趙杰

摘 要：本文設計了一種挖掘機自動控制系統(tǒng)，以PLC為主控制器件，輔以相應的外部傳感器、相應的執(zhí)行器件和觸摸式人機界面。通過考察得出：該控制系統(tǒng)可以提高設備動作精度和工作效率，降低操作人員的工作強度。

關鍵詞：挖掘機；自動化控制；PLC

中圖分類號：TU621 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）13-0066-02

Design and Study of An automatic Control System for Excavator

ZHAO Jie

（Xiamen Machinery （Jiaozuo） Co.， Ltd，Jiaozuo Henan 454000）

Abstract： In this paper， an automatic control system of excavator was designed， with PLC as the main control device， with the corresponding external sensors， the corresponding actuating devices and the touch man-machine interface. Through investigation， it was concluded that the control system could improve the accuracy and efficiency of the equipment and reduce the working intensity of the operator.

Keywords： excavator；automation control；PLC

1 研究背景

隨著國內(nèi)經(jīng)濟建設的發(fā)展和大規(guī)模工程項目的開建，挖掘機作為應用最廣泛的工程機械顯得越來越重要。傳統(tǒng)挖掘機控制大都是采用液控類型，這種控制方式雖然控制邏輯簡單、直觀，但在挖掘機控制中，每種動作都是一個連貫的復合操，這對操作人員的技術(shù)素養(yǎng)有較高的要求。同時，長期重復操作一系列控制動作，不但工作強度大，而且容易讓人感到枯燥，易產(chǎn)生疲勞。再者，這種控制方式中先導回路管路繁多，在使用中容易出現(xiàn)磨損造成泄露，影響車輛的正常使用。

本文介紹的挖掘機自動化控制系統(tǒng)采用PLC作為主控制器，輔以外部傳感器、執(zhí)行機構(gòu)，可以為挖掘機提供多種模式和工況，供操作人員選擇，輔助操作人員控制各種動作，保證整體動作的協(xié)調(diào)、順暢，提高工作效率，降低操作難度，可以輕松實現(xiàn)高精度的工作動作，降低設備對人員的素質(zhì)要求。該系統(tǒng)也具有自動節(jié)能控制功能，可以依據(jù)外部傳感器采集的數(shù)據(jù)和工作模式對發(fā)動機進行功率分檔，具有發(fā)動機輸出功率的自動調(diào)節(jié)功能，使動力系統(tǒng)運行在高效節(jié)能狀態(tài)下，降低設備工作時的能耗。由于是使用電信號控制電液比例閥，再控制主閥動作，控制線束代替繁多的先導管路，不但易于鋪設，也避免了管路磨損泄露造成的故障。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

整個控制系統(tǒng)由硬件、軟件兩大系統(tǒng)組成。利用PLC自動化控制技術(shù)和精準外部信號采集裝備，對挖掘機工作狀態(tài)、運行參數(shù)進行實時監(jiān)控，并通過系統(tǒng)中的人機界面進行顯示，方便操作人員隨時掌握設備運行參數(shù)，并能根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)通過軟件程序邏輯運算與比較，適時進行輔助控制或者根據(jù)設置進行自動控制，自動對挖掘機的工作狀態(tài)、動作效果進行調(diào)整[1]。

2.1 硬件組成

①系統(tǒng)采用電控手柄和電子行走踏板取代常規(guī)使用的手柄先導閥和行走先導閥。②使用電液比例閥直接控制各個先導回路油壓、流量，用線束替換原有的先導管路。③在工作裝置的所有關節(jié)位置安裝角度位置傳感器，同時在液壓回路安裝壓力變送器進行實時測壓，并將動作信號、壓力傳輸至PLC控制器[2]。④以PLC為控制器，執(zhí)行預先編寫的相應控制程序，根據(jù)輸入人工控制信號和外圍傳感器采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過程序進行邏輯運算，控制電液比例閥操作挖掘機；同時，PLC控制器也與動力機ECU相互通信，可以依據(jù)挖掘機的工作狀態(tài)自動調(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)速和功率輸出，使動力機運行狀態(tài)達到最佳。⑤采用觸摸式人機界面與PLC進行通信連接，不但可以實時顯示設備運行參數(shù)，操作人員也可通過人機接口對PLC進行參數(shù)設置、模式調(diào)整，當車輛出現(xiàn)故障時，操作人員還可以根據(jù)界面顯示進行故障判斷。系統(tǒng)硬件配置見圖1。

2.2 軟件構(gòu)成

①在軟件程序設計中，預先編寫多種工作模式的控制程序，具備重負荷作業(yè)、標準作業(yè)和輕載作業(yè)等模式選擇。可以通過手動或自動的方式選擇作業(yè)模式，保證動力機運行在相應模式的最佳工況下，使能耗達到最佳。

