工作平台称重过压报警装置、工作平台非水平报警装置、燃油不足报警、脚踏开关等装置，提醒工作人员注意安全，并对故障进行排查，消除警戒。图2-2为直臂式高空作业车整车外观简图。图2-2高空作业车的整体设计简图其主要技术参数见下表所示。2.2行驶系统功能分析及方案设计2.2.1行驶系统控制要求高空作业车对作业的速度要求准确性高，本电控系统采用绕线性电动机。发动机的状态由马达转速传感器传送至转台控制器上，控制器将模拟量信号转换为数字量信号，反馈给电脑监控系统，对作业车行驶状态实时动态监控，准确判断作业车的性能。根据要求，高空作业车具备如下性能：（1）高空作业车的行驶具有高速档和低速档两个速度范围，高速档的最大行走速度为5.6km/h，低速档的最大行走速度为1.1km/h，行驶速度可以连续调节；（2）高空作业车具有启停制动和紧急制动的能力；（3）高空作业车作业过程中车辆运行平稳，启动、停车、转向和换档过程应均匀平稳；（4）为简化高空作业车的电控系统设计，作业车行驶时其他的作业活动均停止，一次只允许一项作业。2.2.2行驶系统工作原理及控制方案（1）工作原理行驶操纵手柄动作，其信号输入与给定值相比较，确定作业车行驶的方向，作业车前进或后退。转台控制器作用于比例阀信号，驱动变量泵和分流阀，最后分流阀驱动作业车上的行走马达，通过改变变量泵的排量，可以改变作业车整车行驶的速度。两位三通电磁换向阀通过得失电进行作业车高低速挡的切换，车速与手柄偏离中位的距离成比例，推动行驶操纵手柄，调节比例流量阀信号来调节变量泵的排量，从而达到作业车行驶速度的连续调节。图2-3作业车行驶系统控制方案（2）控制方案图2-3显示的是作业车的行驶系统控制方案，行驶操纵手柄动作，信号传输至转台控制器，使行驶制动电磁换向阀Q0.1通电，作业车可以正常行驶。手柄的输入信号和作业车设定的给定值相比较，若手柄输入信号大于给定值，则可以实现整车的前进，反之，可实现整车的后退。作业车前进或后退的速度于行驶操纵手柄有关，手柄中位表示作业车速度为零，往右代表作业车行驶在低速挡，速度由0~1.1km/h，且速度连续的增加；往左代表行驶在高速挡，速度由1.1~5.6km/h，速度随手柄偏离中位的距离的增加而增加，与距离成正比，使作业车的行驶速度可以无间断调节。如果安全装置脚踏开关作用，则可以判断输入档位开关信号状态，若为高速挡，则马达排量选择电磁阀信号Q0.0通电，马达大排量工作，并调节行走变量泵比例阀信号，使作业车实现高速模式下行驶；若判断输入档位开关信号为低速挡状态，则马达排量选择电磁阀信号Q0.0断电，马达小排量工作，并调节行走变量泵比例阀信号，使作业车实现低速模式下行驶。比例阀通过改变变量泵的排量，作用于分流阀，控制作业车的行驶马达速度，马达上的转速传感器测量马达的转速，并将信号传输给控制器，控制器经过数模转换，将行驶参数反馈给作业人员，提高对作业车控制的准确性。若作业车需要停止，则按下总停按钮可实现停止功能。作业车行驶系统的各个参量如下表所示。2.3高空作业车转向系统功能分析及方案设计2.3.1转向系统的控制要求转向是高空作业车的一项必不可少的功能，可以提高作业车的能动性和灵活性，使作业车适应于多种不同场合，根据作业要求，作业车的转向应满足如下要求：（1）转向过程均匀平稳、灵活，操作轻便；（2）作业车转向的范围是360°。2.3.2转向系统控制方案图2-4作业车转向系统控制方案图2-4所示是高空作业车的转向控制方案图，作业车的整车转向由控制板上的两个转向按钮控制，当有转向按钮信号输入时，作业车处于转向模式，如果转向左按钮I1.0得电右按钮I1.1断电，则该车收到左转信号，控制器的输出三位四通电磁换向阀左位Q0.4得电，实现整车的左转向功能；如果转向右按钮I1.1得电左按钮I1.0断电，则该车收到右转信号，控制器的输出三位四通电磁换向阀右位Q0.5得电，实现整车的右转向功能。若作业车需要停止，则按下总停按钮可实现停止功能。作业车转向系统的各个参量如下表所示。2.4作业臂伸缩系统功能分析及方案设计2.4.1作业臂伸缩系统功能要求（1）作业臂工作的最大高度是27m；（2）最大伸缩速度为0.143m/s；（3）作业臂伸缩动作平稳动作，避免出现晃动、振荡动作；（4）作业臂伸出、缩回到达各自的限位时，电铃报警同时对应的指示灯闪烁。