高空救援消防車作業(yè)平臺自動調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計研究

王建超

（河北省消防救援總隊石家莊市支隊重型機械救援大隊，石家莊050000）

1 引言

高空救援消防車屬于專用設(shè)備，也是登高救援中的特種車輛。現(xiàn)階段，國內(nèi)部分高空救援消防車作業(yè)平臺依然采用傳統(tǒng)繼電器式控制系統(tǒng)。所呈現(xiàn)出的缺陷為響應(yīng)速度較慢、控制精度不足等。同時基于應(yīng)用大量線束，容易出現(xiàn)故障，從而影響車輛作業(yè)期間平臺的穩(wěn)定性。為此，有必要在調(diào)平系統(tǒng)上做出進(jìn)一步的完善。

2 系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計

高空救援消防車作業(yè)平臺的功能較多，包括滅火與輔助救援活動等。同時該作業(yè)平臺的信號較為復(fù)雜，為此，需要穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)才能夠最大限度地確保操作平臺的運行安全[1]。本文所進(jìn)行的控制系統(tǒng)設(shè)計，將西門子S7-300可編程控制器作為主控制器，而數(shù)據(jù)采集部分則選擇I/O模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊。在此控制系統(tǒng)下，所收集到的控制信號會不斷增加，傳感器與調(diào)平電機等信號采集的原件建立在作業(yè)平臺的臨近地方。而對數(shù)據(jù)做處理以及運算的控制其，放到車架的臨近部位。2個設(shè)備在空間距離上較遠(yuǎn)，且距離并不穩(wěn)定，可基于臂架的變動而有所轉(zhuǎn)變。如果在操作期間將輸入與輸出信號直接放入控制器，必備的電纜線束數(shù)量多且分布復(fù)雜，在電路設(shè)計與布線環(huán)節(jié)會受到諸多阻礙，而后期的維修與養(yǎng)護(hù)工作也難以開展。為此，在系統(tǒng)設(shè)計方面，將PROFIBUS總線技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)計中。基于此，總線協(xié)議創(chuàng)建分布式控制系統(tǒng)，上車部分I/O與A/D模塊會就近選擇投放到救援車作業(yè)平臺位置[2]。而平臺上所必備的執(zhí)行元件與分布式I/O建立連接，各傳感器關(guān)聯(lián)到A/D模塊，進(jìn)行統(tǒng)一化的管理。遠(yuǎn)程控制站與主站的PLC借助于PROFIBUS總線實現(xiàn)關(guān)聯(lián)，同時應(yīng)用通信電纜完成不同傳感器信號與控制信號的傳導(dǎo)，降低對于電纜的使用，同時也能夠在一定程度上降低設(shè)計布線環(huán)節(jié)的難度。在控制方案方面，遠(yuǎn)程A/D模塊的主要作用是獲取到傳感器與重力傳感器的數(shù)據(jù)，僅有PROFIBUS總線傳輸?shù)街髡綪LC中[3]。主站的PLC對于傳感器的數(shù)據(jù)做相關(guān)運算行為，同時傳遞出不同的PEM信號。信號在總線基礎(chǔ)上完成命令，并發(fā)布到遠(yuǎn)程I/O，其作用在于借助于調(diào)平電臺進(jìn)行平臺的調(diào)平作業(yè)。控制系統(tǒng)可在不同的條件下發(fā)出警報：（1）平臺傾角大于設(shè)定的極限值；（2）重力傳感器數(shù)值大于設(shè)定的極限值[4]。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

在軟件運行中，借助于系統(tǒng)控制軟件實現(xiàn)平臺的自動調(diào)平控制，同時做軟件工作流程圖的設(shè)計。為進(jìn)一步確保自動調(diào)平控制的穩(wěn)定性，借助于PID控制算法，綜合平臺傾斜角度與設(shè)定值之間所存在的偏差，對調(diào)平電機的工作進(jìn)行控制。

此控制算法的基礎(chǔ)原理如公式（1）所示：

式中，M（t）為時間函數(shù)回路輸出量；Kc為回路增益；e為回路誤差；Mintial為回路輸出初始值。

為便于計算機處理，應(yīng)該將式（1）進(jìn)行離散化處理，如公式（2）所示：

式中，M（n）為采樣時刻tnPID回路輸出計算值；ex為采樣時刻tx回路誤差值；K1為積分項比例常數(shù)；KD為微分項比例常數(shù)。

在西門子S7-300系列PLC中，有專門應(yīng)用在PID控制的程序功能塊SFB41，此功能模塊能夠?qū)崿F(xiàn)PID控制，在程序中設(shè)定PID控制的各種控制參數(shù)，應(yīng)用較為便捷。在程序編寫環(huán)節(jié)中，在OB35組織塊中調(diào)節(jié)應(yīng)用SFB41程序功能塊，促使PLC間隔50ms完成一次PID運算[5]。

