一種挖掘機(jī)自動控制系統(tǒng)設(shè)計研究

趙杰

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

關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)；自動化控制；PLC

中圖分類號：TU621 文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)建設(shè)的發(fā)展和大規(guī)模工程項目的開建，挖掘機(jī)作為應(yīng)用最廣泛的工程機(jī)械顯得越來越重要。傳統(tǒng)挖掘機(jī)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(jī)控制中，每種動作都是一個連貫的復(fù)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(fù)操作一系列控制動作，不但工作強(qiáng)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(dǎo)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(jī)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(jī)構(gòu)，可以為挖掘機(jī)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(shè)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(jī)進(jìn)行功率分檔，具有發(fā)動機(jī)輸出功率的自動調(diào)節(jié)功能，使動力系統(tǒng)運(yùn)行在高效節(jié)能狀態(tài)下，降低設(shè)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(dǎo)管路，不但易于鋪設(shè)，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(zhǔn)外部信號采集裝備，對挖掘機(jī)工作狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，并通過系統(tǒng)中的人機(jī)界面進(jìn)行顯示，方便操作人員隨時掌握設(shè)備運(yùn)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(yùn)算與比較，適時進(jìn)行輔助控制或者根據(jù)設(shè)置進(jìn)行自動控制，自動對挖掘機(jī)的工作狀態(tài)、動作效果進(jìn)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(dǎo)閥和行走先導(dǎo)閥。②使用電液比例閥直接控制各個先導(dǎo)回路油壓、流量，用線束替換原有的先導(dǎo)管路。③在工作裝置的所有關(guān)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(jìn)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(yù)先編寫的相應(yīng)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(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制電液比例閥操作挖掘機(jī)；同時，PLC控制器也與動力機(jī)ECU相互通信，可以依據(jù)挖掘機(jī)的工作狀態(tài)自動調(diào)整發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和功率輸出，使動力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最佳。⑤采用觸摸式人機(jī)界面與PLC進(jìn)行通信連接，不但可以實時顯示設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，操作人員也可通過人機(jī)接口對PLC進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、模式調(diào)整，當(dāng)車輛出現(xiàn)故障時，操作人員還可以根據(jù)界面顯示進(jìn)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(shè)計中，預(yù)先編寫多種工作模式的控制程序，具備重負(fù)荷作業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)和輕載作業(yè)等模式選擇?？梢酝ㄟ^手動或自動的方式選擇作業(yè)模式，保證動力機(jī)運(yùn)行在相應(yīng)模式的最佳工況下，使能耗達(dá)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(fù)合動作的邏輯控制程序?？赏ㄟ^選擇執(zhí)行已經(jīng)固化好的控制程序來控制或設(shè)定動作節(jié)奏，并能在工作中隨時對人工操作進(jìn)行輔助控制，或者完全替代人工進(jìn)行車輛控制，提高挖掘機(jī)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(xué)習(xí)、模擬功能。由于挖掘機(jī)的工作場合復(fù)雜，會出現(xiàn)一些不在系統(tǒng)預(yù)設(shè)的特定的作業(yè)方式，系統(tǒng)選取學(xué)習(xí)模式。當(dāng)工作人員操作時，控制器可通過傳感器對動作進(jìn)行學(xué)習(xí)，并保存，可根據(jù)保存的參數(shù)進(jìn)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(jī)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(jìn)行自動修正，提高動作精度、質(zhì)量，減輕操作人員的工作強(qiáng)度，降低設(shè)備對操作人員的技術(shù)要求[3]。

在進(jìn)行挖掘工作時，正確的方法可以減少挖掘機(jī)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(yīng)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(dá)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(jìn)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(jìn)行工作。

3.2 自動控制功能

系統(tǒng)控制器中預(yù)設(shè)有挖掘、裝載、挖溝和掃平等工況的復(fù)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(jī)控制界面對控制器進(jìn)行溝的深度、寬度、長度及拋土方向等參數(shù)預(yù)設(shè)后，操作人機(jī)只負(fù)責(zé)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(fù)性、非常規(guī)的特殊動作時，可以請熟練的操作人員進(jìn)行操縱，系統(tǒng)外圍傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，PLC控制器學(xué)習(xí)、記錄挖掘機(jī)人工操作流程、動作速度，以及各工作關(guān)節(jié)的位置、動作角度等。當(dāng)選擇模擬控制時，控制器重復(fù)執(zhí)行記錄下的動作。該模式避免了操作人員長期重復(fù)動作的枯燥，降低了工作強(qiáng)度，減輕了疲勞感。

3.4 發(fā)動機(jī)自動節(jié)能控制

挖掘機(jī)現(xiàn)場作業(yè)情況復(fù)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(jī)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(fù)載的變化，也會對發(fā)動機(jī)的輸出功率有不同要求。而常規(guī)挖掘機(jī)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(jī)輸出空損。此系統(tǒng)可以通過控制器對工作模式進(jìn)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(jī)輸出功率空損。同時，系統(tǒng)也具有智能怠速功能，根據(jù)設(shè)置的工作模式和工作裝置所處的位置進(jìn)行判斷，依據(jù)設(shè)置參數(shù)自動進(jìn)入怠速狀態(tài)，可以在接到命令時瞬時恢復(fù)。

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(jī)、控制、通信于一體，內(nèi)部程序易于編寫，可以執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算，并能通過輸入和輸出的數(shù)字量或模擬量，對挖掘機(jī)設(shè)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(jī)界面輕松修改運(yùn)行參數(shù)、控制邏輯關(guān)系，實現(xiàn)特殊動作控制。因此，其必將擁有廣泛應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)：

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