2.4.2作业臂伸缩系统方案设计高空作业车作业臂伸缩系统由大臂、二臂和小臂三节臂组成，作业臂三节臂构造原理图如下。液压缸具有推动作业臂伸缩的功能，当有伸缩控制手柄信号作用时，作业臂启用伸缩功能，作业臂的大臂里包含二臂和小臂，并通过钢丝绳和滑轮进行连接和作用，二臂通过其内部安装的倒置液压缸推动，同时小臂和二臂一起运动。二臂的位移和速度通过安装在其上的液压缸位移传感器和速度传感器输入到控制器上。图2-5作业臂工作原理图图2-6作业臂伸缩系统控制方案图2-6是作业臂伸缩控制方案，当安全装置脚踏开关和功能启用开关均作用，工作平台水平传感器和称重传感器监测高空作业车的工作平台是否水平，负重是否在规定的范围内，当一切都满足要求后，作业车伸缩控制可以动作。伸缩手柄前推时，控制器给两位三通电磁换向阀Q1.0得电Q1.1断电，控制器根据手柄前推信号的大小调节变幅油缸比例流量阀，实现作业臂的伸出功能；当作业车伸缩控制手柄后拉时，控制器给两位三通电磁换向阀Q1.1得电Q1.0断电，控制器根据手柄后拉信号的大小调节变幅油缸比例流量阀，实现作业臂的缩回功能。作业臂伸缩油缸位移传感器、伸缩油缸速度传感器用于检测伸缩臂的运动状态反馈给控制器。当作业臂伸出、缩回到达各自的限位时，其对应的限位开关作用，电铃报警同时对应的指示灯闪烁，提醒作业人员采取相关措施，按下控制面板的消铃键，报警电铃停止鸣响；按下总停按键可停止作业臂的伸缩动作。作业臂的伸缩系统控制参数如下表所示。2.5作业臂变幅系统功能分析及方案设计2.5.1作业臂变幅控制系统的基本要求（1）转台和作业臂的连接要紧凑，作业臂变幅作业时动作要平稳，避免出现晃动、振荡现象；（2）作业臂变幅角度范围为0~80°，当变幅油缸完全伸出时，伸缩臂最大变幅角度为80°，当变幅油缸完全缩回时，伸缩臂最小变幅角度为0。2.5.2作业臂变幅系统方案设计图2-7作业臂变幅系统控制方案图2-7是作业臂变幅控制方案，当安全装置脚踏开关和功能启用开关均作用，工作平台水平传感器和称重传感器监测高空作业车的工作平台是否水平，负重是否在规定的范围内，当一切都满足要求后，作业车变幅系统可以动作，变幅控制手柄前推时，控制器给两位三通电磁换向阀Q1.4得电Q1.3断电，控制器根据变幅控制手柄前推信号的大小调节变幅油缸比例流量阀，实现作业臂的上升功能；当作业车变幅控制手柄后拉时，控制器给两位三通电磁换向阀Q1.3得电Q1.4断电，控制器根据手柄后拉信号的大小调节变幅油缸比例流量阀，实现作业臂的下降功能。作业臂变幅油缸倾角传感器、变幅油缸速度传感器、液压油缸压力传感器用于检测作业臂变幅的运动状态并反馈给控制器。当作业臂上升、下降到达各自的限位时，其对应的限位开关作用，电铃报警同时对应的指示灯闪烁，提醒作业人员采取相关措施，按下控制面板的消铃键，报警电铃停止鸣响；按下总停按键可停止作业臂的变幅动作。作业臂的变幅系统控制参数如下表所示。2.6转台回转系统功能分析及方案设计2.6.1转台回转控制系统的基本要求（1）转台回转可实现转台的左转向和右转向功能；（2）转台左转、右转到达各自的限位时，电铃报警同时对应的指示灯闪烁。2.6.2转台回转控制系统的方案设计图2-8转台回转系统控制方案转台回转系统方案设计图如图2-8所示，脚踏开关和回转行程开关用于监测高空作业车是否可以进行正常作业，当一切都满足要求后，转台回转控制手柄向左摆动时，控制器给三位四通电磁换向阀Q1.7得电Q1.6断电，实现转台的左转向功能；当转台回转控制手柄右摆时，控制器给两位三通电磁换向阀Q1.6得电Q1.7断电，实现转台的右转向功能。当转台左转、右转到达各自的限位时，其对应的限位开关作用，电铃报警同时对应的指示灯闪烁，提醒作业人员采取相关措施，按下控制面板的消铃键，报警电铃停止鸣响；按下总停按键可停止作业臂的变幅动作。作业臂的变幅系统控制参数如下表所示。2.7转台调平、工作平台回转系统功能分析及方案设计2.7.1转台调平、平台转向控制系统基本要求（1）调平从开始到结束时间不宜过长，否则影响作业车的工作效率；（2）调平的精度应在合理的范围内，否则倾斜角度过大，作业车的中心不在底座上，作业人员作业的时候会感觉不舒适，存在安全隐患，容易造成事故。