高空救援消防車電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

■ 孫力俊 常州消防救援支隊(duì)

高空救援消防車在進(jìn)行救援的過程中，需要將救援平臺(tái)進(jìn)行不斷的舉升與下降，因此對(duì)整個(gè)車輛的電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有非常高的要求。現(xiàn)階段大部分高空救援車仍然運(yùn)用繼電接觸控制方式，所應(yīng)用的電控系統(tǒng)中的元件數(shù)量非常多，且種類繁雜，這種電控系統(tǒng)在實(shí)際作業(yè)中的維護(hù)難度較高，穩(wěn)定性也相對(duì)較差，對(duì)于消防救援作業(yè)的及時(shí)性與救援效率都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合高空救援消防車的功能需求，結(jié)合先進(jìn)技術(shù)，為其設(shè)計(jì)一個(gè)高效的電控系統(tǒng)。

一、高空救援消防車的結(jié)構(gòu)

高空救援消防車的整車分為上下兩部分。其中上部分稱之為上車，該結(jié)構(gòu)中具有轉(zhuǎn)臺(tái)、伸縮臂、曲臂、工作平臺(tái)、云梯、上車消防系統(tǒng)、電液軟管輸送系統(tǒng)構(gòu)成。下部分稱之為下車，其主要由副車架、走臺(tái)板、器材箱總成、下車消防系統(tǒng)構(gòu)成。其中對(duì)云梯以及工作平臺(tái)的舉高作業(yè)則需要由車內(nèi)的電控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際控制。

（一）云梯

云梯的原材料為一個(gè)金屬桁架結(jié)構(gòu)。整個(gè)云梯底部的若干節(jié)需要固定在高空救援消防車伸縮臂的右側(cè)，能夠隨著伸縮臂的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，而云梯底部的另外一節(jié)則需要固定在高空救援消防車曲臂的右側(cè)。

（二）臂架

在高空救援消防車結(jié)構(gòu)中，伸縮臂的臂架是由三節(jié)同步伸縮臂外加上一節(jié)曲臂構(gòu)成。其中曲臂的長(zhǎng)度約5m，能夠全面增強(qiáng)整個(gè)高空救援消防車跨越障礙的性能以及車輛的工作幅度。曲臂需要鉸接在消防車伸縮臂的頭部。由曲臂油缸驅(qū)動(dòng)設(shè)備來帶動(dòng)整個(gè)曲臂，使其能夠改變作業(yè)高度與幅度。通常來說，高空救援消防車的曲臂能夠在鉛垂面180°的范圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。

（三）工作平臺(tái)

工作平臺(tái)也是高空救援消防車的高空救援平臺(tái)。該平臺(tái)被鉸接在車輛曲臂的頭部位置，整個(gè)救援平臺(tái)是由剛度較高的鋁合金框架結(jié)構(gòu)制作而成。在車輛作業(yè)過程中，車輛內(nèi)部的調(diào)平油缸會(huì)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的鏈條，來控制整個(gè)救援平臺(tái)的自動(dòng)調(diào)平功能。并且在平臺(tái)的側(cè)面安裝了一個(gè)緩降器支架，平臺(tái)的正前方安裝了一個(gè)消防水炮，在平臺(tái)的底部具有一個(gè)專門的救生通道，能夠?qū)崿F(xiàn)救援與滅火的雙重功能。

（四）上車消防系統(tǒng)

高空救援消防車的上車消防系統(tǒng)主要包括上車系統(tǒng)中的消防管路以及救援平臺(tái)前面的消防炮。其中消防管路由伸縮水管、金屬軟管、鍍鋅水管等設(shè)備構(gòu)成。整個(gè)消防管路被固定在消防車曲臂的右側(cè)，且消防管路的長(zhǎng)度設(shè)置與伸縮臂相同，能夠隨著伸縮臂進(jìn)行自由伸縮。

（五）轉(zhuǎn)臺(tái)

轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式為板式框架高絞點(diǎn)布置，安裝于回轉(zhuǎn)支撐上面。轉(zhuǎn)臺(tái)在作業(yè)中可實(shí)現(xiàn)360°連續(xù)回轉(zhuǎn)。消防車上的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)裝備的右后方，回轉(zhuǎn)緩沖閥安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備右后方的上部，兩組兩連閥安裝在整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備的里側(cè)，消防管路或經(jīng)過轉(zhuǎn)臺(tái)的中間部位，穿過轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備的右方臂尾部。整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中，需要將轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備的重心盡量向后方以及下方移動(dòng)，方能夠保障轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

二、高空救援消防車電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

高空救援消防車在應(yīng)用過程中，通常需要對(duì)一些具有一定高度的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施救。這類火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)性較高，人員逃生困難，因此需要運(yùn)用消防車上面的救援平臺(tái)完成對(duì)被困人員的救援工作，且在救援過程中消防車還需要執(zhí)行滅火任務(wù)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，對(duì)整個(gè)消防車的功能要求相對(duì)較高，控制系統(tǒng)在運(yùn)行中所需要處理的信號(hào)類型以及信號(hào)數(shù)量多且繁雜，其中主要分為數(shù)字量與模擬量。與此同時(shí)，還需要對(duì)車輛作業(yè)中所產(chǎn)生的大量的、相對(duì)比較復(fù)雜的邏輯關(guān)系進(jìn)行針對(duì)性處理。高空救援消防車中的電控系統(tǒng)所應(yīng)用的主控制器為某品牌的可編程控制器。該控制器需要運(yùn)用設(shè)備中的A/D、D/A 特殊功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛中不同控制點(diǎn)的模擬量信號(hào)進(jìn)行采集與分析，隨后生成相應(yīng)的控制信號(hào)，并且高空救援消防車還應(yīng)用了Fame View 系列觸摸屏，對(duì)該車輛的電控系統(tǒng)HMI 界面進(jìn)行針對(duì)性開發(fā)。（見圖1）

圖1 高空救援消防車電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

該控制方案在設(shè)計(jì)過程中，配電管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)消防車內(nèi)所有用電設(shè)備進(jìn)行電量分配與針對(duì)性管理，保障消防車在作業(yè)中能夠穩(wěn)定、安全地對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行供電。該電控系統(tǒng)運(yùn)用FX2NPLC 作為車輛的主控制器。該控制器在運(yùn)行中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)消防車作業(yè)中所產(chǎn)生的所有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)運(yùn)算，并且能夠?qū)囕v中各個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的邏輯關(guān)系進(jìn)行科學(xué)處理。消防車中的操作面板是消防員對(duì)整個(gè)車輛進(jìn)行控制的終端，該面板中安裝了不同系統(tǒng)的閉合控制構(gòu)件以及電位器等，該操作面板所輸出的信號(hào)主要為開關(guān)量信號(hào)以及模擬量信號(hào)。在實(shí)際運(yùn)行中，可運(yùn)用A/D 特殊功能模塊采集傳感器以及操作面板上的模擬量對(duì)控制指令進(jìn)行及時(shí)輸出，保障設(shè)備按照相應(yīng)的控制指令運(yùn)行。而開關(guān)量信號(hào)則由控制面板中的PLC 主單元進(jìn)行信號(hào)的輸入。高空救援消防車在執(zhí)行救援工作中，所運(yùn)用的驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)方式。因此，在消防車救援中，電控系統(tǒng)需要結(jié)合車輛運(yùn)行需求，對(duì)車輛內(nèi)部不同類型的液壓閥進(jìn)行針對(duì)性的控制，并由D/A 模塊將控制信號(hào)及時(shí)發(fā)出，通過相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。消防車中的觸摸屏是整個(gè)電控系統(tǒng)的監(jiān)控終端。該觸摸屏在運(yùn)行中，將會(huì)通過車輛內(nèi)部的HMI 界面以圖像或者動(dòng)畫的方式，將消防車當(dāng)前的作業(yè)狀態(tài)全面呈現(xiàn)出來，相關(guān)操作人員能夠通過該界面對(duì)車輛發(fā)出不同的控制指令。

三、仿真試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

為了測(cè)試高空救援消防車電控系統(tǒng)控制方案的科學(xué)性與可行性，本文運(yùn)用慧魚模型組件將消防車模型搭建出來，并建構(gòu)了基于高空救援消防車功能原理的控制平臺(tái)。

