工程機械大型結構件焊接自動化中PLC技術的應用

陳啟 葛麗 趙晟

【摘 要】隨著世界經濟的快速發展，各種大型礦山和水利工程不斷規劃和建設，中小型推土機己不能滿足要求，大馬力推土機的需求量每年呈50%的增長率增長。在我公司研制大馬力推土機之前，國內市場上320馬力以上的推土機整機及配件主要依賴進口，不僅維修困難，而且價格昂貴，每年都要花費我國大量外匯。因此，研制大馬力推土機不僅具有廣闊的市場前景，同時還可以優化調整產業結構，提高大型裝備的國產化水平，具有重大的經濟和社會效益。

【關鍵詞】工程機械；大型結構件；焊接；自動化；PLC技術

PLC即可編程程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC），建立在微型計算機的基礎上的工業自動控制裝置。PLC以其獨特的體積小、應用性高、工作效率高等優勢，如今已經被廣泛應用在機械制造、食品生產與檢測、重工業等多個領域。本文首先對于PLC技術的具體含義以及應用價值進行簡單的介紹，然后針對PLC技術在機械工程與自動化的多個具體環境中的工作模式以及作用展開較為詳細的分析及闡明，為提升PLC技術對于機械工程與自動化的貢獻價值奠定基礎。

一、PLC技術的實用價值與優勢

時代的發展推動了工業前進的步伐，隨著現代社會勞動力成本的節節攀升以及智力資源的日漸珍貴，工業生產上精簡人力資源的消耗、擴大機械化程度的趨勢已成必然，給機械工程以及自動化技術提出了更高的要求。PLC技術作為現代工業普遍應用的控制型器件，不僅體積小巧、易于安裝、具有廣泛通用性。而且用戶可以通過編寫程序輕松實現個性化控制方式，很大程度上提高機械裝置以及自動化技術的靈活性以適用性。不僅如此，PLC還有提供多方面強大功能支持，同時兼具高性價比、高可靠性以及低功耗等等優點，已經成為了自動化控制的核心技術，成為了我國構建自動化控制技術自主知識產權、推進機械工程與自動化發展進程的主要操作對象。

隨著世界經濟的快速發展，各種大型礦山和水利工程不斷規劃和建設，中小型推土機已不能滿足要求，大馬力推土機的需求量毎年呈50%的増長率増長。在我公司開發大馬力推土機之前，國內市場上320馬力及以上的大馬力推土機基本上被卡特彼勒、小松等國際知名品牌所主導。大馬力推土機整機及配件主要依賴進曰，不僅維修困難，而且價格昂貴，每年都要花費我國大量外匯。根據市場調查，用戶對性能穩定，質量可靠的國產大馬力推土機的期望越來越高。PLC技術的應用涉及生產管理、生產監控、順序控制等方面，多個操作體系的協調與配合需要實現PLC處理器核心與控制設備之間及時溝通。互聯網的高速發展為其提供了通訊技術支持，而PLC技術抗干擾能力強、可靠性高的特點則為準確通信提供了安全保障。甚至可以預測，在今后社會發展中，PLC技術將與機器人、CAD共同組成主流基礎管理設備體系。接下來將從三個方面具體介紹PLC技術特點：

（一）操作簡單通用性高

現在，絕大多數PLC均支持程序語言互譯，用戶無需專門學習某一中語言，僅需運用自己常用語言編寫代碼后，用器件自帶的翻譯功能進行語言的轉換即可實現對PLC的編程，降低編程語言門檻。并且PLC的安裝及調試簡單，外部接線較少，促使簡化實際操作系統結構，進而縮短系統運行的周期，工作效率得到改善。

大馬力推土機功率的增加對大型結構件制造技術提出了很大的挑戰。推土機大型結構件主機架、臺車架等體積龐大、自身重量大、長直對稱焊縫多、焊縫復雜，焊接變形大并且難以控制。而這些關鍵結構件的焊接質量對整機的性能及可靠性影響很大。如何提高大型結構件的焊接質量和生產效率是必須攻克的難題。除此之外，為了提高PLC實用價值，全球PLC均統一使用國際標準通信協議，給不同廠家生產的PLC之間的互換提供了可能，也給PLC的調試提供了方便，極大程度地提高了PLC產品的通信開放度。