（3）当自动调平结束后，确保工作平台状态不变，避免发生平台不稳定、倾斜等现象；（4）平台转向实现左右转向功能，转向范围-90°~90°，平台的一边是直角，这样转台可以全方位工作，当左右转向到达各自限位时，电铃报警同时对应的指示灯闪2.7.2平台调平、转向控制系统的方案设计当按下启动按键后，平台调平系统开始工作，读入前后或左右方向的倾斜角，判断最大倾斜角方向上支腿的高低，在调平工作平面上建立二维坐标，x轴表示左右方向，y轴表示前后方向，如果先对x轴进行调平，左前支腿和右前支腿高度进行比较，左后支腿和右后支腿进行比较，并将各组支腿较低的一端升高，使得x轴方向上两组支腿到达要求的精度。同理，再对y轴方向进行支腿调平，使调平工作平面的四个支腿高度都在要求的精度内，在两个调平方向均达到调平精度后，放稳辅助支腿，调平工作完成。高空作业车电控系统的平台转向由作业车上的两个转向按钮控制，当有转向按钮信号输入时，作业车处于转向模式，如果转向左按钮I1.0得电右按钮I1.1断电，则该车收到左转信号，控制器两位三通电磁换向阀左位Q1.0得电，实现整车的左转向功能；如果转向右按钮I1.1得电左按钮I1.0断电，则该车收到右转信号，控制器三位四通电磁换向阀右位Q1.1得电，实现整车的右转向功能。若作业车需要停止，则按下总停按钮可实现停止功能。3高空作业车电控系统的硬件设计3.1系统主要设备的选择3.1.1传感器型号的选择传感器是电控系统获取各个结构作业信息的重要元件，作业车工作的模块较多，使得各个模块的工作状态监测和动态参数采集均较多，本设计中高空作业车电控系统的主要传感器包括：平台称重传感器、水平平衡传感器、角度传感器、双轴倾角传感器等等，其主要参数如表3-1所示。（1）水平平衡传感器作业车电控系统所用的水平平衡传感器是一种导电式液位传感器，该传感器内部构造实际上是一个导电检测电路，传感器置于平台和转台工作面上，当工作面处于规定的平衡精度内时，电极间的液位平面低于四个检测电极，电极之间呈绝缘状态，水平平衡传感器处于开路状态。当工作平面在超出平衡精度范围时，假如平面向右后倾倒到一定角度时，传感器内部的液体与右后倾的检测电极接触，由于液体是导电液体，因此形成一个封闭的回路，传感器的开关状态反映到控制点（执行元件或控制器），以实现控制。（2）平台称重传感器在平台工作面上所用的平台称重传感器是金属箔应变片，该传感器内部结构是一种导电检测电路。金属箔应变片利用金属和半导体材料的“应变效应”，将该导体的物理应变转换成数字量，即反映在电流的大小上，将应变片附连到平台称重平面上，随着平台称重平面的变形敏感栅的电阻值也跟着变化，这样就可以只需测量电阻值而知道平台平面的变形。然后再将平台称重传感器的某一点的值设置为数模转换的通断电，再把这个开关信号反馈给控制器的输入端，从而实现控制平台的称重。（3）调平系统倾角传感器调平系统倾角传感器检测作业车作业时整车的倾斜角度，当作业车的倾斜角度在规定的精度范围内时，作业车可以执行下一个工作，当作业车倾斜角度不在规定的精度范围内时，监控界面就会出现作业车倾斜报警，并显示其倾斜参数。需要测量调平作业面，前后（y方向）和左右(x方向)两个方向的角度变化，本文选择CXTA01双轴倾角传感器。（4）作业臂倾角传感器高空作业车电控系统的倾角传感器主要用于作业车工作平台、转台水平度的监测和变幅角度监测。作业臂变幅控制系统对角度的测量精度要求较高，检测竖直方向角度的变化范围在0°~80°之间即可，该高空作业车选用HS-XY-S（标准精度型）倾角传感器。高空作业车的电控系统由转台控制器和平台控制器组成，作业车的作业监控需要各种数字量信号和模拟量信号，控制器可以直接处理数字量信号，但不能直接处理模拟量信号。而且实际作业车的某些输入是模拟量，某些执行机构要求PLC输出模拟量信号，因此应用PLC控制时，需要进行必要的数模转换和模数转换，转换成执行元件可以接收的信号，便于对作业车实现精确地控制。转换时应考虑现场信号变送器的输入/输出量程（4~20mA）与模拟量输入输出模块的量程（0~20mA），0~20mA的量程对应数字量输出范围为0~32000，即4~20mA的模拟量对应于数字量6400~32000。