②編寫挖掘、裝載、挖溝、掃平和破碎等作業(yè)方式的各種工況復合動作的邏輯控制程序。可通過選擇執(zhí)行已經(jīng)固化好的控制程序來控制或設定動作節(jié)奏，并能在工作中隨時對人工操作進行輔助控制，或者完全替代人工進行車輛控制，提高挖掘機的有效動作，提高工作效率。

③編寫模擬控制程序，使控制器具有學習、模擬功能。由于挖掘機的工作場合復雜，會出現(xiàn)一些不在系統(tǒng)預設的特定的作業(yè)方式，系統(tǒng)選取學習模式。當工作人員操作時，控制器可通過傳感器對動作進行學習，并保存，可根據(jù)保存的參數(shù)進行動作模擬。

3 系統(tǒng)的控制功能

本系統(tǒng)具有輔助控制、自動控制、模擬控制和發(fā)動機自動節(jié)能控制等功能。

3.1 輔助控制功能

輔助控制功能是對人工操作進行自動修正，提高動作精度、質(zhì)量，減輕操作人員的工作強度，降低設備對操作人員的技術(shù)要求[3]。

在進行挖掘工作時，正確的方法可以減少挖掘機的磨損，也可以提高工作效率。例如：在工作時，鏟斗斗齒和地面成30°時，切土阻力最小，即挖掘力最佳；用斗桿挖掘時，應保證斗桿角度范圍為從前面45°到后面30°之間，同時使用動臂和鏟斗，以提高挖掘效率。這些是熟練的操作工才能達到的動作要求。但在這套系統(tǒng)中，只需要選擇模式、工況后，操作工操作控制大臂下落、斗桿伸出時，PLC控制器會根據(jù)系統(tǒng)外圍傳感器采集的數(shù)據(jù)，計算出鏟斗斗齒的空間位置，并進行自動調(diào)整，使斗齒以最佳角度切入地面，并在工作中隨時保證最佳姿勢進行工作。

3.2 自動控制功能

系統(tǒng)控制器中預設有挖掘、裝載、挖溝和掃平等工況的復合動作，可實現(xiàn)自動控制程序。例如，挖溝，僅需通過車輛的人機控制界面對控制器進行溝的深度、寬度、長度及拋土方向等參數(shù)預設后，操作人機只負責監(jiān)控，由控制器收集外圍各傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后控制各電液比例閥，實現(xiàn)大臂、斗桿、鏟斗動作和回轉(zhuǎn)、行走的自動操作。

3.3 模擬控制功能

模擬控制功能是在做一些重復性、非常規(guī)的特殊動作時，可以請熟練的操作人員進行操縱，系統(tǒng)外圍傳感器進行數(shù)據(jù)采集，PLC控制器學習、記錄挖掘機人工操作流程、動作速度，以及各工作關節(jié)的位置、動作角度等。當選擇模擬控制時，控制器重復執(zhí)行記錄下的動作。該模式避免了操作人員長期重復動作的枯燥，降低了工作強度，減輕了疲勞感。

3.4 發(fā)動機自動節(jié)能控制

挖掘機現(xiàn)場作業(yè)情況復雜，有多種工況，如挖掘作業(yè)、掃平作業(yè)和破碎作業(yè)等，各種工況對發(fā)動機輸出的功率具有不同的要求。此外，在一個裝載工作過程中，由于負載的變化，也會對發(fā)動機的輸出功率有不同要求。而常規(guī)挖掘機通常采用固定模式的油門，在某些工作狀態(tài)下造成發(fā)動機輸出空損。此系統(tǒng)可以通過控制器對工作模式進行判斷、分析后，控制動力系統(tǒng)輸出功率隨著工況而變化，避免發(fā)動機輸出功率空損。同時，系統(tǒng)也具有智能怠速功能，根據(jù)設置的工作模式和工作裝置所處的位置進行判斷，依據(jù)設置參數(shù)自動進入怠速狀態(tài)，可以在接到命令時瞬時恢復。

4 結(jié)語

此系統(tǒng)采用PLC可編程控制器作為主控器，集計算機、控制、通信于一體，內(nèi)部程序易于編寫，可以執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算，并能通過輸入和輸出的數(shù)字量或模擬量，對挖掘機設備實現(xiàn)近乎完美的自動化控制。其不但具有傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的功能，也具有邏輯自動控制功能，可以通過人機界面輕松修改運行參數(shù)、控制邏輯關系，實現(xiàn)特殊動作控制。因此，其必將擁有廣泛應用空間。

參考文獻：

[1]游楊，徐莉萍，任德志.液壓挖掘機電液比例控制系統(tǒng)的設計[J].機床與液壓，2012（22）：82-83

[2]張弓，于蘭英，吳文海，等，電液比例閥的研究綜述[J].流體傳動與控制，2008（6）：1-5.

[3]王斌.工程機械的自動控制系統(tǒng)分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2013（20）：59-60.