高空救援消防车电控系统的设计与开发

■ 孙力俊 常州消防救援支队

高空救援消防车在进行救援的过程中，需要将救援平台进行不断的举升与下降，因此对整个车辆的电控系统的稳定性具有非常高的要求。现阶段大部分高空救援车仍然运用继电接触控制方式，所应用的电控系统中的元件数量非常多，且种类繁杂，这种电控系统在实际作业中的维护难度较高，稳定性也相对较差，对于消防救援作业的及时性与救援效率都会产生一定的影响。因此，相关设计人员应结合高空救援消防车的功能需求，结合先进技术，为其设计一个高效的电控系统。

一、高空救援消防车的结构

高空救援消防车的整车分为上下两部分。其中上部分称之为上车，该结构中具有转台、伸缩臂、曲臂、工作平台、云梯、上车消防系统、电液软管输送系统构成。下部分称之为下车，其主要由副车架、走台板、器材箱总成、下车消防系统构成。其中对云梯以及工作平台的举高作业则需要由车内的电控系统进行实际控制。

（一）云梯

云梯的原材料为一个金属桁架结构。整个云梯底部的若干节需要固定在高空救援消防车伸缩臂的右侧，能够随着伸缩臂的运动而运动，而云梯底部的另外一节则需要固定在高空救援消防车曲臂的右侧。

（二）臂架

在高空救援消防车结构中，伸缩臂的臂架是由三节同步伸缩臂外加上一节曲臂构成。其中曲臂的长度约5m，能够全面增强整个高空救援消防车跨越障碍的性能以及车辆的工作幅度。曲臂需要铰接在消防车伸缩臂的头部。由曲臂油缸驱动设备来带动整个曲臂，使其能够改变作业高度与幅度。通常来说，高空救援消防车的曲臂能够在铅垂面180°的范围内进行作业。

（三）工作平台

工作平台也是高空救援消防车的高空救援平台。该平台被铰接在车辆曲臂的头部位置，整个救援平台是由刚度较高的铝合金框架结构制作而成。在车辆作业过程中，车辆内部的调平油缸会驱动相应的链条，来控制整个救援平台的自动调平功能。并且在平台的侧面安装了一个缓降器支架，平台的正前方安装了一个消防水炮，在平台的底部具有一个专门的救生通道，能够实现救援与灭火的双重功能。

（四）上车消防系统

高空救援消防车的上车消防系统主要包括上车系统中的消防管路以及救援平台前面的消防炮。其中消防管路由伸缩水管、金属软管、镀锌水管等设备构成。整个消防管路被固定在消防车曲臂的右侧，且消防管路的长度设置与伸缩臂相同，能够随着伸缩臂进行自由伸缩。

（五）转台

转台的结构形式为板式框架高绞点布置，安装于回转支撑上面。转台在作业中可实现360°连续回转。消防车上的回转机构安装在转台装备的右后方，回转缓冲阀安装在转台设备右后方的上部，两组两连阀安装在整个转台设备的里侧，消防管路或经过转台的中间部位，穿过转台设备的右方臂尾部。整个转台结构在设计过程中，需要将转台设备的重心尽量向后方以及下方移动，方能够保障转台运行的稳定性。

二、高空救援消防车电控系统设计方案

高空救援消防车在应用过程中，通常需要对一些具有一定高度的火灾现场进行施救。这类火灾现场的危险性较高，人员逃生困难，因此需要运用消防车上面的救援平台完成对被困人员的救援工作，且在救援过程中消防车还需要执行灭火任务。在实际运行过程中，对整个消防车的功能要求相对较高，控制系统在运行中所需要处理的信号类型以及信号数量多且繁杂，其中主要分为数字量与模拟量。与此同时，还需要对车辆作业中所产生的大量的、相对比较复杂的逻辑关系进行针对性处理。高空救援消防车中的电控系统所应用的主控制器为某品牌的可编程控制器。该控制器需要运用设备中的A/D、D/A 特殊功能模块，实现对车辆中不同控制点的模拟量信号进行采集与分析，随后生成相应的控制信号，并且高空救援消防车还应用了Fame View 系列触摸屏，对该车辆的电控系统HMI 界面进行针对性开发。（见图1）

图1 高空救援消防车电控系统的结构设计方案

该控制方案在设计过程中，配电管理系统能够实现对消防车内所有用电设备进行电量分配与针对性管理，保障消防车在作业中能够稳定、安全地对各个子系统进行供电。该电控系统运用FX2NPLC 作为车辆的主控制器。该控制器在运行中能够实现对消防车作业中所产生的所有现场数据进行及时运算，并且能够对车辆中各个子系统运行所产生的逻辑关系进行科学处理。消防车中的操作面板是消防员对整个车辆进行控制的终端，该面板中安装了不同系统的闭合控制构件以及电位器等，该操作面板所输出的信号主要为开关量信号以及模拟量信号。在实际运行中，可运用A/D 特殊功能模块采集传感器以及操作面板上的模拟量对控制指令进行及时输出，保障设备按照相应的控制指令运行。而开关量信号则由控制面板中的PLC 主单元进行信号的输入。高空救援消防车在执行救援工作中，所运用的驱动方式为液压驱动方式。因此，在消防车救援中，电控系统需要结合车辆运行需求，对车辆内部不同类型的液压阀进行针对性的控制，并由D/A 模块将控制信号及时发出，通过相应的驱动器实现设备的运转。消防车中的触摸屏是整个电控系统的监控终端。该触摸屏在运行中，将会通过车辆内部的HMI 界面以图像或者动画的方式，将消防车当前的作业状态全面呈现出来，相关操作人员能够通过该界面对车辆发出不同的控制指令。

