高空救援消防車電控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

■ 孫力俊 常州消防救援支隊

高空救援消防車在進行救援的過程中，需要將救援平臺進行不斷的舉升與下降，因此對整個車輛的電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有非常高的要求?，F(xiàn)階段大部分高空救援車仍然運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)在實際作業(yè)中的維護難度較高，穩(wěn)定性也相對較差，對于消防救援作業(yè)的及時性與救援效率都會產(chǎn)生一定的影響。因此，相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合高空救援消防車的功能需求，結(jié)合先進技術(shù)，為其設(shè)計一個高效的電控系統(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、伸縮臂、曲臂、工作平臺、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、走臺板、器材箱總成、下車消防系統(tǒng)構(gòu)成。其中對云梯以及工作平臺的舉高作業(yè)則需要由車內(nèi)的電控系統(tǒng)進行實際控制。

（一）云梯

云梯的原材料為一個金屬桁架結(jié)構(gòu)。整個云梯底部的若干節(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動而運動，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。其中曲臂的長度約5m，能夠全面增強整個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)動設(shè)備來帶動整個曲臂，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)進行作業(yè)。

（三）工作平臺

工作平臺也是高空救援消防車的高空救援平臺。該平臺被鉸接在車輛曲臂的頭部位置，整個救援平臺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)平油缸會驅(qū)動相應(yīng)的鏈條，來控制整個救援平臺的自動調(diào)平功能。并且在平臺的側(cè)面安裝了一個緩降器支架，平臺的正前方安裝了一個消防水炮，在平臺的底部具有一個專門的救生通道，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。整個消防管路被固定在消防車曲臂的右側(cè)，且消防管路的長度設(shè)置與伸縮臂相同，能夠隨著伸縮臂進行自由伸縮。

（五）轉(zhuǎn)臺

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

二、高空救援消防車電控系統(tǒng)設(shè)計方案

高空救援消防車在應(yīng)用過程中，通常需要對一些具有一定高度的火災(zāi)現(xiàn)場進行施救。這類火災(zāi)現(xiàn)場的危險性較高，人員逃生困難，因此需要運用消防車上面的救援平臺完成對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)。在實際運行過程中，對整個消防車的功能要求相對較高，控制系統(tǒng)在運行中所需要處理的信號類型以及信號數(shù)量多且繁雜，其中主要分為數(shù)字量與模擬量。與此同時，還需要對車輛作業(yè)中所產(chǎn)生的大量的、相對比較復(fù)雜的邏輯關(guān)系進行針對性處理。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。該控制器需要運用設(shè)備中的A/D、D/A 特殊功能模塊，實現(xiàn)對車輛中不同控制點的模擬量信號進行采集與分析，隨后生成相應(yīng)的控制信號，并且高空救援消防車還應(yīng)用了Fame View 系列觸摸屏，對該車輛的電控系統(tǒng)HMI 界面進行針對性開發(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)計方案

該控制方案在設(shè)計過程中，配電管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對消防車內(nèi)所有用電設(shè)備進行電量分配與針對性管理，保障消防車在作業(yè)中能夠穩(wěn)定、安全地對各個子系統(tǒng)進行供電。該電控系統(tǒng)運用FX2NPLC 作為車輛的主控制器。該控制器在運行中能夠?qū)崿F(xiàn)對消防車作業(yè)中所產(chǎn)生的所有現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行及時運算，并且能夠?qū)囕v中各個子系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的邏輯關(guān)系進行科學(xué)處理。消防車中的操作面板是消防員對整個車輛進行控制的終端，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主要為開關(guān)量信號以及模擬量信號。在實際運行中，可運用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控制指令進行及時輸出，保障設(shè)備按照相應(yīng)的控制指令運行。而開關(guān)量信號則由控制面板中的PLC 主單元進行信號的輸入。高空救援消防車在執(zhí)行救援工作中，所運用的驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動方式。因此，在消防車救援中，電控系統(tǒng)需要結(jié)合車輛運行需求，對車輛內(nèi)部不同類型的液壓閥進行針對性的控制，并由D/A 模塊將控制信號及時發(fā)出，通過相應(yīng)的驅(qū)動器實現(xiàn)設(shè)備的運轉(zhuǎn)。消防車中的觸摸屏是整個電控系統(tǒng)的監(jiān)控終端。該觸摸屏在運行中，將會通過車輛內(nèi)部的HMI 界面以圖像或者動畫的方式，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車輛發(fā)出不同的控制指令。

三、仿真試驗平臺的搭建

為了測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。

（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，相關(guān)技術(shù)人員需將影響該車輛運行水平以及操作效率的主要因素進行總結(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)計方案中必須實現(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，對周圍一些無關(guān)人員起到警示作用，提醒無關(guān)人員遠離救援現(xiàn)場，使消防車在救援操作中能夠形成一個相對安全的作業(yè)范圍，最大限度規(guī)避無關(guān)人員的靠近。

