基于PLC的高空作业车自动充电系统

刘 璐 王桂森 郑 军 张仁民

杭州爱知工程车辆有限公司 杭州 310020

0 概述

高空作业车是一种能够在各种高空建筑物空隙间作业的设备，广泛应用于电力、市政、园林、通信、机场、造（修）船、交通、摄影等领域[1]。随着电力行业的不断发展，对不断电进行带电作业维修高架线路的需求越来越多，使用高空作业车进行带电作业的作业密度不断加大，对高空作业车使用效率的要求也越来越高。目前，高空作业车通常在工作斗上设置有许多用电设备，如工作斗控制器、传感器、显示屏、照明灯等。为了满足高空作业车的用电需求。现有相关技术中，通常通过在工作斗上设置电池为用电设备供电，通过更换备用电池维持工作斗上用电设备的正常工作。然而，相关技术中更换电池的方法无法满足高空作业时不间断作业的要求，容易导致电池和备用电量用光就无法继续作业情况，从而影响高空作业车的正常工作。

针对上述问题，本文设计了一种基于PLC的高空作业车自动充电系统，通过为高空作业车安装相关液压元件、电气元件，能够使高空作业车上用电设备长期不间断正常用电，不需要停机更换电池，提高高空作业工作效率。

1 现有的高空作业车充电技术

1.1 原有充电系统原理

为了实现高空作业车斗部能够长期使用，以往的作法是在下车安装备用电池与随车充电器。备用电池用以斗部电瓶亏电时对斗部电瓶进行替换，随车充电器用于日常行车时间，对备用电池进行充电。

如图1所示，高空作业车斗部电气箱内部装有控制器、传感器等用电设备，安装在工作斗上面，斗部电池为电气箱供电；下部电气箱内部装有充电器，汽车底盘发动机工作时，充电器会对备用电池进行充电，维持电瓶电量满；当斗部电池亏电时，需要操作人员使用备用电池对其进行更换，来维持斗部电气箱内用电设备工作，完成相关高空作业。

图1 原有高空作业车充电系统构成图

1.2 原有充电系统的技术缺点

原有的充电系统为人工干预式，即需要人工进行更换电池，在高空作业车实际工作中，经常使用在对电网进行带电作业维修维护的场景中，对工作效率和便捷性要求较高。在高空作业过程中，作业位置都在高空，且作业的环境可能比较复杂，需要较长时间才能调整车体位置，如果在作业中途出现斗部电瓶亏电情况，需将车体臂架收回到地面对电瓶进行更换后再回到原来的工作位置，非常影响带电作业的效率。同时下部充电器只有在汽车底盘工作的情况下才能工作，如果使用者进行高空作业的地理位置离停放点较近，备用电瓶可能会处在未充满电的状态。当斗部电瓶亏电时，即使再使用备用电瓶进行更换，也会因为备用电瓶亏电而影响高空作业的时间，无法实现长时间工作。

综上所述，原充电系统需要人工更换电池，效率低，更换难度大，难以维持长时间高空作业，这些因素造成该系统的实用性较差。因此，在高空作业过程中，仍存在无法不间断作业的问题。

2 基于PLC的自动充电控制方法原理

2.1 PLC原理

本文设计的基于PLC的自动充电系统，需要PLC检测电瓶电压，发电机转速及控制液压发电机工作。PLC是一种具有微处理器的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以将控制指令随时加载存储器内存储与运行。可编程控制器由内部CPU、指令及数据存储器、输入输出单元、电源模块、数字模拟等单元所模块化组合成。PLC可接收（输入）及发送（输出）多种类型的电气或电子信号，并使用其控制或监督几乎所有种类的机械与电气系统。

将PLC运用到高空作业车上符合目前机械发展的趋势。PLC技术可以在一定程度上增强工程机械电气控制装置的自动化水平及其自身的质量，使其运用的有效性科学性与合理性也得到一定程度的提升[2]。同时，PLC的运用提升了系统的安全性，降低了系统误差，减少了工程机械在工作中出现故障的情况，提高了系统的可靠性和准确性。

2.2 液压系统原理

使用自身高空车的液压回路分支带动液压马达进行发电，其设计简洁，高空作业进行或停止时都可以进行发电，且该系统选用发电机噪声小，可以在不扰民的环境下进行工作。传统发电油路系统是定量泵带动调速阀进行工作，液压系统原理如图2所示。