设现场信号变送器的输入/输出量程4~20mA对应模拟量量程为0~D（D为已知量），转换后的二进制数为x，则其对应的模拟量为y高空作业车各类传感器检测执行元件的执行状态，经A/D转换器将传感器信号变换成4~20mA的电流信号送入PLC模块，PLC将测量值经过数模转换转换成PLC可以处理的数字量信号，最后将数值与监控界面的设定值进行比较得到偏差，发出控制执行机构的信号，控制各个模块的动作。3.1.2电磁阀电磁阀是用电磁铁推动阀门的开启与关闭动作的电动执行器，主要优点是体积小、动作可靠、维修方便、价格便宜，通常用于口径在100mm以下的两立式控制中，尤其多用于接通、切断或转换气路或液路等，工业上常用的电磁阀有：两通、三通、四通、低压和高压电磁阀，本系统选择三通和四通电磁阀。3.1.3可编程控制器及其扩展模块的选择可编程序控制器(PLC)主要由中央处理器(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出单元(I/O)、电源和编程器等几部分组成，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用一类可编程的存储器，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算数操作等面向用户的指令；并通过数字式或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。具有可靠性高，抗干扰能力强；编程简单、直观；控制能力强；易于安装，便于维护等优点。如图3.4为PLC的系统组成结构图。图3-1PLC系统组成结构中央处理器(CPU)是PLC的核心部件，完成逻辑运算、数字运算和协调系统内部各部分的工作，在系统程序的管理下运行，主要功能有接收并存储由编程器输入的用户程序和数据，读取输入状态和数据并存储到相应的存储区，诊断电源故障和用户程序的语法错误，读取用户程序指令，解释执行用户程序，完成数字运算、逻辑运算、数据传递等任务，刷新输出映像，将输出映像内容送至输出单元。由高空作业车的设计方案可知，作业车用两个可编程控制器，分别负责高空作业平台和地面转台。在高空作业车转台控制系统中，共需要26个输入点，27个输出点需要I/O至少53个，15个模拟量输入点，16个模拟量输出点，则有11个数字量输入点，11个数字量输出点，所用到的扩展模块较多，涉及较多的输入/输出端口，因此选取CPU226作为转台控制系统的主机。图3-2CPU226实物结构图当主机点数不够或者处理的信息是模拟量时，就必须使用扩展的接口模块。S7-200PLC的接口模块有数字量模块、模拟量模块和智能模块等，例如：数字量输入模块EM221、数字量输出模块EM222、数字量输入/输出模块EM223、模拟量输入模块EM231、模拟量输出模块EM232、模拟量输入/输出模块EM235。扩展模块内部没有中央控制器，必须与CPU相连，使用CPU模块的寻址功能，对模块上的IO接口进行控制；扩展模块由CPU模块通过扩展接口提供正常工作所需要的+5VDC电源；扩展模块秉承了整体式PLC的结构特点，也吸收了模块式PLC便于扩展的优势，其结构紧凑，与CPU模块同宽同高不同长度，扩展模块连接时，将排线插到主机和扩展模块的插槽上，扩展后与CPU形成一个长扩展模块连接时，将排线插到主机和扩展模块的插槽上，扩展后与CPU形成一个长方体结构，I/O口和数字量输入/输出的命名不需要特别设置，只需要按照编址规则直接使用。在转台控制器中，有15个模拟量输入，16个模拟量输出，剩余11个数字量输入，11个数字量输出，本文采用2个EM231八个模拟量输入型，4个EM232四个模拟量输出型可以满足控制系统模拟量输入/输出点的要求。在高空作业车作业平台控制系统中，共需要10个输入点，15个输出点需要I/O至少25个，2个模拟量输入，3个模拟量输出，选取CPU226作为转台控制系统的主机。模拟量输入模块采用EM231（AI4）模块，采用国产6ES7231-0HC22-0XA8型号，选用其中AIW0、AIW2两输入端口作为X、Y方向倾角传感器电压（24V）输入端。