2. 轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動

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

3. 臂架變幅控制功能

臂架主要是由多個折疊臂組成，其下方固定在消防車的轉(zhuǎn)臺構(gòu)件上，整個臂架能夠隨著轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，并且能夠?qū)崿F(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。與此同時，高空救援消防車中的每一節(jié)臂架上都配備的對應(yīng)的控制器，相關(guān)操作人員能夠結(jié)合救援作業(yè)的實際需求操作控制器，使臂架能夠按照操作人員的操作進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€相鄰臂架之間的夾角進行準(zhǔn)確測量，并且能夠?qū)y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)平臺調(diào)平

作業(yè)平臺即救援平臺，該平臺是承載救援人員、作業(yè)器材以及被施救人員的重要裝置，在其運行過程中，需要消防車上的臂架通過移動與變幅將整個作業(yè)平臺運送到救援位置，在運送中需要保證整個作業(yè)平臺的平穩(wěn)運行，因此整個作業(yè)平臺具有自動調(diào)平與手動調(diào)平兩個功能，相關(guān)操作人員在作業(yè)過程中可結(jié)合實際救援情況，對作業(yè)平臺進行手動調(diào)平。如果作業(yè)平臺的傾角大于車輛既定的安全值，那么消防車整個臂架將會立即停止運動，并及時發(fā)出報警。

（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械結(jié)構(gòu)為汽車底盤、轉(zhuǎn)臺、兩節(jié)折疊臂和作業(yè)平臺。所構(gòu)建的仿真平臺主要是一個技術(shù)含量相對較高的拼裝模型。該模型主要運用質(zhì)量較高的尼龍塑膠制造，模型的各個尺寸非常精確，且出現(xiàn)磨損的概率相對較小。運用該材質(zhì)制作的模型能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)研發(fā)人員與技術(shù)人員對該模型的反復(fù)拆卸，且在高頻率的拆卸中并不會影響整個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)域的實驗教學(xué)、技術(shù)研發(fā)以及流水線生產(chǎn)都提供了強有力的論證依據(jù)。

（三）作業(yè)平臺調(diào)平控制

作業(yè)平臺是承載消防人員、被救援人員、救援物資工具的重要構(gòu)件之一。由于平臺承重力有限，因此在作業(yè)過程中如果平臺上方出現(xiàn)受重不均勻的現(xiàn)象，那么會造成作業(yè)平臺出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象。為有效規(guī)避這一現(xiàn)象，保障平臺安全作業(yè)，在對消防車電控系統(tǒng)進行研發(fā)過程中，須保障該平臺在作業(yè)中能夠持續(xù)保持水平?；诖耍陔娍叵到y(tǒng)設(shè)計中應(yīng)運用PID 控制方式，使作業(yè)平臺能夠在運行中實現(xiàn)自動調(diào)平。在設(shè)計中，需要在作業(yè)平臺上安裝相應(yīng)的角度傳感器，傳感器能夠?qū)ψ鳂I(yè)平臺在運行中所產(chǎn)生的角度傾角進行實時檢測，如果檢測到作業(yè)平臺在運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)動模塊將會對電機發(fā)出相應(yīng)的控制指令，隨后對作業(yè)平臺進行自動調(diào)平。

（四）HMI 界面設(shè)計

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

其中車身狀態(tài)指示欄中，能夠?qū)⑾儡囘\行過程中所有動作構(gòu)件的實際運行狀態(tài)全面呈現(xiàn)出來，如果構(gòu)件對應(yīng)的指示燈呈現(xiàn)為綠色，則說明對應(yīng)的運動構(gòu)件正處于運動狀態(tài)，例如界面中的平臺調(diào)平指示燈中的正向指示燈亮?xí)r，則說明此時作業(yè)平臺正在進行自動調(diào)平。

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

臂架動作在顯示舉升或者轉(zhuǎn)動的過程中，系統(tǒng)中的HMI 界面會分別運用主視視角或俯視視角對臂架運動狀態(tài)進行觀察，并跟蹤臂架的運動軌跡將其運動動作以動畫的方式呈現(xiàn)在HMI 界面中，方便操作人員對臂架進行準(zhǔn)確操作。

三、結(jié)語

高空救援消防車是一種功能相對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)，同時還能夠完成高處救援任務(wù)。高空救援消防車能夠運用車輛自備的救援平臺，利用臂架的變幅以及車輛自帶的救援平臺，將火災(zāi)受困人員自安全地運送至地面。因此，相關(guān)技術(shù)人員需做好對消防車總控系統(tǒng)的控制，保障消防車安全穩(wěn)定開展救援任務(wù)。