西门子PLC S7-1500在工程车控制系统中应用

2022-06-24孙根林

电子制作 2022年10期

孙根林

（安徽兴宇轨道装备有限公司，安徽蚌埠，233010）

0 引言

常见工程车有重型运输车辆、工程抢险车、起重机械等。高空施工作业车是目前建筑施工领域中重要施工设备，其中，蜘蛛式高空作业车因使用方便、安全可靠等优点，在实际施工领域中应用比较多。西门子S7-1500PLC系统在S7-300/400基础上进行了优化，在系统性能、响应速度上都有显著改进，提升了电气控制系统的运行效率和安全性等，能够满足不同行业对高空作业车的使用需求。对基于PLC的蜘蛛式高空作业车控制系统进行设计，探究工程车控制系统具体应用。

1 S7-1500PLC系统应用优势

■ 1.1 S7-1500PLC系统性能

西门子S7-1500PLC系统综合性能较强，在工业控制系统中应用较多。西门子S7-1500拥有高速背板总线，能够快速处理信号，大大减短了响应时间，500微秒之内实现点到点的数据传输，兼顾S7-1500PLC的工作任务或者能力选择合适的CPU，不同类型CPU运转效率存在一定差异，其中，对于位指令的运算，最快可在10纳秒之内完成。CPU1511模块和CPU1513模块有两个PROFINET端口，CPU1516模块有三个端口：其中两个与现场级进行通信，第三个则可用于企业网络。此外，西门子SIMATIC S7-1500系统带有良好诊断功能，不用额外编写程序就能具备诊断功能[1]。S7-1500PLC系统能够将各种信息以文本形式显示在显示器上，供技术人员查看，便于人们对驱动器信息或者故障信息实时监督。

■ 1.2 S7-1500PLC系统应用特点

西门子S7-1500PLC相比于S7-200、S7-300等，有着显著应用优势，S7系列的兼容性较强，能够更好地满足不同行业的特殊需求，S7-1500模块在尺寸上比S7-300大一点，其接线位置的设计，加上自带屏蔽支架、线卡和电源元件，使接线更加便利；相比于S7系列其他可编程控制器，S7-1500 中央处理器上配有LED显示屏，能够直观显示有无故障信息或者CPU运行状态等。不同于S7-300/400，S7-1500可编程控制器采用的是新型的背板总线技术，并采用高波特率和高传输协议，能够快速响应，处理效率高；S7-1500可编程控制器CPU模块集成PROFINET接口最少一个，最多有三个，而S7系列其他可编程控制器很少有CPU型号能够集成有PROFINET接口；S7-1500 PLC的模块对于故障诊断能力较强，如果出现故障，能够快速识别故障通道，减少停机时间，这是S7其他可编程控制器无法比拟的；西门子新的自动化设备都要集成到TIA博途软件中，S7-1500PLC作为新型控制器也需要无缝集成软件平台，借助软件平台，能够方快捷地完成各项工作，而S7-300/400可编程控制器上位组态软件为WinCC，其性能不如TIA博途软件[2]；S7-300/400 PLC能够支持的最大数据长度为32位，而S7-1500PLC最大能达到64位，且除了基本数据类型，S7-1500PLC还能支持更多数据类型。

2 蜘蛛式高空作业车工作原理

高空作业车在建筑工程中使用广泛，形式种类也较多，例如，臂架式、双桅柱式、单桅柱式等，其中蜘蛛式高空作业车性能较好，结构简单，使用更加方便。如图1所示，为蜘蛛式高空作业车结构示意图，整体上可由下车部分和上车部分组成，下车部分，主要有行走装置、支腿、转台以及底盘等，上车部分主要由大臂、小臂和吊篮构成。其结构简单，但能够完成多种动作，例如，行走、转向、大小臂变幅、大臂收缩、吊篮旋转等，在建筑领域施工过程中使用灵活，能够结合具体施工要求高效完成建筑任务。

图1 蜘蛛式高空作业车简单结构图

交流电机为蜘蛛式高空作业工程车液压系统提供动力，加上控制阀的使用，控制或者改变液压油的流向、速度以及流量，以推动液压缸变换动作实现不同功能，满足工程领域中对蜘蛛式高空作业车的多样化使用需求[3]。由于作业车的整体由两部分组成，因此，液压系统也相应的分为上车液压系统和下车液压系统，由回转头承接液压系统两部分。其中上车液压系统根据上车部分结构要完成的动作，由整车回转系统、工作臂变幅与伸缩系统、吊篮调平系统等组成，而下车部分主要是实现行走、转向等功能，因此下车液压系统由支腿动作系统、行走系统、转向系统等组成。