在本次研究中應(yīng)用-15°～+15°對應(yīng)輸出0～5V傾角傳感器。在傾角為0°的條件下，作業(yè)平臺處在水平位置，所對應(yīng)的輸出電壓是2.5V。A/D轉(zhuǎn)換模塊EM235將傳感器輸出的0～10V模擬電壓值轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的0～32 000數(shù)字量。在作業(yè)平臺水平時，經(jīng)由換算獲取到EM235模塊輸出數(shù)字量需要為8 000。將此數(shù)值視為作業(yè)平臺調(diào)平目標(biāo)值，在采集到數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值條件下，控制程序經(jīng)由運算、控制器與DP總線輸出相應(yīng)PWM信號，促使調(diào)平電機動作。本次研究中設(shè)定作業(yè)平臺安全傾角約為3°，若實際情況偏離了此范圍，自動實現(xiàn)PID調(diào)平控制行為。設(shè)定平臺傾角極限值約為7°，依然超出此數(shù)值會發(fā)出聲光報警[6]。

4 實驗?zāi)Ｐ痛罱ㄅc功能驗證

調(diào)平控制算法借助于慧魚模型完成功能性檢測，此模型具有較高的技術(shù)水平要求，也可將其理解為工程技術(shù)類拼裝模型。該模型的關(guān)鍵性部件采用的材質(zhì)是質(zhì)量較好的尼龍樹膠，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在尺寸精度較高且抵抗磨損作用較強。在多次拆裝下，并不會影響模型的精準(zhǔn)度。為進(jìn)一步測定救援車作業(yè)平臺自動調(diào)平系統(tǒng)的功能性，借助慧魚模型創(chuàng)建救援車平臺模型，將角度傳感器與重力傳感器放到作業(yè)平臺的模型上，并將硬件模塊與通信系統(tǒng)進(jìn)行連接，在硬件安裝后，于軟件中對硬件做組態(tài)。其中，主站PLC的地址設(shè)計為2，PROFIBUS-DP遠(yuǎn)程站地址設(shè)定為3，兩者經(jīng)由PROFIBUS-DP總線互相連接。傳輸率設(shè)定為1.5Mbit/s，硬件組態(tài)實現(xiàn)后與控制程序一同下載到轉(zhuǎn)戰(zhàn)PLC中。啟動指示燈亮起后系統(tǒng)處在正常工作狀態(tài)，臂架做上升與下降變幅動作，作業(yè)平臺自動調(diào)平，維持一定水平，測試結(jié)果良好。在平臺施加負(fù)載，若重力超出設(shè)定的極限值，則報警指示等持續(xù)閃爍完成超重警報。

5 結(jié)語

當(dāng)前，國內(nèi)有部分高空救援消防車作業(yè)平臺依然采用傳統(tǒng)繼電器式控制系統(tǒng)，還存在速度較慢、控制精度不足等問題。高空救援消防車作業(yè)平臺集合了滅火、救援等眾多功能，屬于多功能平臺。信號繁雜，穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)是某安全性與穩(wěn)定性的可靠保障。為此，還需要進(jìn)行平臺系統(tǒng)穩(wěn)定性等層面的研究。而本次研究中進(jìn)行了消防車作業(yè)平臺自動調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計。為驗證控制系統(tǒng)性能，在此測試平臺中反復(fù)測試。測試結(jié)果顯示出，設(shè)計的高空救援消防車作業(yè)平臺調(diào)平系統(tǒng)符合預(yù)期功能設(shè)計需求，程序運行較為穩(wěn)定。經(jīng)由現(xiàn)場測試，應(yīng)用經(jīng)由PLC控制且PID運算指令之后，平臺自動調(diào)平快速且穩(wěn)定。與傳統(tǒng)繼電器控制進(jìn)行對比，作業(yè)效果提升了約10%，車輛燃油消耗降低了約1.5%。基于此，認(rèn)為設(shè)計出科學(xué)合理且具有可行性的消防車救援平臺，一方面能夠達(dá)到提升整個運行平臺穩(wěn)定性及安全性的效果，另一方面還能夠降低車輛的燃油損耗，具有較高的經(jīng)濟性價值。