PLC在液壓挖掘機節能中的運用探討

李園園

摘 要：液壓挖掘機是一種多功能、多用途機械設備，它對于減輕勞動者工作量并保證工程質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器用于內部存儲的程序，通過數字或模擬式輸入或輸出控制各類型的機械或生產過程。PLC應用于液壓挖掘機能夠顯著降低其使用能耗，其控制系統設計理念為基于PLC控制器對挖掘機內各重要部件進行控制，以提高精度和可靠性。

關鍵詞：PLC；液壓挖掘機；節能

中圖分類號： TH16；U270.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）31-147-2

0 引言

液壓挖掘機本身具有一定的復雜性，因此也造成了能耗也大的問題，所以當代改進液壓挖掘機的重點方向都是在于對其節能技術的研究。目前的一種可行性方法為運用基于PLC控制器的電控節能系統在液壓挖掘機設備中，以解決挖掘機中液壓泵和發動機功率不匹配問題為切入點，利用PLC系統極大的兼容性控制挖掘機的各重要組成部分，對輸入及輸出信號進行及時處理，同時傳送監控信息到上位機，以達到節能的效果。

1 基礎概述

1.1 液壓挖掘機

液壓挖掘機是一種多功能、多用途的機械設備，它被廣泛應用于各工程領域。挖掘機能夠極大地減輕勞動者的工作負擔，同時提高工程質量，因此它是加速工程建設、提升勞動效率和生產力的重要工具。目前液壓挖掘機的技術已經非常成熟，型號多樣、功能廣泛、質量好、效率高，因此備受廣大施工企業的青睞。液壓挖掘機具有以下六大系統：傳動系統，主要有液壓傳動、液力傳動以及氣壓傳動三種方式，優點包括靈活性高、運動平穩、控制方便、使用周期長等[1]；動力系統，柴電機通過對油門開度的控制以實現調節轉動的目的；元件系統，對液壓泵的控制都是通過調節擺角實現的；閥控系統，用先導閥控制先導油液，再用先導油液控制換向閥的主閥芯；執行系統；控制系統。

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，主要用于執行邏輯運算、順序控制、定時、計數以及算術操作等用戶指令，同時通過數字或模擬信號輸入或輸出的方式控制機械的運行。PLC實際上是一種專門應用在工業控制的計算機系統，它的硬件設備在結構和外觀上和普通的家用一體機類似，主要結構包括電源、CPU、存儲器、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階段，第一階段是輸入采樣，第二階段是用戶程序執行，第三階段是輸出刷新階段。PLC的功能特點為使用方便、功能強大、性價比高、配套設施齊全；可靠性高、安裝工作量少一級維修方便等。

2 節能原理

液壓挖掘機的主要動力來源是發動機，通過發動機驅動并通過液壓傳動到施工設備上，因此決定液壓挖掘機節能效果的關鍵在于發動機和液壓泵功率的匹配程度，匹配程度越高，系統對能量的利用率也就越高，而匹配程度越低，系統對能量的利用率則越低，另外，較高的匹配度也有助于對PLC整體系統穩定性的提升。針對當前的常規液壓泵和發動機在匹配程度上存在的問題，此節能控制系統在進行發動機以及泵的功率匹配過程中，應將泵的功率曲線設定至發動機的功率曲線之上，然后控制發動機的油門，檢測發動機轉速，以這樣的方式控制電流，再調節泵的排量，實現的方式主要是調節減壓閥的電液比例，如此就能夠保證泵在輸出功率上能夠始終在一個特定的、微小的范圍內不斷變化，絕不會超出這一區域，這樣一來，泵的工作狀態就會持續維持在比發動機功率低的情況下，由此也可以保證泵在工作時完全吸收發動機的功率，從而實現節能的要求。

3 控制系統設計

3.1 總體設計

這一節能控制系統主要是基于PLC控制器實現的，它能夠對液壓挖掘機的重要部件進行有效的控制，比如發動機、變量泵或者馬達和控制閥等等。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證。液壓系統和負載與發動機和變量泵系統實現最佳的綜合控制，能夠保證發動機輸出更加合理的功率，既不會偏大，也不會偏小，這樣就能顯著降低液壓挖掘機的油耗，同時有效提升工作效率。整個控制系統均以電液比例泵代替常規的恒功率泵[3]；對發動機油門的踩下程度采用執行器進行控制，代替了以往靠人為感受踩油門的方式；工業狀況被分為三種功率模式，通過PLC控制器完成參數的收集、計算、分析和控制信號輸出。

控制系統硬件的結構如圖1，根據圖1可知，此控制系統不僅僅能夠控制信號數據的輸入和輸出，還能夠傳遞信號至上位機和顯示屏等設備，真正意義上實現了三點一體。

3.2 信號處理

此系統的信號處理主要功能有五點：第一，采樣所有輸入點的信號；第二，進行模—數或數—模的轉換；第三，運用中央處理器分析所得所有數據；第四，利用輸出結構產生控制的信號，然后將控制信號傳送至各控制設備；第五，和上位機進行數據交換。

此系統的信號處理模塊應具備完整的子模塊體系，包括數據接收、采集、傳送模塊，以及計算機功率控制、模式選擇和數據驅動的模塊。除此之外，還應將編寫好的數據信息保存至數據庫中。這些模塊的功能不僅僅是儲存數據信息，還能夠與外接編程器實現數據交換，利用編程器的自身算法優勢處理并優化系統的各項數據。

4 控制系統試驗

通過上述設計原理，本次實驗設計了一套完整的液壓挖掘機PLC控制器和配套系統，具體見圖2。

在圖2中，橫軸的坐標為記錄試驗數據的各點，單位是ms；左側縱軸坐標為控制電流，單位是mA；右側縱軸坐標為液壓泵的負載壓力，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載壓力變化的過程。通過觀察可以看出，控制電流是一定會隨著負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隨之產生一定的變化，液壓泵的流量就會隨著負載的變化而產生相應的變化，從而達到了節能降耗的最終目的。

5 結語

本次實驗通過研究PLC控制器應用在液壓挖掘機上的節能控制系統，研究了實現液壓挖掘機節能降耗的方式。此次控制系統所運用的PLC技術是自動控制技術、計算機控制技術以及通信技術的大集成，融合了以上三種技術的主要優秀特征，同時具備操作方便、編程簡單、安裝容易的優勢，不僅起到了節能作用，還降低了維護設備的工作量，保證了設備的功能和通用性，是非常高效、科學的液壓挖掘機節能控制系統。

參 考 文 獻

[1] 王建任，李鶯鶯，劉志東，等.便攜式挖掘機測試系統研究[J].工程機械，2015，46（7）：31-37.

[2] 李霞.基于PLC和液壓控制挖掘機教學模型的系統設計[J].電子世界，2013（8）：164.

[3] 梁新平，牛曉玲.基于PLC的液壓挖掘機模型控制系統設計[J].機電一體化，2012，18（3）：81-83.