模拟量输出模块采用EM232（AQ4）模块。系统电路I/O口的分配控制器针脚分配原则：根据设计任务要求，高空作业车要实现行走、转向、变幅、伸缩、回转、调平等各种技术要求，通过对可编程控制器CPU226针脚的了解，依据其针脚分配应遵循的原则对其针脚分配，原则如下：尽量选择控制器的输入/输出信号与控制对象相匹配，并且使控制器可以直接驱动，减少电路线的数量，简化控制方案，避免多余的驱动电路和外部数字量模拟量的转换，提高PLC控制器的系统可靠性。高空作业车实现的控制功能较多，所用的针脚也多，这样各个模块之间的传输回路会错综复杂，如果各个模块由一个控制器控制，那么根据就近原则，选择有相同针脚的模块放在一起，减少针脚的数量及传输线路。为确保将来的控制器的引脚和系统功能的扩展，平台控制器和转台控制器的引脚都应留下备用的引脚的百分之十，便于以后增加其他功能的引脚。转台控制器的针脚分配和平台控制器针脚分配见表3-4和表3-5。表3-4PLC的转台控制器I/O端口分配启动I0.0停止I0.1行驶系统档位选择开关I0.2马达排量选择电磁阀信号Q0.0马达转速传感器I0.3行驶制动电磁换向阀Q0.1系统油路压力传感器I0.4行走变量泵比例阀信号Q0.2Q0.3行驶操纵手柄I0.5驱动启用开关I0.6踏板开关I0.7作业车转向作业车转向按钮I1.0I1.1三位四通电磁换向阀Q0.4Q0.5驱动启用按键I1.2转向电磁换向阀Q0.6作业臂伸缩作业臂伸缩油缸位移传感器I1.3两位三通电磁换向阀Q1.0Q1.1作业臂伸缩控制手柄I1.4PWM调节比例流量阀Q1.2平台称重传感器I1.5作业臂缩回限位指示灯Q2.3平台水平传感器I1.6作业臂伸出限位指示灯Q2.4液压缸位移传感器I1.7液压缸速度传感器I2.0液压缸压力传感器I2.1I2.2功能启用开关I2.3作业臂变幅作业臂变幅控制手柄I2.4两位三通电磁换向阀Q1.3Q1.4作业臂倾角传感器I2.5PWM调节比例流量阀Q1.5变幅油缸速度传感器I2.6作业臂下降限位指示灯Q2.5作业臂上升限位指示灯Q2.6转台回转工作平台控制手柄I3.0三位四通电磁换向阀Q1.6Q1.7回转行程开关I3.1I3.2PWM调节比例流量阀Q2.0整车行走变频器复位I3.3平台转向左限位指示灯Q3.0作业臂伸缩变频器复位I3.4平台转向右限位指示灯Q3.1作业臂变幅变频器复位I3.5电铃Q3.2发动机启动异常指示灯Q3.3工作平台称重过压指示灯Q3.4工作平台非水平指示灯Q3.5燃油不足指示灯Q3.6表3-5PLC的工作平台控制器I/O端口分配工作平台调平启动I0.0平台左前支腿下降信号Q0.0停止I0.1平台左后支腿下降信号Q0.1辅助支腿撤回按钮I0.2平台右前支腿下降信号Q0.2平台左前支腿下降I0.3平台右后支腿下降信号Q0.3平台左后支腿下降I0.4辅助支腿下降信号Q0.4平台右前支腿下降I0.5平台左前支腿撤回信号Q1.0平台右后支腿下降I0.6平台左后支腿撤回信号Q1.1X方向传感器输入AIW0平台右前支腿撤回信号Q1.2Y方向传感器输入AIW2平台右后支腿撤回信号Q1.3辅助支腿撤回信号Q1.4工作平台转向平台转向控制手柄I0.7平台转向左限位指示灯Q0.5平台转向右限位指示灯Q0.6两位三通电磁换向阀Q1.5Q1.6转向电磁换向阀Q0.7高空作业车电气控制原理图分为主电路和辅助电路两部分，主电路是电控电路中大电流通过的部分，包括电源到电动机之间的电气元件，由隔离开关、熔断器、接触器等组成，控制电路由按钮、接触器、限位开关等组成，实现作业车的前进、后退，作业臂伸缩、变幅，平台、转台回转等功能，其电路图如下图所示。图3-3高空作业车电控系统主电路示意图图3-4高空作业车电控系统控制电路示意图高空作业车电控系统电路图中，按下隔离开关，引入三相电源。按下控制电路中的按钮SB2，常开触点闭合，接触器KM得电吸合，主电路的接触器KM得电吸合，总电源得电。按下常开触点SB3，常开触点闭合，常闭触点断开，接触器KM3失电，与常开触点回路实现自锁，接触器KM1得电，主电路中的接触器KM1得电吸合，使电动机正转实现整车的前进，当整车前进到规定的位置后，限位开关SQ3作用，作业车撞击限位开关，常闭触点断开，使接触器KM1失电，主电路接触器KM1失电断开，电动机停止运转，使整车停止作业，同时SQ3常开触点闭合，报警电路动作，提醒作业人员采取措施。