關(guān)于工程機(jī)械控制器與控制技術(shù)研究

姚森瀚

（東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110819）

近年來，電子技術(shù)飛快發(fā)展，以往的工程機(jī)械的控制器主要通過電路控制器來實(shí)現(xiàn)控制功能，而現(xiàn)在出現(xiàn)了可編程控制器代替了原有簡單的電路控制器，可編程邏輯控制器可以很好地使工程機(jī)械變得智能化、數(shù)據(jù)處理更加全面和準(zhǔn)確，工程機(jī)械也變得更加智能化、方便、實(shí)用。智能化控制器和新型控制技術(shù)在工程機(jī)械中得到普及，例如太網(wǎng)現(xiàn)場總線控制技術(shù)、工程機(jī)械液壓系統(tǒng)動力匹配系統(tǒng)控制技術(shù)、嵌入式軟可編程邏輯控制器控制技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了工程機(jī)械操作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可以實(shí)時(shí)地對工程機(jī)械進(jìn)行操作。本文對工程機(jī)械的發(fā)展和工程機(jī)械控制器進(jìn)行了總體描述，介紹了工程機(jī)械控制器的工作原理及其硬件組成，并闡述了市場常見的幾種工程機(jī)械控制器。

1 工程機(jī)械的整體發(fā)展

1.1 多效用和微型化

由于客戶對工程機(jī)械的各項(xiàng)技術(shù)和功能的要求不同，常用的工程機(jī)械重視多效用和微型化。工程械能夠發(fā)揮多方面的作用，在保證客戶的付出盡量小的情況下，將設(shè)備的實(shí)用性發(fā)揮到最大，使機(jī)械的工作效率達(dá)到最高。為了降低人工的勞動強(qiáng)度，提高工程機(jī)械的使用率，從而使企業(yè)生產(chǎn)勞動效率大大提升，隨著工程機(jī)械的發(fā)展，社會上的各種工程機(jī)械不斷向小型化發(fā)展。

1.2 系統(tǒng)化和超大型化

工程機(jī)械設(shè)計(jì)制造和控制不斷系統(tǒng)化，在外國的諸多企業(yè)中的工程機(jī)械都已逐漸形成完善的系統(tǒng)化產(chǎn)品，不斷形成了一系列能夠滿足客戶要求的產(chǎn)品生產(chǎn)模式。隨著客戶的要求不斷增多，超大型化的工程機(jī)械逐漸普遍，超大型工程機(jī)械主要應(yīng)用于大型工程項(xiàng)目中。超大型工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)和控制較為復(fù)雜，所以，對控制系統(tǒng)的技術(shù)要求更高，而且市場上對此類設(shè)備的需求量并不是很高，最重要的是此類設(shè)備的市場已被幾家企業(yè)占有。

1.3 安全問題和準(zhǔn)確程度

一般的工程機(jī)械都會有獨(dú)自的操作間，且操作間設(shè)施齊全、安全且不被外界環(huán)境干擾。操作間主要工作的完成都是通過人工完成的，主要完成工程機(jī)械的工作動作，一般采用觸摸屏、無線遙控器、顯示器和多效用操作手柄。工程機(jī)械的操作間仍然在不斷地更新和完善，讓操作人員有一個(gè)更加舒適、方便的操作環(huán)境，由此可以更好地提升機(jī)械操作的準(zhǔn)確性和效率性。

1.4 電子化和通信化

將液壓、微電子與通信技術(shù)進(jìn)行科學(xué)、有效的結(jié)合，從而在智能化體系中得到了很好的應(yīng)用，此智能化體系已逐漸被使用到工程機(jī)械的控制系統(tǒng)中。工程機(jī)械隨著電子技術(shù)和通信技術(shù)的不斷完善發(fā)展和創(chuàng)新也不斷地在更新?lián)Q代，變得更加的智能化和自動化。