（一）功能需求分析

結(jié)合高空救援消防車在應(yīng)用過程中的操作流程以及作業(yè)特點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)人員需將影響該車輛運(yùn)行水平以及操作效率的主要因素進(jìn)行總結(jié)分析，并將這些因素作為創(chuàng)設(shè)高空救援消防車電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中必須實(shí)現(xiàn)的功能。這些因素主要包括以下幾種：

1. 車身聲光警示

當(dāng)消防車到達(dá)救援位置并開始救援作業(yè)的過程中，消防車身上的警示燈需要馬上開啟，對(duì)周圍一些無關(guān)人員起到警示作用，提醒無關(guān)人員遠(yuǎn)離救援現(xiàn)場(chǎng)，使消防車在救援操作中能夠形成一個(gè)相對(duì)安全的作業(yè)范圍，最大限度規(guī)避無關(guān)人員的靠近。

2. 轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)

轉(zhuǎn)臺(tái)是連接高空救援消防車臂架與底盤之間的重要機(jī)械構(gòu)件之一，該構(gòu)件在運(yùn)行中能夠?qū)崿F(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，并與臂架自身的變幅功能進(jìn)行融合，可將救援平臺(tái)運(yùn)送至所需要的救援位置。

3. 臂架變幅控制功能

臂架主要是由多個(gè)折疊臂組成，其下方固定在消防車的轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)件上，整個(gè)臂架能夠隨著轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，高空救援消防車中的每一節(jié)臂架上都配備的對(duì)應(yīng)的控制器，相關(guān)操作人員能夠結(jié)合救援作業(yè)的實(shí)際需求操作控制器，使臂架能夠按照操作人員的操作進(jìn)行速度變化以及方向變化。消防車臂架中的每一節(jié)臂架上都安裝了角度傳感器，該傳感器在應(yīng)用過程中，能夠?qū)蓚€(gè)相鄰臂架之間的夾角進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，并且能夠?qū)y(cè)量結(jié)果反饋到消防車的操作界面，以供操作人員參考。

4.作業(yè)平臺(tái)調(diào)平

作業(yè)平臺(tái)即救援平臺(tái)，該平臺(tái)是承載救援人員、作業(yè)器材以及被施救人員的重要裝置，在其運(yùn)行過程中，需要消防車上的臂架通過移動(dòng)與變幅將整個(gè)作業(yè)平臺(tái)運(yùn)送到救援位置，在運(yùn)送中需要保證整個(gè)作業(yè)平臺(tái)的平穩(wěn)運(yùn)行，因此整個(gè)作業(yè)平臺(tái)具有自動(dòng)調(diào)平與手動(dòng)調(diào)平兩個(gè)功能，相關(guān)操作人員在作業(yè)過程中可結(jié)合實(shí)際救援情況，對(duì)作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)平。如果作業(yè)平臺(tái)的傾角大于車輛既定的安全值，那么消防車整個(gè)臂架將會(huì)立即停止運(yùn)動(dòng)，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警。

（二）控制模型的制作

高空救援消防車電控系統(tǒng)模型在制作過程中所需要的機(jī)械結(jié)構(gòu)為汽車底盤、轉(zhuǎn)臺(tái)、兩節(jié)折疊臂和作業(yè)平臺(tái)。所構(gòu)建的仿真平臺(tái)主要是一個(gè)技術(shù)含量相對(duì)較高的拼裝模型。該模型主要運(yùn)用質(zhì)量較高的尼龍塑膠制造，模型的各個(gè)尺寸非常精確，且出現(xiàn)磨損的概率相對(duì)較小。運(yùn)用該材質(zhì)制作的模型能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)研發(fā)人員與技術(shù)人員對(duì)該模型的反復(fù)拆卸，且在高頻率的拆卸中并不會(huì)影響整個(gè)仿真模型的精確程度，還能夠?qū)崿F(xiàn)所有研發(fā)技術(shù)的還原。為該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、技術(shù)研發(fā)以及流水線生產(chǎn)都提供了強(qiáng)有力的論證依據(jù)。

