PLC在高空作业车辆上的应用

PLC 在高空作业车辆上的应用

摘要: 高空作业车辆在我国现代化建设中的使用越来越广泛，发挥的作用

也越来越大。其主要功能和特点是实现人员、工具和物料空间位置的变化。因而，高空作业车辆通常具有行驶、变幅、回转、伸缩、悬臂等功能。为了实现高空作业的变幅、回转、伸缩、悬臂高空作业车辆普遍采用机—电—液逻辑控制。其中电气控制部分的功能是对各种车体运行信号进行监测然后作出相应的控制。本文介绍以ＰＬＣ（可编程序控制器）改造原以单片机为核心的高空作业车辆的电气控制系统。其功能完善，立意新颖，应用软件和硬件相结合的手段构成的车体安全保护功能更可靠。

关键词：ＰＬＣ、液压阀、称重传感器、平衡传感器 一、 高空作业车辆概况

1、现状分析

高空作业车是一种用来实现人员、工具和物料在空间位置发生变化，使不便于操作的工作点实现便于操作的一个平台，在我国现代化建设中的使用越来越广泛，发挥的作用也越来越大。伸缩臂式高空作业车一般载重限5T ，臂的承重限1T 。设备控制系统分为电气部分、机械部分和液压部分组成。电气控制部分主要以单片机为核心控制。即各操纵杆的控制信号和传感器的状态开关信号直接输入到单片机由单片机作出相应的控制直接驱动相应的电磁阀。其工作过程原理如图1所示。该高空作业车辆已使用多年，除单片机损坏之外，其他各部件性能良好。

上臂

车体平衡指示

篮下操纵杆

车体

臂右回旋

臂左回旋

下臂缩

下臂伸下

上

篮上操纵杆和称重指示

支脚

支脚回旋

下臂

操作篮

（a ）后视图 （b ）正面视图

图1 工作过程原理图

2、系统控制

该高空作业车辆电气控制系统分篮下控制和篮上控制。篮下控制由液压系统压力控制、支脚控制和车体平衡检测组成；篮上控制由回旋控制、伸缩控制、变幅控制的载重检测组成。

压力控制：打开液压系统总开关，液压泵工作。压力到达后，可进行臂的其他功能操作。

支脚控制：当操作支脚操纵杆时，操纵杆开关闭合，单片机驱动相对应的电磁液压阀工作。当支脚伸到极限时，液压就会通液压阀的溢流系统使支脚限位。

平衡控制：当车体当车体向一侧（前侧、后侧、左侧、右侧）倾斜时，水平传感器就会发出一个或两个开关信号传送给单片机，单片机就会控制对应的（前、后、左、右）红灯点亮。同时锁死篮上部分的控制。当车体平衡时，传感器就没有信号输出，单片机就会点亮绿灯。同时唤醒篮上的控制。

载重控制：当操作篮上的载重超过1000KG时，压力传感器就有一信号输出，传送给单片机，单片机控制对应的“超重”红灯点亮。同时篮上操作的所有功能都被禁止。

回旋、变幅、伸缩控制：回旋、变幅、伸缩分别由四根操纵杆控制，四根操纵杆之间形成互锁。由于篮上操纵杆是一双联开关，这样一来这左右、上臂上下、下臂上下、前后运动的八种状态就形成互锁。即当“左右”的操纵杆向左推时，系统通过单片机驱动向左运动，此时由于“左右”操纵杆接通了一种状态，四根操纵杆是互锁的，所以如果在此时操作另三根操纵杆是无效的。当手松开时操纵杆复位回到中间位置，此时可进行四根杆中的任意一根杆的操作。

二、电气系统的改造设计

１、控制要求

该电气控制系统要求四个支脚能独立控制，互相没有互锁等的联系。利用电磁阀本身的特点实现自锁、限位和限速。车身的平衡由水平平衡传感器监控，并以指示灯的方式来告知用户车体的平衡状况。当不平衡时要锁死臂的一切操作。