2 工程機(jī)械控制器的發(fā)展

工程機(jī)械控制器發(fā)展之初主要是利用簡單的智能系統(tǒng)對操作室進(jìn)行布置，并實(shí)現(xiàn)機(jī)械的工作動作功能，但是這樣的控制系統(tǒng)還存在一定的缺陷，該操作系統(tǒng)并不能實(shí)時(shí)操控和監(jiān)視設(shè)備。隨著相關(guān)研究人員對工程機(jī)械控制器的不斷研究和分析，研究發(fā)明了新型的微型控制系統(tǒng)和可編程邏輯控制器，使得工程機(jī)械也變得越來越先進(jìn)。工程機(jī)械在我國的相關(guān)研究發(fā)明還比較落后，所以，國內(nèi)的工程機(jī)械制造廠家的控制器選擇大部分依靠國外的控制器來完成。國外的控制器發(fā)展比較先進(jìn)，大多采用PLC可編程邏輯控制器對工程機(jī)械進(jìn)行智能化控制。例如西門子、歐姆龍和三菱等企業(yè)對此類控制器都有較好的研究成果，其中，微型控制器在工程機(jī)械中應(yīng)用較為廣泛，可以在微型控制器中安裝能夠滿足相應(yīng)的控制要求的軟件來對機(jī)械進(jìn)行控制。工程機(jī)械在工作時(shí)，對控制器的工作要求較高，工程機(jī)械的工作環(huán)境比較復(fù)雜和惡劣，對控制器的工作穩(wěn)定性有較高的要求。傳統(tǒng)的控制器并不能完成和實(shí)現(xiàn)對工程機(jī)械的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和操作，傳統(tǒng)的控制器很難完成此類要求。所以，外國較為先進(jìn)的控制器幾乎占領(lǐng)了我國的控制器使用市場。由于沒有自主研發(fā)的控制軟件，所以，需要進(jìn)行外部采購。智能化可編程控制器在工程機(jī)械中的廣泛使用已經(jīng)在很大程度上提高了工程機(jī)械操作的智能化，且更加穩(wěn)定、安全，操作更加簡單方便。目前市場上出現(xiàn)了新型的嵌入式可編程控制器，在工程機(jī)械上使用率很高，使工程機(jī)械的操作指令更加簡單，且現(xiàn)在的工程機(jī)械控制器具有很好的自我保護(hù)系統(tǒng)，在出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)能夠得到很好的自我保護(hù)，該控制器在使用過程中更加簡單、方便。

在控制器的編程環(huán)境、通信接口以及驅(qū)動協(xié)議等方面，工程機(jī)械控制器和其相關(guān)控制技術(shù)的研究在不斷創(chuàng)新和完善的過程中形成了比較完善的標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)控制器生產(chǎn)研發(fā)廠家對控制器的研發(fā)生產(chǎn)都有著大體一致的標(biāo)準(zhǔn)，在控制器的故障檢測方面都有所突破，通過GPS與GSM技術(shù)在工程機(jī)械控制技術(shù)中的應(yīng)用，可對工程機(jī)械進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、GPS定位、遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸和獲取等，使操作者可以遠(yuǎn)離工程機(jī)械的工作危險(xiǎn)區(qū)域，提高操作人員的安全性。對工程機(jī)械控制器的研究也逐漸向著平臺集中開發(fā)調(diào)度的方向發(fā)展。

3 工程機(jī)械控制器

3.1 控制器的工作原理

工程機(jī)械控制器的工作原理分為5個(gè)階段，分別是控制器數(shù)據(jù)信息的分析與處理、與控制器的通信、輸入掃描信息、執(zhí)行內(nèi)部程序、程序輸出，當(dāng)工程機(jī)械開始工作時(shí)，開啟控制器的通信功能，實(shí)現(xiàn)對工程機(jī)械的通信處理，通過對工作程序的掃描，完成后對工程機(jī)械發(fā)出相應(yīng)的工作指令，程序輸出，輸出端連接工程機(jī)械的控制部分，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的預(yù)編控制。以上5個(gè)階段為控制器的1個(gè)工作周期，控制器的工作為重復(fù)地按照此工作流程來進(jìn)行執(zhí)行。對于不同的控制要求和不同因素的影響，控制器的工作周期不會每次都相同，所以，要求控制器需要有較高的穩(wěn)定性和安全性，如果工作掃描時(shí)間較長，則會導(dǎo)致控制器的響應(yīng)時(shí)間比較慢，使控制器的控制準(zhǔn)確度降低。

控制器掃描周期的時(shí)間等于控制器內(nèi)部處理時(shí)間與通信傳輸時(shí)間、輸入時(shí)間、程序響應(yīng)時(shí)間、輸出時(shí)間的總和。工程機(jī)械的控制器在進(jìn)行程序編寫時(shí)，需要程序編寫者能夠完整、準(zhǔn)確地對程序進(jìn)行編寫，需要把計(jì)時(shí)程序和中斷程序?qū)懭氲娇刂破鞯目偝绦虍?dāng)中，使控制器能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行。隨著工程機(jī)械控制器研究的創(chuàng)新和發(fā)展，控制技術(shù)也在不斷更新?lián)Q代。這些技術(shù)可以更好地實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的實(shí)時(shí)控制，從而更好地提高工程機(jī)械的工作效率。