（三）作業(yè)平臺(tái)調(diào)平控制

作業(yè)平臺(tái)是承載消防人員、被救援人員、救援物資工具的重要構(gòu)件之一。由于平臺(tái)承重力有限，因此在作業(yè)過程中如果平臺(tái)上方出現(xiàn)受重不均勻的現(xiàn)象，那么會(huì)造成作業(yè)平臺(tái)出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象。為有效規(guī)避這一現(xiàn)象，保障平臺(tái)安全作業(yè)，在對(duì)消防車電控系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)過程中，須保障該平臺(tái)在作業(yè)中能夠持續(xù)保持水平。基于此，在電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)運(yùn)用PID 控制方式，使作業(yè)平臺(tái)能夠在運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)平。在設(shè)計(jì)中，需要在作業(yè)平臺(tái)上安裝相應(yīng)的角度傳感器，傳感器能夠?qū)ψ鳂I(yè)平臺(tái)在運(yùn)行中所產(chǎn)生的角度傾角進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，如果檢測(cè)到作業(yè)平臺(tái)在運(yùn)行中的水平傾角與設(shè)定值出現(xiàn)很大差異，那么相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊將會(huì)對(duì)電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制指令，隨后對(duì)作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)平。

（四）HMI 界面設(shè)計(jì)

在高空救援消防車運(yùn)行過程中，要想將整個(gè)伸縮臂與轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，并將所有運(yùn)行信息呈現(xiàn)到相應(yīng)的控制界面中。相關(guān)研發(fā)人員需運(yùn)用Fame View 組態(tài)軟件對(duì)整個(gè)控制界面進(jìn)行組態(tài)，使操作人員能夠在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)對(duì)消防車電控系統(tǒng)的控制。觸摸屏在按安裝過程中，須通過RS485 接口與PLC 互連。整個(gè)觸摸屏中能夠顯示出消防車4 個(gè)運(yùn)行數(shù)據(jù)，分別為車身狀態(tài)、總控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、臂架動(dòng)作狀態(tài)、臂架的舉升高度視角與轉(zhuǎn)動(dòng)視角。

其中車身狀態(tài)指示欄中，能夠?qū)⑾儡囘\(yùn)行過程中所有動(dòng)作構(gòu)件的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)全面呈現(xiàn)出來，如果構(gòu)件對(duì)應(yīng)的指示燈呈現(xiàn)為綠色，則說明對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件正處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，例如界面中的平臺(tái)調(diào)平指示燈中的正向指示燈亮?xí)r，則說明此時(shí)作業(yè)平臺(tái)正在進(jìn)行自動(dòng)調(diào)平。

總控部分主要是通過HMI 對(duì)消防車發(fā)出相應(yīng)的控制指令。相關(guān)人員對(duì)該部分的操作能夠控制整個(gè)消防車的啟停，并且該部分還具有一鍵收車、自動(dòng)收車等功能，相關(guān)操作人員在開展每一項(xiàng)操作環(huán)節(jié)時(shí)，相應(yīng)的指示燈都會(huì)變亮。

臂架動(dòng)作在顯示舉升或者轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，系統(tǒng)中的HMI 界面會(huì)分別運(yùn)用主視視角或俯視視角對(duì)臂架運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行觀察，并跟蹤臂架的運(yùn)動(dòng)軌跡將其運(yùn)動(dòng)動(dòng)作以動(dòng)畫的方式呈現(xiàn)在HMI 界面中，方便操作人員對(duì)臂架進(jìn)行準(zhǔn)確操作。

三、結(jié)語

高空救援消防車是一種功能相對(duì)比較齊全的特種車輛。該類車輛在應(yīng)用中不僅能夠有效完成火災(zāi)滅火的任務(wù)，同時(shí)還能夠完成高處救援任務(wù)。高空救援消防車能夠運(yùn)用車輛自備的救援平臺(tái)，利用臂架的變幅以及車輛自帶的救援平臺(tái)，將火災(zāi)受困人員自安全地運(yùn)送至地面。因此，相關(guān)技術(shù)人員需做好對(duì)消防車總控系統(tǒng)的控制，保障消防車安全穩(wěn)定開展救援任務(wù)。