要控制臂工作的首要条件是要车体水平平衡。臂有上臂上下、下臂上下、左右和前后八种状态，当一种状态运行停止之后才能开始下一种状态的运行，互相能互锁。如向左回旋，当我操作操纵杆向左回旋时，左回旋电磁阀得电，而右回旋、上下、前后的电磁阀由于互锁功能，只有当左回旋的电磁阀失放后，右回旋、上下、前后的操作功能才被唤醒。臂的载重由一称重传感器监控，也以指示灯的方式来告知臂的载重是否超限。当载重超限时臂的上下左右前后八种状态都不能控制。

车辆尾部装一警示灯牌，灯牌要能向左或向右指示，并能有多种显示方式。

２、系统硬件选择及接线

2、1 系统的硬件选择

此项目是把旧的有故障的机器改造成功能更多、安全可靠性更高的项目，因此不仅要考虑实现功能的适用可行性还要考虑改造部分选用设备和保留设备的兼容性和性价比。

PLC的选择：为了尽量降低改造成本，本系统可编程序控制器选用现报废掉的改装过的旧情报板上的FX2N-128MR-001的PLC其I/O点数分别有64

点。PLC的配电是交流220V，需将电源部分进行改动。PLC的主要性能指标如表1所示：

表1 FX2N-128MR-001主要性能指标

输入点数64个输出点数64个

输入端口电压DC30V以下输出电压DC24V±10%

输入端口电流4～7mA 输出最大电流2A/1点

输入端口阻抗 3.3 kΩ响应时间10ms

响应时间ON：1ms, OFF:10ms 电路隔离继电器隔离

电路隔离继电器隔离辅助继电器（M）M0～M499

锁定继电器（M）M384～M3071 特殊继电器（M）M8000～M8255

运算速度0.08us/步(基本指令) 1.52～数百us(应用指令)

程序容量16KB 8KB

状态继电器(S) S0～S499 定时器(T) T0～T3276

计数器（C）(16位) C0～C199 计数器（C）(32位) C200～C299

数据寄存器（D）D0～D199 锁定寄存器（D）D200～D8255

外形尺寸(长×宽×高) 350mmx87mmx90mm 通信口2个

整机功耗20W 电源电压AC100～220V 50/60HZ 允许瞬间断电时间>10ms 环境湿度35％～89％不结露

环境温度使用时:0～55℃, 储存时:-20～+70℃

抗冲击JIS C0912标准 10G 3轴方向各3次

接地第三种接地，不可接地时也可浮空

耐压AC1500V 1min 绝缘电阻5MΩ以上

灯牌的选择：选用24V/160W的33灯灯牌，其配有一显示方式转换开关箱，只要给它一个逐列点亮、递进的和闪烁的信号，它就可以向左或向右以逐列点亮、递进或闪烁的方式显示了。其电气线路原理如图2。

继电器组

接灯座

-+

接PLC 输出端口

9

10111214151617189

10111216

1514138

7658

7654

3214

321X22 X23 X24 X25 X26 X27

com2

33

30

21

13

4

1

图2 灯牌电气原理图

2、2 传感器

水平平衡传感器 本系统所用的水平平衡传感器是一导电式液位传感器，基本工作原理如图3a 所示。它实际上是一个导电性的检测电路。当传感器处于水平平衡时，液位平面低于四个检知电极，电极间呈绝缘状态，传感器呈开路状态。假如车体向左前倾到一定角度时，液体与左前倾的检知电极接触，由于液体是导电液体，因此检测电路就形成闭合通路。传感器把各个电极的通断状态反映给受控点（如PLC 的输入端口）以达到控制的目的。

称重传感器 本系统所用的称重传感器是金属箔式应变片，基本工作原理如图3b 所示。电阻应变片式传感器利用了金属和半导体材料的“应变效应”把导体的机械应变转换成电阻应变，再以电压或电流的形式反映出来，即把应变片粘贴于所需测量变形物体表面，敏感栅随被测物体表面变形而使电阻值改变。测量电阻的变化量便可得知变形的大小。再把力敏感元件电阻应变片的某一点的值设为转换元件的通断点，传感器把这个开关信号反映给受控点即PLC 的输入端，以达到控制的目的。

