李園園

摘 要：液壓挖掘機(jī)是一種多功能、多用途機(jī)械設(shè)備，它對(duì)于減輕勞動(dòng)者工作量并保證工程質(zhì)量方面具有重要作用；PLC是可編輯邏輯控制器，是一種采用一類可編程的存儲(chǔ)器用于內(nèi)部存儲(chǔ)的程序，通過數(shù)字或模擬式輸入或輸出控制各類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)能夠顯著降低其使用能耗，其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念為基于PLC控制器對(duì)挖掘機(jī)內(nèi)各重要部件進(jìn)行控制，以提高精度和可靠性。

關(guān)鍵詞：PLC；液壓挖掘機(jī)；節(jié)能

中圖分類號(hào)： TH16；U270.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）31-147-2

0 引言

液壓挖掘機(jī)本身具有一定的復(fù)雜性，因此也造成了能耗也大的問題，所以當(dāng)代改進(jìn)液壓挖掘機(jī)的重點(diǎn)方向都是在于對(duì)其節(jié)能技術(shù)的研究。目前的一種可行性方法為運(yùn)用基于PLC控制器的電控節(jié)能系統(tǒng)在液壓挖掘機(jī)設(shè)備中，以解決挖掘機(jī)中液壓泵和發(fā)動(dòng)機(jī)功率不匹配問題為切入點(diǎn)，利用PLC系統(tǒng)極大的兼容性控制挖掘機(jī)的各重要組成部分，對(duì)輸入及輸出信號(hào)進(jìn)行及時(shí)處理，同時(shí)傳送監(jiān)控信息到上位機(jī)，以達(dá)到節(jié)能的效果。

1 基礎(chǔ)概述

1.1 液壓挖掘機(jī)

液壓挖掘機(jī)是一種多功能、多用途的機(jī)械設(shè)備，它被廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域。挖掘機(jī)能夠極大地減輕勞動(dòng)者的工作負(fù)擔(dān)，同時(shí)提高工程質(zhì)量，因此它是加速工程建設(shè)、提升勞動(dòng)效率和生產(chǎn)力的重要工具。目前液壓挖掘機(jī)的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，型號(hào)多樣、功能廣泛、質(zhì)量好、效率高，因此備受廣大施工企業(yè)的青睞。液壓挖掘機(jī)具有以下六大系統(tǒng)：傳動(dòng)系統(tǒng)，主要有液壓傳動(dòng)、液力傳動(dòng)以及氣壓傳動(dòng)三種方式，優(yōu)點(diǎn)包括靈活性高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、控制方便、使用周期長(zhǎng)等[1]；動(dòng)力系統(tǒng)，柴電機(jī)通過對(duì)油門開度的控制以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的目的；元件系統(tǒng)，對(duì)液壓泵的控制都是通過調(diào)節(jié)擺角實(shí)現(xiàn)的；閥控系統(tǒng)，用先導(dǎo)閥控制先導(dǎo)油液，再用先導(dǎo)油液控制換向閥的主閥芯；執(zhí)行系統(tǒng)；控制系統(tǒng)。

1.2 PLC

PLC全稱Programmable Logic Controller，是可編程邏輯控制器，也稱可編程控制器件，主要用于執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)以及算術(shù)操作等用戶指令，同時(shí)通過數(shù)字或模擬信號(hào)輸入或輸出的方式控制機(jī)械的運(yùn)行。PLC實(shí)際上是一種專門應(yīng)用在工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它的硬件設(shè)備在結(jié)構(gòu)和外觀上和普通的家用一體機(jī)類似，主要結(jié)構(gòu)包括電源、CPU、存儲(chǔ)器、接口電路、功能模塊和通信模塊[2]。PLC的工作原理可以分為三個(gè)階段，第一階段是輸入采樣，第二階段是用戶程序執(zhí)行，第三階段是輸出刷新階段。PLC的功能特點(diǎn)為使用方便、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、配套設(shè)施齊全；可靠性高、安裝工作量少一級(jí)維修方便等。

2 節(jié)能原理

液壓挖掘機(jī)的主要?jiǎng)恿碓词前l(fā)動(dòng)機(jī)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并通過液壓傳動(dòng)到施工設(shè)備上，因此決定液壓挖掘機(jī)節(jié)能效果的關(guān)鍵在于發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵功率的匹配程度，匹配程度越高，系統(tǒng)對(duì)能量的利用率也就越高，而匹配程度越低，系統(tǒng)對(duì)能量的利用率則越低，另外，較高的匹配度也有助于對(duì)PLC整體系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升。針對(duì)當(dāng)前的常規(guī)液壓泵和發(fā)動(dòng)機(jī)在匹配程度上存在的問題，此節(jié)能控制系統(tǒng)在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)以及泵的功率匹配過程中，應(yīng)將泵的功率曲線設(shè)定至發(fā)動(dòng)機(jī)的功率曲線之上，然后控制發(fā)動(dòng)機(jī)的油門，檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以這樣的方式控制電流，再調(diào)節(jié)泵的排量，實(shí)現(xiàn)的方式主要是調(diào)節(jié)減壓閥的電液比例，如此就能夠保證泵在輸出功率上能夠始終在一個(gè)特定的、微小的范圍內(nèi)不斷變化，絕不會(huì)超出這一區(qū)域，這樣一來，泵的工作狀態(tài)就會(huì)持續(xù)維持在比發(fā)動(dòng)機(jī)功率低的情況下，由此也可以保證泵在工作時(shí)完全吸收發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的要求。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