图2 传统的液压系统原理图

图2所示液压系统中，定量泵在发动机带动下液压油进入高空作业车总油路，换向阀不通电时液压油进入主阀为高空作业提供液压油，多余流量通过换向阀汇入高空作业车回油路。当换向阀通电时液压油进入自动充电系统油路带动液压马达进而驱动发电机动作，液压马达转速通过调速阀进行调节。该系统中总流量基本恒定，液压发电动作时多余流量会通过溢流阀溢流，导致油温上升较快。因此，在总回油路还必须增加冷却器，冷却器是保证液压系统正常工作的一种很重要的附件[3]。从节能方面考虑，该系统能量浪费严重且易发热需要单独增加冷却器，故设计了另外一套液压系统，如图3所示。

图3 改进的液压系统原理图

图4 电气系统原理图

图3所示液压系统中，变量泵在发动机带动下液压油进入高空作业车总油路，换向阀不通电时液压油进入主阀为高空作业提供液压油，多余流量通过换向阀汇入高空作业车回油路。当换向阀及三通流量阀同时通电时，液压油进入自动充电系统油路带动液压马达进而驱动发电机动作。控制阀组件为比例三通流量阀，比例三通流量阀属于流量阀的一种。在液压系统中，用来控制流体流量的阀统称为流量控制阀，简称流量阀[4]。流量阀配合电器系统反馈控制可以精准地控制通过液压马达的流量，从而更好地控制发电机的转速。该系统变量泵可以根据实际需求提供适当的流量，液压发电时即使有多余流量也会从三通流量阀回油箱，不会出现溢流情况。因此，从节能及系统发热情况来看，该系统改进效果较明显。

2.3 电气系统原理

电气系统以PLC为核心，通过输出稳压装置将发电机产生的交流电转换为直流电，对电瓶进行充电，在高空作业车的发动机和发电机上分别装有转速检测传感器，通过PLC检测转速检测传感器信号和电瓶电压，使用阀泵协同控制策略，采用前馈+PID控制方法，通过控制变量泵的转角和三通流量阀的开口大小，实现液压马达达到目标转速，发电机发出稳定电压电流供给电瓶及用电设备。

2.4 阀泵协同控制

为了消除液压马达转速的震荡，使发电机获得平稳的转速，根据阀泵调速协同工作原理提出阀泵协同控制策略，通过前馈+PID的控制方法，实现马达转速平稳运行。阀泵协同控制系统的控制目标分别是变量泵和三通流量阀，通过控制变量泵的排量和三通流量阀的开口大小实现对发电机转速的控制。

在设计此系统的控制方法之前，首先对整个系统的工作情况进行研究，高空作业车自动充电系统的工作过程主要包含开始时的初始加速环节和后续工作时的稳定波动调节环节。在初始加速环节，需要通过控制变量泵的流量达到目标系统流量，在达到目标系统流量后，在接近目标发电机转速的附近通过调节流量阀的开口对转速进行微调，以达到目标的输出电压和电流值。

2.4.1 前馈控制环节

前馈控制是根据检测到信号扰动的大小和扰动的变化，控制系统在偏差出现以前作用，主要应用在控制回路滞后、反馈控制不及时、外部扰动可测不可控的系统。

根据高空作业车自动充电系统原理可知，高空作业车传动系统中的变量泵输入端转速是典型的可测不可控变量。可测是指高空作业车在工作过程中可通过传感器将输入端的速度信号转化为标准的电信号，不可控主要是指在高空作业车工作时，泵的转速可能受到不同工况、负载变化等多种因素影响，很难通过对控制系统的简单设置，使其转速稳定。

变量泵的输出流量为

Qsp＝Kp·ωp·γ

式中：Qsp为变量泵的输出流量；Kp为变量泵的排量梯度；ωp为变量泵的角速度；γ为变量泵变量机构摆角。

前馈控制变量γ范围为0°～18°，排量在0～90 ml/r变化，对应的摆角控制信号为0～1。

在变量泵的工作过程中，由于变量泵动力是由高空作业车发动机提供，在高空作业车工作过程中，由于工作状态和负载变化的原因，发动机的转速变化无法实时控制，选择基于给定的前馈控制方法对变量泵进行控制，使其在变转速输入下为系统提供稳定流量。使用前馈控制能够有效地消除发动机工作时转速大范围变化对液压系统稳定性的影响，减少了节流调速环节的泄油损失。

2.4.2 PID控制环节

PID算法是工业应用中最广泛的算法之一，在闭环系统的控制中，可自动对控制系统进行准确且迅速地校正。PID以其3种纠正算法而命名。受控变量是比例、积分、微分3种算法相加后的结果，即为输出，其输入为误差值（设定值减去测量值后的结果）或是由误差值衍生的信号。若定义u(t)为控制输出，PID 算法可表示为