3 蜘蛛式高空作业车电气控制系统设计与应用

采用220V交流电源为该作业工程车提供动力，由于西门子S7-1500PLC是作为S7-300或S7-400替换机种而存在的，综合性能更加优越，因此文章设计的工程车控制系统编程硬件主要选取了西门子S7-1500型号可编程控制器，除此之外，还有一些PCL的硬件设施，例如，与PLC相适应的中央处理器、输入与输出单元、存储器、通信接口、电源等。

■ 3.1 系统总体设计

系统总体上主要采用逻辑控制方式，确保对作业车各部分的安全检测和环境的稳定可靠。基于PLC的蜘蛛式高空作业车电气控制系统结构图如图2所示。

图2 蜘蛛式高空作业车电气控制系统设计框架

软件设计方面，针对操作面板上的各种信号都配备PLC控制器，以逻辑运算控制信号的传输，实现软件与系统硬件的相互制约，避免因操作错误引起安全事故。控制软件的流程为：启动高空作业车，如果选择下车操作，则调节支腿，然后判断是否行走，如果需要行走，下一步选择行走方向和合适的行走速度，如果不行走，则收回支腿，将大臂落下；也可选择上车操作，打开并调节支腿，保证底盘的稳定，发送允许上车动作指令，下一步可对大臂的伸缩、大臂和小臂的上升与下降、转台的旋转、吊篮移动以及控制速度进行选择和控制，每次执行完相应任务后，自动判断工作状态是否正常，检测不正常时及时报警处理。

■ 3.2 控制台

蜘蛛式高空作业车在高空作业，因此工程车的安全性和稳定性要求非常高。在控制系统设计方面，为保障施工安全，设计了本车控制、吊篮控制以及远程控制这3个控制台，分别详细介绍3个控制台的设计。为方便作业车地面人员对其进行操作和控制，在作业车车体上安装本机控制，控制台设置了启动、急停以及一些控制按钮，使得工作人员能够控制高空作业车的开启、停止、吊篮的调平等过程，当作业车运行状态不正常或者发生故障时，能够给出自动报警指示，以免造成人员受伤或者经济损失。在上车部分的吊篮上安装吊篮控制，主要用于吊篮上的工作人员对高空作业车进行全程控制，以实现大臂变幅和伸缩、小臂变幅以及吊篮调平等各项功能，以便于工作的进行，为保障吊篮上工作人员的安全，在吊篮控制上还设置了急停和报警功能，如果因外界环境或者设备原因等，吊篮失去平衡或者难于控制时，控制系统就会自动报警。在信息技术与通讯技术的应用下，工作人员即使不在现场也能对高空作业车进行远程控制，完成操作，能够移动的便携式操控盒是实现远程控制的基础。通常情况下，会对高空作业车的支腿动作、行走过程进行远程控制，同样的，远程控制也设计了急停、报警指示等功能[4]。

■ 3.3 安全保护装置

电气控制系统的性能关乎着高空作业车的行走或者施工安全性，因此，高空作业车的电气控制系统也需对安全保护装置进行设计。支腿是承载整体车身重量的关键，为保证支腿作用的良好发挥，将作业车每个支腿上都安装一个压力传感器和微动开关，以实时监测作业车的支腿是否正常支撑，如果监测到失衡或空撑现象，及时做出相应调整或者给出预警提示，从而保证高空作业车正常运转和建筑工程的施工安全。采用PLC可编程控制器设计电气控制系统，对作业车的大臂、转台、支腿、吊篮等进行状态监测和异常报警。为保证作业车各个动作在可控范围内，通过PLC控制的部件的运转都会有一定的限制。另外，三个操作面板上的各种操控信号都需要引入PLC控制器，通过硬件设施和软件平台之间的相互制约关系提高高空作业车的安全性，避免因工作人员操作失误而导致严重安全事故。电气系统原理图如图3所示。

图3 电气控制系统原理图

■ 3.4 实际应用

电气控制系统的设计主要应用于液压系统，以驱动相关液压系统完成各种动作，实现对作业车的发动机停启、操控调节、极限报警等应用。

系统有3个操控面板，可实现工作人员在地面、吊篮内以及远程情况下对作业车的有效操控，每个操控面板都有设置急停按钮以及报警装置，如果检测到作业车运行状态异常或者出现故障，能够便于工作人员及时按下停止按钮，保障运行安全。如果有检测到蜘蛛式高空作业车底盘不够平衡，有发生倾斜的风险，系统会停止动作控制并发出报警。每个支腿上都有安装压力传感器和开关，如果作业车每个支腿上的压力不平衡，或者出现有的支腿悬空，出现异常的这个支腿上的指示灯会发出预警功能[5]。对大臂的动作幅度作了一定的限制，当检测到大臂摆动幅度超过安全范围或者极限值时，会停止运作并报警。当吊篮称重超标或者与其他物体距离过短时，上车部分会停止运转，并发出报警，防止吊篮和其他物体相撞。