（二）體積小能耗少

所謂機械工程自動化技術就是在無人操作的情況下機械裝置依然能夠按照預設指令自我進行操作，完成預定的程序內容，是機械自我操作的一個過程。機械自動化技術被普遍應用對于人類工業的發展具有里程碑式的意義。PLC裝置是集成電子線路技術的重要應用體現，安裝尺寸通常均在10cm以下，重量更是不足150g，為機電一體化提供了實現基礎。同時在實際使用中PLC的消耗功率一般只有個位數，為節省能耗做出了貢獻。

（三）抗干擾能力強

在實際應用中，目前廣泛應用于PLC中并且符合國家標準的AS一工總線、Profibus總線以及DeviceNet總現場總線與PLC界面之間通常保持良好契合度，為準確通信提供了保障。另外PLC裝置采用抗干擾的電路排布與制造工藝，保證在工作過程中抵御電磁、電路的干擾，具有較高的可靠性，為PLC系統之間有效通信的展開提供了有效保障。現在的PLC裝置甚至采用了多重抗干擾技術，哪怕是置于極端惡劣環境，它也能夠正常工作。

二、PLC技術在機械工程與自動化中的應用

（一）遠程通信控制與系統控制中PLC技術的應用

在現代通用的機械自動化控制系統中，其他繼續結構的控制工作通常是由PLC技術實現完成的。不僅如此，隨著科技的不斷創新與進步，PLC技術還被積極地運用于自動化系統本身，根據指令完成糾正系統邏輯錯誤以及排查系統故障等工作，為系統的正常運轉提供了有力保障。在實際的工業自動化生產過程中，應用PLC技術的自動化系統會對機器操作的每一步驟展開監控，并在步驟完成后根據完成情況返回累積誤差值，當累計誤差值超過系統設置的誤差允許上限時，表示此時設備運轉出現異常，同時該自動化系統也會出現邏輯紊亂，無法繼續運轉。此時PLC控制系統將自動對邏輯發生混亂的原因進行逐一排查，診斷出問題后立馬發出報警通知到用戶。PLC的高通信開放度為不同系統的PLC提供通信交流的可能。在保證互聯網模塊以及信息傳輸界面正常工作的前提之下即可實現PLC控制系統的遠程監控。

（二）邏輯運算中PLC技術的應用

數字運算是PLC技術的重要組成部分。在自動化控制系統中，PLC主要使用數據處理與邏輯運算這兩種計算方法。實現諸如數據運算、數據篩選、數據整理以及二進制開關等等功能。運用PLC技術，可以簡單高效地完成大量數據的分析、排查、整理，極大地提高了取結論、對比優化的工作效率。例如現在許多的食品制造企業、電子生產企業甚至交通監管部門，都是運用PLC技術實現對于實時數據的監控。除此之外，PLC還可以充當二進制開關，有效提高軟接觸點數目，促進自動化系統的優化。

（三）生產系統自動化控制中PLC技術的應用

應用PLC技術控制自動化系統指的是系統中的主機、通信、順序控制、位置控制、參數設置等等工業自動化生產模塊均是在PLC技術的控制之下開展工作的。在實際的生產過程中，用戶可以結合企業實際生產環境以及生產的具體需求，根據實際生產過程中具體化的操作對象以及監控對象特點，合理改造PLC控制指令，優化PLV控制模塊的組合模式。在盡力減少模塊數目以及優化工作結構的條件下，實現對于生產進程的多元化有效控制以及生產自動化系統的正常運轉。

運用PLC控制系統中模擬參數控制模塊指的是通過具體指令的輸入，使用PLC技術監控生產過程中某變量的變化，若變量達到一定條件PLC則控制相關機器或裝置進行一定操作，直至監控變量沒有達到條件為止。例如飲水機的熱水裝置就是通過監測熱水槽中的水溫，如果水溫低于100℃就顯示紅燈，并控制加熱電路正常工作，及時對熱水槽里的水進行加熱。在這一過程中PLC需要對水溫變化進行實時監控，是一個過程化控制。截止到目前為止，世界上絕大多數國家均已實現運用PLC技術完成機械工程和自動化設備的監測與控制，PLC技術的應用不僅推動了工業自動化的發展，還為企業經濟效益的提高，乃至社會經濟水平的提升做出了重要的貢獻。除此之外，PLC技術還被積極地運用在了食品、服務、電子、冶金等輕重工業領域，改變了傳統生產制造模式，影響著國民的工作與生活。甚至直到現在，PLC的作用領域與影響力仍在不斷高漲。