图3

2、3液压阀

本系统控制所用的是平衡电磁液压阀。此类电磁阀的作用不但能锁紧，还能限速。主要性能指标有：

量程: 1.0吨

工作电压: 24VDC

最大电量: 250 mA

零点信号: +/ - 0,02 mV/ V

工作温度范围: -10°C 到+40°C

储存温度范围: -20°C 到+80°C

电力负载: 150% 的额定容量

机械负载: 200% 的额定容量

绝缘电阻: 2欧

防护标准: IP65

重量: 大约1.0 kg

2、4PLC电源的修改

车辆上原供电电压为24V DC，所选的PLC机上所用的电压为220V AC。必须将PLC机电源的降压整流部分去掉，为了工作电压的稳定，把电源的整流（RM50TC-2H/24）后面的稳压等电路保留。具体接法如图4。

整流桥

拆卸整流桥,用导线连接虚线路径

C1

1000uf/25v

N

L

L1

ZV1

R1

TR1CX1FU1

图4 PLC 的电源接线图

2、5 PLC 硬件的I/O 资源分配

本系统占用PLC 的29个输入点、44个输出点，根据PLC 所控制和采集信号的点数及操作的需要，现对PLC 资源进行分配。见表2所示：

表2 I/O 分配表

I/O 地址 说 明 I/O 地址 说 明

X0 总启动开关 Y0 工作液压泵 X1 压力到位开关 Y1 左前支脚液压阀（伸） X2 左前支脚操纵杆（伸） Y2 左后支脚液压阀（伸） X3 左后支脚操纵杆（伸） Y3 右前支脚液压阀（伸） X4 右前支脚操纵杆（伸） Y4 右后支脚液压阀（伸） X5 右后支脚操纵杆（伸） Y5 左前支脚液压阀（缩） X6 左前支肢操纵杆（缩） Y6 左后支脚液压阀（缩） X7 左后支脚操纵杆（缩） Y7 右前支脚液压阀（缩） X10 右前支脚操纵杆（缩） Y10 右后支脚液压阀（缩） X11 右后支脚操纵杆（缩） Y11 回旋液压阀（左旋） X12 左回旋操纵杆 Y12 回旋液压阀（右旋） X13 右回旋操纵杆 Y13 下臂液压阀（伸） X14 向前操纵杆 Y14 下臂液压阀（缩） X15 向后操纵杆 Y15 下臂液压阀（升） X16 下臂升操纵杆 Y16 下臂液压阀（降） X17 下臂降操纵杆 Y17 上臂液压阀（升） X20 上臂升操纵杆 Y20 上臂液压阀（降） X21 上臂降操纵杆 Y21 灯牌（1号） X22 灯牌左循环 Y22 灯牌（2号） X23 灯牌左闪烁 Y23 灯牌（3号） X24 灯牌向左逐列点亮 Y24 灯牌（4号） X25 灯牌右循环 Y25

灯牌（5号）

X26 灯牌右闪烁Y26 灯牌（6号）

X27 灯牌向右逐列点亮Y27 灯牌（7号）

X30 左前侧Y30 灯牌（8号）

X31 左后侧Y31 灯牌（9号）

X32 右前侧Y32 灯牌（10号）

X33 右后侧Y33 灯牌（11号）

X34 超重Y34 灯牌（12号）

Y35 灯牌（13号）

Y36 灯牌（14号）

Y37 灯牌（15号）

Y40 灯牌（16号）

Y41 灯牌（17号）

Y42 灯牌（18号）

Y43 灯牌（19号）

Y44 灯牌（20号）

Y45 灯牌（21号）

Y46 左前侧（红灯1）

Y47 左后侧（红灯2）

Y50 右前侧（红灯3）

Y51 右前侧（红灯4）

Y52 车体平衡（绿灯）

Y53 超重

2、6 硬件结构图

根据以上资源分配，和系统所要完成的任务，结合各部件的实际情况，可画出系统的I/O接线图，如图5所示。

本系统采用了液位平衡传感器和称重传感器来采集车体的平衡状态和载重是否超限的状态信息，采用操纵杆给PLC发送操作指令，由用户PLC程序来实现各种液压阀的工作与否和安全提示输出，充分体现了PLC在控制点较多、工作环境较差和工作场地经常发生变化的场合中应用的优越性。