這一節(jié)能控制系統(tǒng)主要是基于PLC控制器實(shí)現(xiàn)的，它能夠?qū)σ簤和诰驒C(jī)的重要部件進(jìn)行有效的控制，比如發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵或者馬達(dá)和控制閥等等。不僅如此，它的控制還具有較高的精度，其可靠性也得到了較為充分的驗(yàn)證。液壓系統(tǒng)和負(fù)載與發(fā)動(dòng)機(jī)和變量泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最佳的綜合控制，能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)輸出更加合理的功率，既不會(huì)偏大，也不會(huì)偏小，這樣就能顯著降低液壓挖掘機(jī)的油耗，同時(shí)有效提升工作效率。整個(gè)控制系統(tǒng)均以電液比例泵代替常規(guī)的恒功率泵[3]；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油門的踩下程度采用執(zhí)行器進(jìn)行控制，代替了以往靠人為感受踩油門的方式；工業(yè)狀況被分為三種功率模式，通過PLC控制器完成參數(shù)的收集、計(jì)算、分析和控制信號(hào)輸出。

控制系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)如圖1，根據(jù)圖1可知，此控制系統(tǒng)不僅僅能夠控制信號(hào)數(shù)據(jù)的輸入和輸出，還能夠傳遞信號(hào)至上位機(jī)和顯示屏等設(shè)備，真正意義上實(shí)現(xiàn)了三點(diǎn)一體。

3.2 信號(hào)處理

此系統(tǒng)的信號(hào)處理主要功能有五點(diǎn)：第一，采樣所有輸入點(diǎn)的信號(hào)；第二，進(jìn)行?！獢?shù)或數(shù)—模的轉(zhuǎn)換；第三，運(yùn)用中央處理器分析所得所有數(shù)據(jù)；第四，利用輸出結(jié)構(gòu)產(chǎn)生控制的信號(hào)，然后將控制信號(hào)傳送至各控制設(shè)備；第五，和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

此系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊應(yīng)具備完整的子模塊體系，包括數(shù)據(jù)接收、采集、傳送模塊，以及計(jì)算機(jī)功率控制、模式選擇和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模塊。除此之外，還應(yīng)將編寫好的數(shù)據(jù)信息保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中。這些模塊的功能不僅僅是儲(chǔ)存數(shù)據(jù)信息，還能夠與外接編程器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，利用編程器的自身算法優(yōu)勢(shì)處理并優(yōu)化系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

4 控制系統(tǒng)試驗(yàn)

通過上述設(shè)計(jì)原理，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套完整的液壓挖掘機(jī)PLC控制器和配套系統(tǒng)，具體見圖2。

在圖2中，橫軸的坐標(biāo)為記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)的各點(diǎn)，單位是ms；左側(cè)縱軸坐標(biāo)為控制電流，單位是mA；右側(cè)縱軸坐標(biāo)為液壓泵的負(fù)載壓力，單位是Mpa。首先觀察圖2的下半部分曲線，通過觀察可以看出，泵1和泵2的變化是具有一定規(guī)律的；再觀察圖2的上半部分曲線，此段曲線為控制電流隨負(fù)載壓力變化的過程。通過觀察可以看出，控制電流是一定會(huì)隨著負(fù)載壓力的不斷變化而變化的。只要放大控制電流，它所控制的反例減壓閥二次壓力就一定會(huì)隨之產(chǎn)生一定的變化，液壓泵的流量就會(huì)隨著負(fù)載的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而達(dá)到了節(jié)能降耗的最終目的。

5 結(jié)語(yǔ)

本次實(shí)驗(yàn)通過研究PLC控制器應(yīng)用在液壓挖掘機(jī)上的節(jié)能控制系統(tǒng)，研究了實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)節(jié)能降耗的方式。此次控制系統(tǒng)所運(yùn)用的PLC技術(shù)是自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)以及通信技術(shù)的大集成，融合了以上三種技術(shù)的主要優(yōu)秀特征，同時(shí)具備操作方便、編程簡(jiǎn)單、安裝容易的優(yōu)勢(shì)，不僅起到了節(jié)能作用，還降低了維護(hù)設(shè)備的工作量，保證了設(shè)備的功能和通用性，是非常高效、科學(xué)的液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王建任，李鶯鶯，劉志東，等.便攜式挖掘機(jī)測(cè)試系統(tǒng)研究[J].工程機(jī)械，2015，46（7）：31-37.

[2] 李霞.基于PLC和液壓控制挖掘機(jī)教學(xué)模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界，2013（8）：164.

[3] 梁新平，牛曉玲.基于PLC的液壓挖掘機(jī)模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電一體化，2012，18（3）：81-83.