其余的电路工作原理类似。由第二章分析可知，整车的行走、作业臂的伸缩和变幅需要速度控制，早期采用接触器、继电器系统控制，由于频繁的动作和高压作用，经常会出现触点烧损现象，而且电阻箱受环境因素的影响较大，温度的变化会影响电阻值的大小，湿度也会使电阻箱腐蚀等等，容易造成安全隐患。在高空作业车电控系统中，根据高效、经济因素考虑，采用西门子MM420变频器，对于电控系统的3个变频器，都采用通信控制，对不同的变频器的控制，将变频器进行地址编号。在程序控制中，通过对不同地址的变频器发送控制命令，实现对不同变频器的控制，即对控制不同设备的变频器，只要改变其地址的参数值，在本系统中，控制整车行走变频器的地址为1，控制作业臂伸缩的变频器的地址为2，控制作业臂变幅的变频器的地址为3。平台控制器的针脚分配和转台控制器的针脚分配如下图所示：图3-3电源接线原理图图3-4转台控制器部分接线图转台控制器的转台接线图、作业臂的伸缩和变幅接线图见附录。图3-5平台控制器的针脚分配4高空作业车电控系统的软件设计4.1编程软件开发环境S7系列PLC的程序开发利用的是STEP7-Micro/WIN软件，该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机帮助功能，利用该软件开发PLC应用程序，设置PLC的工作方式和参数，上载和下载用户程序，进行程序的运行监控，实时监控用户程序的执行状态。上载高空作业车电控系统的程序即将PLC中的相应程序和数据通过通信设备（PC/PPI电缆）上载到计算机中进行程序的检查和修改；下载高空作业车电控系统中各个模块的控制程序、数据和CPU组态参数，通过通信设备下载到PLC中进行运行调试，直至程序编译成功。启动STEP7-Micro/WIN软件，其主界面如图所示：图4-1STEP7-Micro/WIN主界面在STEP7-Micro/WIN软件操作界面中，包括以下组件：菜单、工具条、浏览条、项目/指令树、局部变量表、程序编辑器窗口、输出窗口、状态条、符号表/全局变量表窗口、状态图窗口、数据块/数据初始化程序窗口等。4.2PLC控制系统软件设计4.2.1电控系统主程序设计如下图所示是高空作业车电控系统的主程序流程图，其主要功能是完成各个子程序模块协调和调用，如果模块调用达到规定的限位，则调用报警子程序，报警程序实现声光报警。按下消铃按键可是电铃停止鸣响，按下急停按键可停止作业车的动作。（1）当主电路的接触器闭合后，总电源得电，按下某一个模块的开关时，常开触点闭合，常闭触点断开，该模块的两个动作实现互锁，对应动作的接触器得电，决定相应电机的正反转。电控系统的某一控制模块得电后，首先进行系统的安全自检，即平台调平、平台过载、电机是否正常启动，安全装置是否正常作业等。（2）当系统完成自检后，系统根据实际工作环境调用电控系统的控制模块，当控制模块作业到规定的限位时，限位开关常闭触点断开，常开触点闭合，是正在作业的动作停止，常开触点闭合，指示灯电路和报警电路导通，指示灯闪烁、电铃鸣响，提醒作业人员采取措施。（3）在执行完特定的子程序后，电控系统根据实际作业情况调用其他子程序，如果没有其他信号输入，则结束主程序和子程序的流程。图4-2电控系统主程序流程图4.2.2电控系统子程序设计在本文的第三章节已经指明各个控制子程序系统的基本要求，并提出了控制方案，根据以上的控制方案进行子程序系统软件流程图的设计，依据流程图编写梯形图程序，具体程序见附录。行驶系统控制程序流程图图4-3行驶系统控制程序流程图行驶系统控制程序流程图4-3所示，主程序调用行驶系统子程序，当有行驶信号输入时，当行驶信号输入值小于等于给定值时，则整车后退，否则整车前进。根据实际作业情况，选择档位开关信号，控制作业车行驶的速度。当档位信号为高速档时，信号传送至转台控制器，经控制器处理后，控制马达大排量工作，否则，马达小排量工作，从而控制车速的高低。