３、系统软件设计

软件是本系统的灵魂，在设计编写程序时从系统实用、可靠及方便这几方面考虑.由于PLC工作的主要特点是输入信号集中处理,执行过程集中处理和输出控制集中处理。PLC在执行过程时所用到的状态值不是直接从实际输入端口所获得，而是来源于输入映像寄存器和输出映像寄存器。

大量PLC系统的应用表明：应用软件程序开发的好坏直接影响到PLC控制系统的成败。因此在深入现场了解的基础上，采用GX DEVELOPER用于对三菱全系列PLC进行编程和维护的软件进行设计程序，并通过PC将程序传送到PLC中。本系统应用程序（见附页）。

４、程序分析

液压系统控制启动程序：总启动开关具有记忆功能，当闭合总启动开关时，X0闭合接通，PLC的Y0端有输出信号，液压泵工作。当压力达到时，压

力达到检测开关闭合，中间继电器M0也闭合。此时可进行支脚和臂的操作。

四个支脚的控制程序：当压力达到后，操作四个支脚的操纵杆向下压，使X2、X3、X4、X5（可互相或独立工作）闭合，X2、X3、X4、X5分别使Y1、Y2、Y3、Y4输出，分别控制四个支脚伸出电磁阀得电工作，四个支脚伸出。操作四个支脚操纵杆向上压时，X6、X7、X10、X11闭合，使Y5、Y6、Y7、Y10也闭合，分别控制四个支脚缩回的电磁阀得电工作，四个支脚缩回。

车体水平平衡检测给与称重检测控制程序：当车体向一角或一边倾斜时，车体的水平平衡传感器也随车体倾斜，此时水平平衡传感器对应的检知电极被接通。如向左前角倾斜，X30闭合，对应的Y46驱动左前侧红灯点亮。此时可将左前支脚的操纵杆向上压，使左前支脚伸长，或同时压下右前、左后和右后三个操纵杆，使右前、左后和右后三个支脚缩回一点，使车体得以水平平衡，X30断开，四个红灯都不亮，使Y52动作输出，绿灯点亮。当称重传感器发来超限信号时，X34的常开点动作，Y53驱动超重红灯点亮，同时Y53的常闭点也动作变成断开状态，使中间继电器M1不得电，臂会因此而不能进行任何功能的操作。当车体水平平衡，载重不超限时，车体平衡绿灯亮起超重红灯不亮，Y46的常开得电闭合与Y53的常闭同时来控制M1接通，可进行臂的所有功能操作。

回旋控制程序：操作回旋操纵杆，当向前推杆时，X12为ON，Y11有输出，驱动左回旋液压阀使臂左回旋；当向后拉杆时，X13为ON，Y12有输出，驱动右回旋液压阀使臂右回旋。在硬件上左回旋、右回旋互锁；在软件上回旋与臂的伸缩、上下互锁。

伸缩控制程序：操作伸缩操纵杆，当向前推杆时，X14为ON，Y13有输出，驱动臂伸出的液压阀使臂伸出；当向后拉杆时，X15为ON，Y14有输出，驱动臂回缩的液压阀使臂回缩。在硬件上臂的伸出与回缩互锁；在软件上臂的伸缩与臂的回旋、上下互锁。

下臂升降控制程序：操作下臂上下操纵杆，当向前推杆时，X16为ON，Y15有输出，驱动下臂升起的液压阀使下臂上升；当向后拉杆时，X17为ON，Y16有输出，驱动下臂下降的液压阀使下臂下降。在硬件上下臂的上升与下降互锁，在软件上下臂的上下控制与臂的回旋、伸缩、上臂的上下操作互为联锁。