三、機械工程自動化的應用現狀

工業產值作為世界經濟的重要貢獻者，推進工業的發展對于世界經濟水平的提升以及社會的進步均有重要的意義。伴隨著工業化進程的腳步，社會對于機械工程的可控性以及自動化技術的應用價值提出了更高的要求，人們急需一種兼顧實用性、可靠性、靈活性的應用技術來推進機械自動化領域乃至社會各個領域的革新。屆時，PLC技術應運而生。

我國自動化技術水平較落后于發達國家，自動化技術應用尚不成熟，相關的技術水平不到位，應用經驗匱乏，能夠將自動化技術運用到實際操作領域的范圍不廣泛，沒有充分發揮自動化應用技術的優勢。國外機械工程自動化的應用具有豐富的理論知識和實踐操作經驗的人才明顯占有絕對優勢，而我國在這方面的人才明顯缺乏，管理機制與培訓體系的不完全，導致大部分人才都只是具有扎實的理論知識而在實踐經驗上幾乎為零。

四、自動化技術在機械工程中的發展

與我國落后的自動化技術相比，國外部分發達國家早已經實現了柔性化、集成化與智能化。該技術在我國大部分都被應用在投資少而高效率的產業上，盡管目前機械自動化在我國的應用率與發達國家還有很大的差距，但是伴隨我國工業化的繼續發展，機械化在我國工業前進中的地位早已不可或缺，機械工程相關的企業當務之急應該根據企業自身的經水平與生產需求，從自身的實際情況出發，大力引進自動化技術并加以利用，從而為創造企業更大經濟效益，推動企業自身的進步與發展，主動順應潮流對整個產業的進步形成推動作用。

從我國的實際情況出發，自動化應用技術的大力發展由淺入深，從簡到繁逐漸形成符合我國各產業實際情況的機械自動化系統。培養我國的高知識高素質高水平的技術型人才，借鑒優秀經驗并結合自身情況不斷改革創新，創造現代化特色的，高度自動化的企業生產方式。

五、煤礦機械工程及自動化應用

我國對于煤炭資源的開采已經具備了一定規模，從發展角度來說煤炭產業已經到了必須改革換代進行創新的新時期，而機械工程與自動化技術的出現無疑是煤炭產業與自動化應用技術的雙贏，而煤炭產業對自動化的應用將為煤炭市場的進步發展起到促進作用。

（一）煤礦開采機械自動化

隨著電子技術與自動化應用技術的普及，我國不斷的吸取各方面成功的經驗對現有的煤炭產業開采機械進行改革創新，對于煤炭的開采機械已經由原來的操作方式逐漸轉變為點牽引，并且大部分已經成功運用其中。在一部分開采機械憑借電機的工作開始引用多點驅動系統，但這種多點驅動的方式下由于電機通常需要橫向放置，裝機的容量也在不斷擴大，當前我國的絕大多數煤炭開采機械都在圍繞著1000kW裝機功率上下浮動，具有代表性的煤炭開采機械甚至達到1500kW的裝機功率，工作效率上與煤炭的產出量上都有了很大的提高。除此之外，交流電牽引電機這種方式不僅具有非常高的工作效率，在對抗污染能力方面也具有非常明顯的改善，因此在后期維護過程中也極為簡潔方便，對于綠色開采環保有巨大意義。

在煤炭開采機械自動化中，計算機技術是整個自動化技術的核心要素，自動化技術就是由計算機技術與傳感器和故障診斷技術的完美融合，煤炭產業的機械工程以及自動化技術應用誕生以來，對整個煤炭產業的發展產生了前所未有的進步與發展，綜合機械化采煤技術的成功誕生標志著自動化技術在煤炭開采上有了新的突破，綜合機械化采煤技術在采煤過程中持續使用機械化作業，從而完成整個生產工序生產的采煤，綜采工藝是全方位將機械設備運用到每一個采煤環節中。但我國的自動化技術應用尚未成熟，技術同發達國家相比還相對落后，沒有形成相應體系，因而還需要積極借鑒國外的先進技術，進行改革創新。