地面转台转向控制系统程序流程图图4-4地面转台转向控制系统程序流程图地面转台转向控制系统程序流程图如图所示，在主程序进入转台转向控制模块后，首先判断脚踏开关是否闭合，若脚踏开关信号判断为假，则转台转向程序结束，否则输入转向按钮信号，如果转向左按钮按下，即I1.0得电，其对应的三位四通电磁换向阀得电，实现地面转台的左转向功能；如果转向右按钮按下，即I1.1得电，其对应的三位四通电磁换向阀得电，实现地面转台的右转向功能；如果左右转向到达各自的限位，相应的左右指示灯闪烁，并且电铃鸣响，提醒作业人员采取措施。作业臂变幅控制系统程序流程图图4-5作业臂变幅控制系统程序流程图作业臂变幅控制系统程序流程图如图所示，脚踏开关和功能启用开关、工作平台水平传感器和称重传感器用于监测高空作业车是否可以进行正常作业，当一切都满足要求后，变幅操纵手柄进行信号采集，当操纵手柄下降信号小于下降给定值时，变幅控制手柄前推，控制器给两位三通电磁换向阀Q1.4得电Q1.3断电，实现作业臂的上升功能；当操纵手柄上升信号大于上升给定值时，变幅控制手柄后拉，控制器给两位三通电磁换向阀Q1.3得电Q1.4断电，实现作业臂的下降功能。作业臂变幅油缸倾角传感器、变幅油缸速度传感器液压油缸压力传感器用于检测作业臂变幅的运动状态并反馈给控制器。当作业臂上升、下降到达各自的限位时，其对应的限位开关作用，电铃报警同时对应的指示灯闪烁，提醒作业人员采取相关措施，按下控制面板的消铃键，报警电铃停止鸣响；按下总停按键可停止作业臂的变幅动作。作业臂伸缩控制系统程序流程图图4-6作业臂伸缩控制系统程序流程图作业臂伸缩控制系统程序流程图如图所示，安全装置脚踏开关和功能启用开关作用，工作平台水平传感器和称重传感器用于监测高空作业车平台水平度和负重质量，当一切都满足要求后，作业臂伸缩操纵手柄进行信号采集，当伸出操纵手柄信号大于伸出给定值时，作业车伸缩控制手柄前推，控制器给两位三通电磁换向阀Q1.0得电Q1.1断电，控制器根据手柄前推信号的大小调节变幅油缸比例流量阀，实现作业臂的伸出功能；当缩回操纵手柄信号小于缩回给定值时，作业车伸缩控制手柄后拉，控制器给两位三通电磁换向阀Q1.1得电Q1.0断电，控制器根据手柄后拉信号的大小调节变幅油缸比例流量阀，实现作业臂的缩回功能。作业臂伸缩油缸位移传感器、伸缩油缸速度传感器用于检测伸缩臂的运动状态反馈给控制器。当作业臂伸出、缩回到达各自的限位时，其对应的限位开关作用，电铃报警同时对应的指示灯闪烁，提醒作业人员采取相关措施，按下控制面板的消铃键，报警电铃停止鸣响；按下总停按键可停止作业臂的伸缩动作。工作平台回转控制系统程序流程图图4-7工作平台回转控制系统程序流程图工作平台回转控制系统程序流程图如图所示，脚踏开关和功能启用开关用于监测高空作业车是否可以进行正常作业，当一切都满足要求后，平台回转操纵手柄进行信号采集，当回转手柄信号大于右转给定值时，控制器两位三通电磁换向阀右位得电，调节平台回转比例流量阀，实现工作平台的右转向功能；当回转手柄信号小于左转给定值时，控制器两位三通电磁换向阀左位得电，调节比例流量阀，实现工作平台的右转向功能。当工作平台左转向、右转向到达各自的限位时，其对应的限位开关作用，电铃报警同时对应的指示灯闪烁，提醒作业人员采取相关措施，按下控制面板的消铃键，报警电铃停止鸣响；按下总停按键可停止作业平台的回转功能。平台调平控制系统程序流程图图4-8平台调平控制系统程序流程图平台调平控制系统程序流程图如图4-8所示，当按下启动按键后，平台调平系统开始工作，在调平工作平面上建立二维坐标，x轴表示左右方向，y轴表示前后方向，如果先对x轴进行调平，左前支腿和右前支腿高度进行比较，左后支腿和右后支腿进行比较，并将各组支腿较低的一端升高，使得x轴方向上两组支腿到达要求的精度。同理，再对y轴方向进行支腿调平，使调平工作平面的四个支腿高度都在要求的精度内，在两个调平方向均达到调平精度后，放稳辅助支腿，调平工作完成。报警控制系统程序流程图图4-9报警控制系统程序流程图报警控制系统程序流程图如图4-9所示，当一切安全装置都满足要求后，根据主程序调用的子程序的工作情况，若要调用该报警子程序，根据各子程序的限位规定，到达某一限位，相应的子程序限位开关动作，电铃鸣响，相应指示灯闪烁，提醒作业人员采取相关措施，按下控制面板的消铃键，报警电铃停止鸣响；按下总停按键可停止子程序的报警功能。