上臂升降控制程序：操作上臂上下操纵杆，当向前推杆时，X20为ON，Y17有输出，驱动上臂上升的液压阀使上臂上升；当向后拉杆时，X21为ON，Y20有输出，驱动上臂下降的液压阀使下臂下降。在硬件上上臂的上升与下降互锁，在软件上上臂的上下控制与臂的回旋、伸缩、下臂的上下操作互为联锁。

灯牌的循环控制程序：当旋动开关接通X22时左循环开始，M20被置位输出，首先通过M10使Y24、Y33、Y43驱动4号、11号、19号、28号和33号灯点亮，1S后INC指令加1使M11为ON，通过Y23、Y31、Y41驱动3号、9号、17号、26号和32号灯点亮；1S后INC指令加1使M12为ON，通过Y22、Y27、Y37驱动2号、7号、15号、24号和31号灯点亮；1S后INC指令加1使M13为ON，通过Y21、Y25、Y35驱动1号、5号、13号、22号和30号灯点亮，同时M13接通M8013产生的1S脉冲对M20复位。由于X22是接通的，所以M20复位后马上又被置位，就再次通过M10使Y24、Y33、Y43驱动4号、11号、19号、28号和33号灯点亮。当旋动开关接通X25时也以同样的道理进行周而复始的

右循环。

灯牌的闪烁控制程序：当旋动开关接通X23时，X23为ON，M8013产1S 的脉冲周期接通M10、M11、M12、M13，使左向指示的灯以1S的周期闪烁；

旋动开关接通X26时，X26为ON，M8013产1S的脉冲周期接通M14、M15、M16、M17，使右向指示的灯以1S的周期闪烁。

灯牌的步进控制程序：当旋动开关接通X24时，S20被置位，Y24、Y33、Y43、Y44和Y45驱动向左指向的第一列灯点亮，1S后M8013产生的脉冲使S21的条件成立，S20这步的任务完成，同时S21被置位，Y23、Y31、Y41、Y42、Y43、Y44和Y45驱动向左指向的第二列灯点亮，1S后M8013产生的脉冲使S22的条件成立，S21这步的任务完成；同时S22被置位，Y22、Y27、Y37、Y40、Y41、Y42、Y43、Y44和Y45驱动向左指向的第三列灯点亮，1S后M8013产生的脉冲使S23的条件成立，S22这步的任务完成；同时S23被置位，Y21、Y25、Y35、Y36、Y37、Y40、Y41、Y42、Y43、Y44和Y45驱动向左指向的第四列灯点亮，1S后程序跳转指向S20，S23这步的任务完成。灯牌进行第二个周期的工作。当旋动开关接通X27时也以同样的道理进行周而复始的右循环指向。

５、系统程序调试

由于此项目是旧设备改造项目，可省去很多调试工作。因此本系统只作如下调试。

硬件调试：（1）用万用表的低电阻档检测各个操纵杆的功能是否良好；

（2）给压力泵通电用万用表的同一档位检查压力到达开关，压力到达时，压力开关应闭合；（3）用一个100欧的电阻串上DC24V电源去驱动各电磁阀和灯牌。

软件调试：程序编译完成后，导入GX Simulator6-C PLC仿真软件，逐个强行通断对应操纵杆的开关,看其对应的动作是否与控制要求一致，如果动作情况与控制要求一致表明程序正确。用多次重复操作的方法检查所编译程序的可读性。

整机调试：运行系统，用软导线分别短路水平平衡传感器的输出端和称重传感器的输出端，操作各操纵杆，支脚应能伸缩，臂应不能动作。模拟正常使用，操作各个功能。

三、结束语

高空作业车辆在我国现代化建设中的使用越来越广泛，发挥的作用也越来越大。整个系统本着尽单间可靠，最终目的是要改造成一种成本低、抗干扰能力强、运行稳定的PLC控制系统，本系统选用仓库回收的旧件完成了设计任务，经实际运行，达到了设计目标。可以说是以是让所用的设备变废为宝、起死回生，为公司创造了一定的效益。

附：

I/O接线图

梯形图

参考献文

《可编程序控制器原理应用与实例解析》清华大学出版社《FX2N编程序手册》

中国工控网（http：//https://www.360docs.net/doc/8e8234665.html,）