探討工程機械控制器與其相關控制技術

楊文剛

（山西交通職業技術學院工程機械系，山西 太原030031）

近年來，隨著電子技術的不斷進步，工程機械的控制器由原本的電路控制器逐漸轉變為可編程控制器，使工程機械的智能控制能力和數據處理能力得到了極大的提高，工程機械也進入了全新的發展領域。智能化控制器和新型控制技術應用，例如以太網現場總線控制技術、嵌入式軟PLC控制技術、工程機械液壓系統動力匹配系統控制技術的應用，使工程機械操作的準確性得到了很大的提高，實現了對工程機械工作狀態的實時控制。本文分析了工程機械控制器的組成以及控制技術的工作原理，希望可以有效提高工程機械的工作效率，保證工程工作人員的人身安全，促進工程建設的發展。

1 工程機械控制器的現狀

工程機械控制器最開始只是通過簡單的智能系統實現對機械結構部件的運動控制，但是控制效果并不好，不能實現工程機械的實時控制，但是隨著工程機械控制器的發展，逐漸出現了微型控制系統、PLC可編程控制器，促進了工程機械的發展。我國對于工程機械控制器的研究比較晚，所以最開始大多應用國外的工程機械控制器。國外的工程機械控制器大多基于PLC的模式進行開發，但是缺少實時的操作系統，例如西門子、日立、三菱等等，其中微型控制器在工程機械中應用較為廣泛，通過在微型控制器當中安裝不同控制軟件，應用到不同的工程機械中。工程機械在工作時，控制器荷載變化比較劇烈，而且工程機械的使用環境非常惡劣，所以控制器的控制難度非常大。傳統的控制器不能對工程機械的工作狀態進行監控和分析，不能實現良好的控制效果。我國工程機械的控制器大多使用國外的產品，例如西門子、力士樂等等，由于沒有自主研發的控制軟件，所以需要進行外部采購[1]。智能化可編程控制器的應用使工程機械的可靠性得到了有效地提高，使工程機械的操作和運行更加簡單和流暢。新型的嵌入式可編程控制器在工程機械上的應用已經成為了主流，使工程機械的操作指令更加簡單，并且現行的工程機械控制器還具有過載保護的功能，使用起來更加方便。

工程機械控制器和控制技術在不斷發展的過程中形成了一定的標準，在控制器的編程環境、通信接口以及驅動協議等方面，各個廠家制造的控制器逐漸實現了共通，全部實現了信息化的故障智能檢測，并將GPS與GSM技術與工程機械控制技術緊密的結合在了一起，實現了工程機械的遠程控制、遠程定位、遠程數據傳輸與采集等等，有效地規避了工程機械在運行過程中的風險。對工程機械控制器的研究也逐漸向著平臺集中開發調度的方向發展。

2 工程機械控制器的組成及原理

（1）控制器的系統硬件組成

控制器系統硬件組成主要有控制模塊、電源模塊、數據傳輸存儲模塊、人機交互模塊和狀態監測模塊。其中電源模塊對工程機械的控制器進行供電，一般連接到工程機械的車載蓄電池上，電源模塊中有濾波電容，可以減少蓄電池供電的電壓波動，限制運行過程中瞬間電流的產生，使工程機械的運行穩定性更高；控制模塊是整個控制器的核心，該模塊與工程機械的動力系統相連接，實現工程機械的智能化實時控制，并且控制模塊可以通過串口連接外部設施進行智能升級，以此來適應大部分的工程機械智能控制；人機交互模塊可以顯示每個控制信息，讓工程機械的控制操作可以在顯示屏上體現出來[2]。