式中：Kp为比例增益，Ki为积分增益，Kd为微分增益，e为误差值，t为当前时间。

常规的模拟PID控制系统原理框图如图5所示。

图5 PID控制系统原理框图

可以通过调整3个单元的增益Kp、Ki和Kd来调定其特性，PID控制器主要适用于基本上呈线性，且动态特性不随时间变化的系统。

采用PID对阀泵协同系统进行校正，以保证在多种扰动影响下，发电机输出转速为稳定值。在本系统中控制阀与系统回路采用串联方式，通过调节流入发电机的流量恒定，以达到对发电机输出转速的控制。在参数调节方面，已经有不少的理论指导和工程经验，故在现场可根据实际情况运用规律调节PID参数[5]。

2.5 高空作业车自动充电控制方法

如图6所示，当工作斗上的工作斗控制器检测到储能装置电量低，工作斗控制器发送信号给下车控制器，下车控制器控制液压泵在发动机带动下输出液压油，通过高空作业车总油路、自动充电系统油路穿过工作臂将液压油从高空作业车液压油箱输送到工作斗上的控制阀组件，工作斗控制器给控制阀组件通电，进而液压马达带动发电机转动发出电压电流信号对储能装置进行充电。在充电过程中，工作斗控制器通过转速传感器检测发电机转速，通过输出稳压装置控制发电机到储能装置的电压，使其稳定在一定范围内，当检测到发电机转速异常时，通过控制阀泵协同系统进行调速，以此形成闭环控制，当工作斗控制器检测到储能装置电量充满时，则控制控制阀组件断电，停止充电。

图6 控制流程图

2.6 高空作业车自动充电系统测试结果分析

对充电系统工作稳定性的分析主要分为变量泵输出流量的调节和发电机的转速控制2个部分，变量泵输出流量的调节即变量泵控制试验曲线，变量泵的机构摆角必须能够实时随着发动机转速的变化进行调节，维持变量泵的输出流量在设定值附近；对于发电机的转速控制，变量泵的输出流量经过控制阀节流调速后输入发电机马达，控制阀的开口自动调节应能将马达转速稳定在设定值。

2.7 变量泵的控制响应

根据高空作业车不同工作状态下对发动机转速的不同要求，对变量泵进行开环分段控制，通过0～1的控制信号，控制变量泵机构摆角在0°～18°范围内变化，以调节变量泵的排量，如图7所示。

图7 变量泵开环分段控制

在发动机转速较低时，控制泵的信号比较低，此时变量泵机构的摆角打开较大，在发动机转速较高时，控制泵的信号也较高，此时变量泵机构的摆角打开较小。通过此分段信号，控制变量泵在发动机不同转速情况下，输出一个较稳定的系统流量。

2.8 发电机转速的控制响应

在变量泵完成把发动机的动能转换为液压动力，并将此流量调节到系统要求输出后，此流量经过控制阀输入液压发电机马达。

如图8所示，在自动充电系统开始工作后，发电机的转速迅速达到目标转速附近，在经过4.5 s后稳定在950 r/min附近；如图9所示，当在系统中突然加入3 kW的负载时，发电机的转速发生了突然降低，然后在1 s时间内的恢复到950 r/min；再次，如图10所示，当从系统中撤去3 kW的负载时，发电机转速发生了突然升高，然后在1 s时间内汇入到正常转速。

图8 启动时发电机转速变化曲线

图9 加入3 kW负载时发电机转速曲线

图10 撤去3 kW负载时发电机转速曲线

在以上测试中，启动时发电机的转速最大偏差值为990 r/min，加负载和去负载的最大偏差分别为920 r/min和980 r/min，偏差值占目标转速百分比为4%，收敛速度分别为4.5 s、1 s、1 s，说明使用了变量泵前馈控制加PID控阀的控制方法对系统的控制效果良好。

3 结语

通过在高空作业车斗部设置变量泵、三通流量阀、液压马达、发电机，油路，并通过PLC，传感器，使用阀泵协同控制方法，利用自身发动机动力给电瓶充电，可以使高空作业车实现无需更换斗部电池，进行长时间的作业，针对发电机输出转速波动的问题，采用了前馈+PID的控制策略，联合对高空作业车自动充电系统的输出转速进行控制，显著提高了系统的稳定性和充电效率。本文所述高空作业车自动充电系统已经在高空作业车上应用，效果良好。该系统原理及流程控制简单，PLC编程易于实现，具有较高的可推广性。