5基于MCGS的高空作业车组态监控5.1PLC组态监控系统的组成PLC控制装置可以方便的组成工业现场控制及各种功能的控制系统。为了能够实现分散控制和集中管理，建立良好的人机界面，实现对高空作业车电控系统工作状态的实时动态监控，在PLC高空作业车控制系统的基础上设计计算机组态监控系统。5.1.1PLC组态监控系统硬件结构基于MCGS组态软件的PLC监控系统的典型硬件结构如图5-1所示。图5-1PLC监控系统的典型硬件结构在图5-1中，PLC与上位机之间通过RS232或RS485串行线路连接进行通信，PLC作为可靠性极高的下位机主要承担对高空作业车电控系统的直接控制功能；上位机在MCGS环境下主要承担监控管理功能，同时兼备部分控制功能，以实现远程控制。5.1.2组态监控系统运行在上位机中利用MCGS提供的工具，按一定的步骤设计PLC工作状态下的计算机图形监控的组态编程，在对现场设备测试正常后，即可实现现场PLC对被控对象工作转台的计算机图形监控。在上位机图形监控界面中的仿真工作流程与现场的实际生产动作同步，便于操作人员远程掌握现场情况，并对部分设备进行远程控制。在上位机图形监控界面中的仿真工作流程与现场的实际生产动作同步，便于操作人员远程掌握现场情况，并对部分设备进行远程控制。5.2MCGS组态仿真软件MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem，监视与控制通用系统)是一套基于Windows平台，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与高空作业车模块的硬件设备结合，可以快速、方便的进行现场采集、数据处理和动作控制。作业人员只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。5.2.1MCGS的基本功能（1）简单的可视化操作界面（2）丰富、生动的多媒体画面（3）强大的网络功能（4）多样化的报警功能（5）实时数据库为用户分步组态提供极大方便（6）控制方便复杂的运行流程（7）良好的可维护性和可扩充性5.3MCGS组态环境本文用MCGS6.2通用版来对高空作业车电控系统的工作状态进行仿真。该软件包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助作业人员设计和构造应用系统。运行环境按照组态环境中构造的组态工程，以作业人员指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。打开“MCGS组态环境”选项，进入“MCGS组态环境”，该软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分组成，如下图所示，在组态工程设计中，需要对每一部分分别进行组态操作，实现相应的功能。图5-2MCGS组态软件构成主控窗口：工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以设置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。出设备，注册驱动设备程序，定义连接和驱动设备用的数据变量。（2）用户窗口：用户界面窗口设置用于人机交互，如各种动画显示、报警输出、数据及曲线图表。注册驱动设备程序，定义连接和驱动设备用的数据变量。(3)用户窗口：用户界面窗口设置用于人机交互，如各种动画显示、报警输出、数据及曲线图表。(4)实时数据库：工程各个部分的数据交换与处理中心，将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在该窗口内定义不同类型的和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。(5)运行策略：该窗口主要完成工程运行流程的控制。高空作业车电控系统组态仿真如下所示：高空作业车电控系统组态仿真如下所示：图5-3高空作业车用户窗口监控界面图5-4设备窗口通用串口设备属性图5-5实时数据库编辑界面5.4高空