3.2 控制器的系統(tǒng)硬件組成

控制器系統(tǒng)硬件組成主要有控制模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)傳輸存儲模塊、人機(jī)交互模塊和狀態(tài)監(jiān)測模塊。工程機(jī)械的控制器的電力來源是電源模塊，該模塊一般與工程機(jī)械的車載蓄電池相連接，電源模塊為了避免電池供電電壓不穩(wěn)情況的發(fā)生，該模塊裝有濾波電容，使得電源的供電更加穩(wěn)定、可靠，該模塊還可以有效防止電路電流瞬間過大的情況發(fā)生，使工程機(jī)械的工作更加穩(wěn)定、安全、可靠；控制模塊為控制器最重要的組成部分，控制模塊與工程機(jī)械的動力模塊進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的智能化實(shí)時(shí)監(jiān)測控制，同時(shí)，控制器可以通過控制模塊的串口與外部設(shè)備進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能升級，從而實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的智能化先進(jìn)控制；人機(jī)交互模塊可對控制模塊的工作數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集，并在顯示屏中對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

4 新型控制技術(shù)

4.1 嵌入式軟PLC控制技術(shù)

PLC控制技術(shù)有較強(qiáng)的實(shí)用性，且PLC控制系統(tǒng)使用方法非常簡單，易學(xué)易懂，且系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗外部環(huán)境干擾的優(yōu)點(diǎn)，隨著客戶的要求不斷增多，工程機(jī)械的工作也變得越來越復(fù)雜，如今對控制器提出了新的要求就是能夠?qū)こ虣C(jī)械進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷，這是傳統(tǒng)的可編程邏輯控制器所不能完成的，所以，更加智能化的嵌入式可編程邏輯控制器控制技術(shù)由此而生。該控制技術(shù)的硬件結(jié)構(gòu)是開放式的，操作指令比傳統(tǒng)的PLC操作指令更加豐富，且在控制程序的開發(fā)方面變得更加簡單，使工程機(jī)械控制技術(shù)的性價(jià)比得到了很大的提升。

4.2 以太網(wǎng)現(xiàn)場總線控制技術(shù)

在某些特殊的工作現(xiàn)場需要工程機(jī)械控制器之間進(jìn)行一些數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換，該技術(shù)可以通過超高速的通信功能來提高工程機(jī)械信息交換的可靠性，可以實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械某些無法完成的控制功能。現(xiàn)在大多數(shù)工程機(jī)械的制造企業(yè)都在研究適合在現(xiàn)場進(jìn)行總線控制的控制器，并把此類控制器直接在工程機(jī)械的器件層上使用。

4.3 系統(tǒng)動力匹配及控制技術(shù)

液壓系統(tǒng)動力匹配控制技術(shù)對工程機(jī)械的發(fā)動機(jī)起著非常重要的作用，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)可以通過該技術(shù)來提高其工作效率。通過控制器對工程機(jī)械的動力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)由于特殊情況動力系統(tǒng)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，控制器對其變化數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并進(jìn)行分析處理，然后對動力系統(tǒng)動力進(jìn)行科學(xué)、合理的分配，防止機(jī)械動能不必要的浪費(fèi)。此控制技術(shù)可以對工程機(jī)械的功率使用和分配進(jìn)行優(yōu)化處理，使工程機(jī)械能夠在各種不同的工作環(huán)境中穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。通過減輕工程機(jī)械的工作強(qiáng)度，使工程機(jī)械的工作和使用更加順暢。通過合理匹配液壓系統(tǒng)動力，使工程機(jī)械的各個(gè)部件能夠在其工作額定工作強(qiáng)度之內(nèi)，使工程機(jī)械能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的使用壽命和運(yùn)行可靠性，滿足不同環(huán)境的作業(yè)要求。

5 結(jié)束語

通過對工程機(jī)械控制器的發(fā)展和可編程控制器工作原理的研究和分析，簡要介紹了原有的工程機(jī)械控制器的控制技術(shù)，并對一些新型控制技術(shù)進(jìn)行功能優(yōu)勢描述。工程機(jī)械的更新?lián)Q代需要控制器能夠滿足其新的要求和性能，由此使工程機(jī)械更加的智能化，更加安全、可靠。