高空救援消防车作业平台自动调平系统设计研究

王建超

（河北省消防救援总队石家庄市支队重型机械救援大队，石家庄050000）

1 引言

高空救援消防车属于专用设备，也是登高救援中的特种车辆。现阶段，国内部分高空救援消防车作业平台依然采用传统继电器式控制系统。所呈现出的缺陷为响应速度较慢、控制精度不足等。同时基于应用大量线束，容易出现故障，从而影响车辆作业期间平台的稳定性。为此，有必要在调平系统上做出进一步的完善。

2 系统硬件选型与设计

高空救援消防车作业平台的功能较多，包括灭火与辅助救援活动等。同时该作业平台的信号较为复杂，为此，需要稳定的硬件系统才能够最大限度地确保操作平台的运行安全[1]。本文所进行的控制系统设计，将西门子S7-300可编程控制器作为主控制器，而数据采集部分则选择I/O模块与A/D转换模块。在此控制系统下，所收集到的控制信号会不断增加，传感器与调平电机等信号采集的原件建立在作业平台的临近地方。而对数据做处理以及运算的控制其，放到车架的临近部位。2个设备在空间距离上较远，且距离并不稳定，可基于臂架的变动而有所转变。如果在操作期间将输入与输出信号直接放入控制器，必备的电缆线束数量多且分布复杂，在电路设计与布线环节会受到诸多阻碍，而后期的维修与养护工作也难以开展。为此，在系统设计方面，将PROFIBUS总线技术应用到系统设计中。基于此，总线协议创建分布式控制系统，上车部分I/O与A/D模块会就近选择投放到救援车作业平台位置[2]。而平台上所必备的执行元件与分布式I/O建立连接，各传感器关联到A/D模块，进行统一化的管理。远程控制站与主站的PLC借助于PROFIBUS总线实现关联，同时应用通信电缆完成不同传感器信号与控制信号的传导，降低对于电缆的使用，同时也能够在一定程度上降低设计布线环节的难度。在控制方案方面，远程A/D模块的主要作用是获取到传感器与重力传感器的数据，仅有PROFIBUS总线传输到主站PLC中[3]。主站的PLC对于传感器的数据做相关运算行为，同时传递出不同的PEM信号。信号在总线基础上完成命令，并发布到远程I/O，其作用在于借助于调平电台进行平台的调平作业。控制系统可在不同的条件下发出警报：（1）平台倾角大于设定的极限值；（2）重力传感器数值大于设定的极限值[4]。

3 软件系统设计

在软件运行中，借助于系统控制软件实现平台的自动调平控制，同时做软件工作流程图的设计。为进一步确保自动调平控制的稳定性，借助于PID控制算法，综合平台倾斜角度与设定值之间所存在的偏差，对调平电机的工作进行控制。

此控制算法的基础原理如公式（1）所示：

式中，M（t）为时间函数回路输出量；Kc为回路增益；e为回路误差；Mintial为回路输出初始值。

为便于计算机处理，应该将式（1）进行离散化处理，如公式（2）所示：

式中，M（n）为采样时刻tnPID回路输出计算值；ex为采样时刻tx回路误差值；K1为积分项比例常数；KD为微分项比例常数。

在西门子S7-300系列PLC中，有专门应用在PID控制的程序功能块SFB41，此功能模块能够实现PID控制，在程序中设定PID控制的各种控制参数，应用较为便捷。在程序编写环节中，在OB35组织块中调节应用SFB41程序功能块，促使PLC间隔50ms完成一次PID运算[5]。

在本次研究中应用-15°～+15°对应输出0～5V倾角传感器。在倾角为0°的条件下，作业平台处在水平位置，所对应的输出电压是2.5V。A/D转换模块EM235将传感器输出的0～10V模拟电压值转变为对应的0～32 000数字量。在作业平台水平时，经由换算获取到EM235模块输出数字量需要为8 000。将此数值视为作业平台调平目标值，在采集到数据超出设定阈值条件下，控制程序经由运算、控制器与DP总线输出相应PWM信号，促使调平电机动作。本次研究中设定作业平台安全倾角约为3°，若实际情况偏离了此范围，自动实现PID调平控制行为。设定平台倾角极限值约为7°，依然超出此数值会发出声光报警[6]。

4 实验模型搭建与功能验证

调平控制算法借助于慧鱼模型完成功能性检测，此模型具有较高的技术水平要求，也可将其理解为工程技术类拼装模型。该模型的关键性部件采用的材质是质量较好的尼龙树胶，其优势主要体现在尺寸精度较高且抵抗磨损作用较强。在多次拆装下，并不会影响模型的精准度。为进一步测定救援车作业平台自动调平系统的功能性，借助慧鱼模型创建救援车平台模型，将角度传感器与重力传感器放到作业平台的模型上，并将硬件模块与通信系统进行连接，在硬件安装后，于软件中对硬件做组态。其中，主站PLC的地址设计为2，PROFIBUS-DP远程站地址设定为3，两者经由PROFIBUS-DP总线互相连接。传输率设定为1.5Mbit/s，硬件组态实现后与控制程序一同下载到转战PLC中。启动指示灯亮起后系统处在正常工作状态，臂架做上升与下降变幅动作，作业平台自动调平，维持一定水平，测试结果良好。在平台施加负载，若重力超出设定的极限值，则报警指示等持续闪烁完成超重警报。

5 结语

当前，国内有部分高空救援消防车作业平台依然采用传统继电器式控制系统，还存在速度较慢、控制精度不足等问题。高空救援消防车作业平台集合了灭火、救援等众多功能，属于多功能平台。信号繁杂，稳定的硬件系统是某安全性与稳定性的可靠保障。为此，还需要进行平台系统稳定性等层面的研究。而本次研究中进行了消防车作业平台自动调平系统的设计。为验证控制系统性能，在此测试平台中反复测试。测试结果显示出，设计的高空救援消防车作业平台调平系统符合预期功能设计需求，程序运行较为稳定。经由现场测试，应用经由PLC控制且PID运算指令之后，平台自动调平快速且稳定。与传统继电器控制进行对比，作业效果提升了约10%，车辆燃油消耗降低了约1.5%。基于此，认为设计出科学合理且具有可行性的消防车救援平台，一方面能够达到提升整个运行平台稳定性及安全性的效果，另一方面还能够降低车辆的燃油损耗，具有较高的经济性价值。