三、仿真试验平台的搭建

为了测试高空救援消防车电控系统控制方案的科学性与可行性，本文运用慧鱼模型组件将消防车模型搭建出来，并建构了基于高空救援消防车功能原理的控制平台。

（一）功能需求分析

结合高空救援消防车在应用过程中的操作流程以及作业特点，相关技术人员需将影响该车辆运行水平以及操作效率的主要因素进行总结分析，并将这些因素作为创设高空救援消防车电控系统设计方案中必须实现的功能。这些因素主要包括以下几种：

1. 车身声光警示

当消防车到达救援位置并开始救援作业的过程中，消防车身上的警示灯需要马上开启，对周围一些无关人员起到警示作用，提醒无关人员远离救援现场，使消防车在救援操作中能够形成一个相对安全的作业范围，最大限度规避无关人员的靠近。

2. 转台转动

转台是连接高空救援消防车臂架与底盘之间的重要机械构件之一，该构件在运行中能够实现360°旋转，并与臂架自身的变幅功能进行融合，可将救援平台运送至所需要的救援位置。

3. 臂架变幅控制功能

臂架主要是由多个折叠臂组成，其下方固定在消防车的转台构件上，整个臂架能够随着转台的旋转而转动，并且能够实现360°旋转。与此同时，高空救援消防车中的每一节臂架上都配备的对应的控制器，相关操作人员能够结合救援作业的实际需求操作控制器，使臂架能够按照操作人员的操作进行速度变化以及方向变化。消防车臂架中的每一节臂架上都安装了角度传感器，该传感器在应用过程中，能够将两个相邻臂架之间的夹角进行准确测量，并且能够将测量结果反馈到消防车的操作界面，以供操作人员参考。

4.作业平台调平

作业平台即救援平台，该平台是承载救援人员、作业器材以及被施救人员的重要装置，在其运行过程中，需要消防车上的臂架通过移动与变幅将整个作业平台运送到救援位置，在运送中需要保证整个作业平台的平稳运行，因此整个作业平台具有自动调平与手动调平两个功能，相关操作人员在作业过程中可结合实际救援情况，对作业平台进行手动调平。如果作业平台的倾角大于车辆既定的安全值，那么消防车整个臂架将会立即停止运动，并及时发出报警。

（二）控制模型的制作

高空救援消防车电控系统模型在制作过程中所需要的机械结构为汽车底盘、转台、两节折叠臂和作业平台。所构建的仿真平台主要是一个技术含量相对较高的拼装模型。该模型主要运用质量较高的尼龙塑胶制造，模型的各个尺寸非常精确，且出现磨损的概率相对较小。运用该材质制作的模型能够实现相关研发人员与技术人员对该模型的反复拆卸，且在高频率的拆卸中并不会影响整个仿真模型的精确程度，还能够实现所有研发技术的还原。为该领域的实验教学、技术研发以及流水线生产都提供了强有力的论证依据。

（三）作业平台调平控制

作业平台是承载消防人员、被救援人员、救援物资工具的重要构件之一。由于平台承重力有限，因此在作业过程中如果平台上方出现受重不均匀的现象，那么会造成作业平台出现倾斜现象。为有效规避这一现象，保障平台安全作业，在对消防车电控系统进行研发过程中，须保障该平台在作业中能够持续保持水平。基于此，在电控系统设计中应运用PID 控制方式，使作业平台能够在运行中实现自动调平。在设计中，需要在作业平台上安装相应的角度传感器，传感器能够对作业平台在运行中所产生的角度倾角进行实时检测，如果检测到作业平台在运行中的水平倾角与设定值出现很大差异，那么相应的驱动模块将会对电机发出相应的控制指令，随后对作业平台进行自动调平。

（四）HMI 界面设计

在高空救援消防车运行过程中，要想将整个伸缩臂与转台的实际运行状态进行跟踪，并将所有运行信息呈现到相应的控制界面中。相关研发人员需运用Fame View 组态软件对整个控制界面进行组态，使操作人员能够在触摸屏上实现对消防车电控系统的控制。触摸屏在按安装过程中，须通过RS485 接口与PLC 互连。整个触摸屏中能够显示出消防车4 个运行数据，分别为车身状态、总控系统运行状态、臂架动作状态、臂架的举升高度视角与转动视角。

其中车身状态指示栏中，能够将消防车运行过程中所有动作构件的实际运行状态全面呈现出来，如果构件对应的指示灯呈现为绿色，则说明对应的运动构件正处于运动状态，例如界面中的平台调平指示灯中的正向指示灯亮时，则说明此时作业平台正在进行自动调平。

总控部分主要是通过HMI 对消防车发出相应的控制指令。相关人员对该部分的操作能够控制整个消防车的启停，并且该部分还具有一键收车、自动收车等功能，相关操作人员在开展每一项操作环节时，相应的指示灯都会变亮。

臂架动作在显示举升或者转动的过程中，系统中的HMI 界面会分别运用主视视角或俯视视角对臂架运动状态进行观察，并跟踪臂架的运动轨迹将其运动动作以动画的方式呈现在HMI 界面中，方便操作人员对臂架进行准确操作。

三、结语

高空救援消防车是一种功能相对比较齐全的特种车辆。该类车辆在应用中不仅能够有效完成火灾灭火的任务，同时还能够完成高处救援任务。高空救援消防车能够运用车辆自备的救援平台，利用臂架的变幅以及车辆自带的救援平台，将火灾受困人员自安全地运送至地面。因此，相关技术人员需做好对消防车总控系统的控制，保障消防车安全稳定开展救援任务。