（二）煤炭運輸機械自動化

在我國以往的主煤運輸中依然采用傳統的軌道運輸方式，但在國外相對先進的煤炭開采中已經全部使用膠帶運輸方式，在膠帶運輸過程中用SCR-D進行直流調速，交流變頻調速，并同時使用高速車和齒軌車，膠輪蓄電池機車或單軋吊車等進行輔助。計算機集中對所有的機械統一調配，集中控制，在故障診斷與突發狀況上及時保護，整個自動化系統對于溫度高低、速度高速或低速、位置準確或者跑偏、霧霾、斷裂、煤位等等多種情況都有自身的保護判斷，防止一切意外狀況的出現，甚至個別系統還加設了電視監視裝置。高科技對于各個產業的沖擊在當前環境下已經不言而喻，由于計算機技術的發展與普及，煤炭機械工程的自動化不斷更新換代，綜合化與系統化在高科技的不斷發展并投入使用后會有更為顯著的效果。

（三）煤礦安全檢測系統自動化

根據市場調查，用戶對性能穩定，質量可靠的國產大馬力推土機的期望越來越高。山推股份作為國內推土機制造行業的領軍企業，一直在不斷提高和完善核心制造技術，制造出了SD32、SD42-3、SD52-5、SD90-5等大型的履帶式推土機產品，實現了大型推土機國產化。SD42以上大馬力推土機功率的增加對大型結。構件制造技術提出了很大的挑戰。推土機大型結構件主機架、臺車架等體積龐大、自身重量大、長直對稱焊縫多、焊縫復雜，焊接變形大并且難以控制。而這些關鍵結構件的焊接質量對整機的性能及可靠性影響很大。如何提高大型結構件的焊接質量和生產效率是必須攻克的難題。根據企業長期發展規劃和現實發展需要，選擇了直接影響焊接加工的質量和效率的大型結構件關鍵問題進行了重點研究。 我國煤炭企業中對于礦井下的安全監測系統大多為直接引進外國的先進技術，但在實際操作進行監測過程中，我國的傳感器種類缺乏，從而降低了安全監測系統的安全性與可靠性。

因此煤礦的安全監測系統在我國的運用并沒有得到普及和廣泛運用。但伴隨著煤炭機械工程與自動化技術的應用，我國煤炭企業已經在此基礎上加大了對于傳感器的科研開發，充分調動一切可調動的資源與條件，盡可能在最短時間內將傳感器進行優化，研究出最具保障性、穩定性強又使用壽命長的多種類傳感器，使我國煤炭企業真正建立在自動化與信息化的基礎上，徹底轉變煤炭生產模式，提高煤炭生產效率，推動整個煤炭工業在現代化、自動化、科技化的道路上更上一層樓。

六、結語

煤炭產業發展至今取得了非常大的成就，但目前煤炭產業在技術水平上、生產能力上都與達國家有著非常大的差距。而我國作為一個煤炭資源大國，因此如何能夠讓煤炭產業隨著經濟與科技的發展共同進步，實現自動化，提高生產能力，逐漸縮小與先進采煤國的差距，直至與世界接軌，成為真正的煤炭資源與生產大國，是擺在國人面前的一個重大課題。我們的社會已經步入了高速發展的信息化時代，隨著工業化進程的推進，機械工程及自動化水平已經成為評估國家工業發展的重要依據，對于衡量國家綜合實力以及未來發展趨勢有著舉足輕重的影響。PLC技術作為機械自動化控制的主要支持，對其進行主動的改良與創新對于工業的發展以及經濟社會的進步有著重要的意義。本文以PLC的價值以及優勢作為切入點，對于PLC技術在機械工程與自動化中的應用開展探究，為全面推廣PLC技術提供了有力支持。

【參考文獻】

[1]曹海濤.自動化技術在機械工程中的應用分析[J].內燃機與配件，2018（05）：235.

[2]陳明凱.自動化焊接設備在工程機械制造中的應用探討[J].科技創新與應用，2018（07）：153-154.

[3]張一.淺析機械工程自動化技術的新趨勢[J].中國戰略新興產業，2018（12）：12-13.

[4]侯艷利.機械工程自動化技術的發展及應用[J].機械管理開發，2018（02）：142-143.

[5]鄭春英，陳衛東.機械工程自動化設備安裝技術分析[J].科學技術創新，2018（04）：170-171.