（2）PLC可編程工程機械控制器的工作原理

工程機械控制器的工作原理分為五個階段，分別是內部信息的處理、與控制器的通信處理、輸入掃描、程序執行、輸出處理等，當工程機械開始運行時，控制器的通信功能啟動，實現對工程機械的通信處理，掃描具體的工作程序，掃描完成后對工程機械發出具體的工作指令，程序輸出，輸出端連接工程機械的控制部分，實現工程機械的預編控制。這五個階段合在一起成為控制器的一個工作周期，在完成一個工作周期之后，又重新的執行此工作周期。由于工作周期的長短不同，所以對控制器的控制性能要求比較高，如果較長的工作掃描時間就會導致控制器的響應時間比較慢，不利于控制器的精準控制。控制器掃描周期的時間等于控制器內部處理時間與通信傳輸時間、輸入時間、程序響應時間、輸出時間的總和。每個控制器的內部處理時間是固定不變的，通信時間會受到網絡傳輸的影響，程序的響應時間取決于整個程序的長短，輸入輸出時間與控制器的存儲狀態相關[3]。工程機械的控制器在代碼輸入時，一定要保證所有的代碼全部符合操作要求，并且也要將定時中斷等代碼輸入到控制器當中，保證控制器運行的及時和有效。隨著工程機械控制器的發展，逐漸出現了幾種新型的控制技術，例如以太網現場總線控制技術、嵌入式軟PLC控制技術、工程機械液壓系統動力匹配控制技術等等。這些技術可以更好的實現工程機械的實時控制，提高了工程機械的工作效率。

3 工程機械的控制器的幾種新型控制技術

（1）以太網現場總線控制技術

以太網現場總線控制技術可以實現工程機械控制器之間的信息迅速交換，提高工程機械信息交換的可靠性，它通過超高速的通信功能，實現工程機械某些不可能達到的控制功能。現在很多的工程機械制造廠商都在研制適合現場總線控制技術的控制器，并將這類控制器直接應用到工程機械的器件層上。

（2）嵌入式軟PLC控制技術

PLC控制技術的通用性比較強，而且工程機械上的PLC控制系統安裝和后期維護都非常簡單，有很強的抗干擾能力，但是隨著科學技術的發展，工程機械的具體工作狀況越來越復雜，傳統的PLC已經不能實現對工程機械故障的實時診斷，無法對工程機械的運行狀態數據進行采集，所以更加智能化的嵌入式軟PLC控制技術應運而生[4]。該控制技術的硬件結構是開放式的，操作指令比傳統的PLC操作指令更加豐富，而且在控制程序的開發方面變得更加簡單，使工程機械控制技術的性價比得到了很大的提升。控制器內部主要處理器的實時計數器由原本的16位逐漸轉化為32位、64位，向著多核發展，使工程機械的控制性能得到了很大的提升。

（3）工程機械液壓系統動力匹配及控制技術

液壓系統動力匹配控制技術可以有效提高工程機械發動機利用效率，使工程機械的泵在暫時不使用的情況下，可以將功率分配給其它的泵。當工程機械的負載發生變化時，控制器自動監測出其變化情況，對功率進行分配，保證工程機械的最低能源消耗，并滿足工程機械工作的最大功率[5]。該控制技術在工程機械中的應用，可以對工程機械的功率進行優化處理，提高工程機械在各種工作環境中的適應能力，減少工程機械的作業強度，使工程機械的操作和使用更加流暢。通過液壓系統動力匹配讓工程機械的各個部件全部處于合理的運行狀態，保證了工程機械的使用壽命和運行可靠性，滿足不同環境的作業要求。

4 結束語

通過對工程機械控制器發展現狀和PLC可編程控制器工作原理的研究，分析現有的控制技術，并提出了幾種新型控制技術，促進控制器和控制技術的智能化發展。社會生產力的發展需要不斷的對工程機械的性能進行優化，加強控制器和控制技術在工程機械中的應用，可以使工程機械運行的更加靈活，以便達到更高的質量要求。

[1]李美升.工程機械智能控制器設計與研究[D].武漢：武漢科技大學，2010.

[2]胥貴萍.基于軟PLC技術的工程機械智能控制器[D].武漢:武漢科技大學，2011.

[3]劉慶春.工程機械控制器與控制技術[J].門窗，2014，（4）:172-174.

[4]任紅飛.基于工程機械控制器HC-G15的圓捆機電氣控制系統研究與設計[D].內蒙古：內蒙古農業大學，2012.

[5]劉英杰.負載口獨立電液比例方向閥控制系統關鍵技術研究[D].杭州：浙江大學，2011.