關于工程機械控制器與控制技術研究

姚森瀚

（東北大學，遼寧 沈陽 110819）

近年來，電子技術飛快發展，以往的工程機械的控制器主要通過電路控制器來實現控制功能，而現在出現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械變得智能化、數據處理更加全面和準確，工程機械也變得更加智能化、方便、實用。智能化控制器和新型控制技術在工程機械中得到普及，例如太網現場總線控制技術、工程機械液壓系統動力匹配系統控制技術、嵌入式軟可編程邏輯控制器控制技術的應用，大大提高了工程機械操作的準確性和穩定性，可以實時地對工程機械進行操作。本文對工程機械的發展和工程機械控制器進行了總體描述，介紹了工程機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械控制器。

1 工程機械的整體發展

1.1 多效用和微型化

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

1.2 系統化和超大型化

工程機械設計制造和控制不斷系統化，在外國的諸多企業中的工程機械都已逐漸形成完善的系統化產品，不斷形成了一系列能夠滿足客戶要求的產品生產模式。隨著客戶的要求不斷增多，超大型化的工程機械逐漸普遍，超大型工程機械主要應用于大型工程項目中。超大型工程機械的結構和控制較為復雜，所以，對控制系統的技術要求更高，而且市場上對此類設備的需求量并不是很高，最重要的是此類設備的市場已被幾家企業占有。

1.3 安全問題和準確程度

一般的工程機械都會有獨自的操作間，且操作間設施齊全、安全且不被外界環境干擾。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。工程機械的操作間仍然在不斷地更新和完善，讓操作人員有一個更加舒適、方便的操作環境，由此可以更好地提升機械操作的準確性和效率性。

1.4 電子化和通信化

將液壓、微電子與通信技術進行科學、有效的結合，從而在智能化體系中得到了很好的應用，此智能化體系已逐漸被使用到工程機械的控制系統中。工程機械隨著電子技術和通信技術的不斷完善發展和創新也不斷地在更新換代，變得更加的智能化和自動化。

2 工程機械控制器的發展

工程機械控制器發展之初主要是利用簡單的智能系統對操作室進行布置，并實現機械的工作動作功能，但是這樣的控制系統還存在一定的缺陷，該操作系統并不能實時操控和監視設備。隨著相關研究人員對工程機械控制器的不斷研究和分析，研究發明了新型的微型控制系統和可編程邏輯控制器，使得工程機械也變得越來越先進。工程機械在我國的相關研究發明還比較落后，所以，國內的工程機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。國外的控制器發展比較先進，大多采用PLC可編程邏輯控制器對工程機械進行智能化控制。例如西門子、歐姆龍和三菱等企業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械中應用較為廣泛，可以在微型控制器中安裝能夠滿足相應的控制要求的軟件來對機械進行控制。工程機械在工作時，對控制器的工作要求較高，工程機械的工作環境比較復雜和惡劣，對控制器的工作穩定性有較高的要求。傳統的控制器并不能完成和實現對工程機械的工作狀態進行實時的監控和操作，傳統的控制器很難完成此類要求。所以，外國較為先進的控制器幾乎占領了我國的控制器使用市場。由于沒有自主研發的控制軟件，所以，需要進行外部采購。智能化可編程控制器在工程機械中的廣泛使用已經在很大程度上提高了工程機械操作的智能化，且更加穩定、安全，操作更加簡單方便。目前市場上出現了新型的嵌入式可編程控制器，在工程機械上使用率很高，使工程機械的操作指令更加簡單，且現在的工程機械控制器具有很好的自我保護系統，在出現突發狀況時能夠得到很好的自我保護，該控制器在使用過程中更加簡單、方便。

在控制器的編程環境、通信接口以及驅動協議等方面，工程機械控制器和其相關控制技術的研究在不斷創新和完善的過程中形成了比較完善的標準，各個控制器生產研發廠家對控制器的研發生產都有著大體一致的標準，在控制器的故障檢測方面都有所突破，通過GPS與GSM技術在工程機械控制技術中的應用，可對工程機械進行遠程控制、GPS定位、遠程的數據傳輸和獲取等，使操作者可以遠離工程機械的工作危險區域，提高操作人員的安全性。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。

3 工程機械控制器

3.1 控制器的工作原理

工程機械控制器的工作原理分為5個階段，分別是控制器數據信息的分析與處理、與控制器的通信、輸入掃描信息、執行內部程序、程序輸出，當工程機械開始工作時，開啟控制器的通信功能，實現對工程機械的通信處理，通過對工作程序的掃描，完成后對工程機械發出相應的工作指令，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。以上5個階段為控制器的1個工作周期，控制器的工作為重復地按照此工作流程來進行執行。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定性和安全性，如果工作掃描時間較長，則會導致控制器的響應時間比較慢，使控制器的控制準確度降低。

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。工程機械的控制器在進行程序編寫時，需要程序編寫者能夠完整、準確地對程序進行編寫，需要把計時程序和中斷程序寫入到控制器的總程序當中，使控制器能夠安全、穩定運行。隨著工程機械控制器研究的創新和發展，控制技術也在不斷更新換代。這些技術可以更好地實現工程機械的實時控制，從而更好地提高工程機械的工作效率。

3.2 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。工程機械的控制器的電力來源是電源模塊，該模塊一般與工程機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情況的發生，該模塊裝有濾波電容，使得電源的供電更加穩定、可靠，該模塊還可以有效防止電路電流瞬間過大的情況發生，使工程機械的工作更加穩定、安全、可靠；控制模塊為控制器最重要的組成部分，控制模塊與工程機械的動力模塊進行控制，實現工程機械的智能化實時監測控制，同時，控制器可以通過控制模塊的串口與外部設備進行連接，實現系統的智能升級，從而實現工程機械的智能化先進控制；人機交互模塊可對控制模塊的工作數據進行實時監控和采集，并在顯示屏中對采集的數據進行分析處理。

4 新型控制技術

4.1 嵌入式軟PLC控制技術

PLC控制技術有較強的實用性，且PLC控制系統使用方法非常簡單，易學易懂，且系統具有較強的抗外部環境干擾的優點，隨著客戶的要求不斷增多，工程機械的工作也變得越來越復雜，如今對控制器提出了新的要求就是能夠對工程機械進行實時故障診斷，這是傳統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由此而生。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，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。

4.2 以太網現場總線控制技術

在某些特殊的工作現場需要工程機械控制器之間進行一些數據的實時交換，該技術可以通過超高速的通信功能來提高工程機械信息交換的可靠性，可以實現工程機械某些無法完成的控制功能。現在大多數工程機械的制造企業都在研究適合在現場進行總線控制的控制器，并把此類控制器直接在工程機械的器件層上使用。

4.3 系統動力匹配及控制技術

液壓系統動力匹配控制技術對工程機械的發動機起著非常重要的作用，發動機系統可以通過該技術來提高其工作效率。通過控制器對工程機械的動力系統進行實時監測，當由于特殊情況動力系統的負載發生變化時，控制器對其變化數據進行采集，并進行分析處理，然后對動力系統動力進行科學、合理的分配，防止機械動能不必要的浪費。此控制技術可以對工程機械的功率使用和分配進行優化處理，使工程機械能夠在各種不同的工作環境中穩定、安全地運行。通過減輕工程機械的工作強度，使工程機械的工作和使用更加順暢。通過合理匹配液壓系統動力，使工程機械的各個部件能夠在其工作額定工作強度之內，使工程機械能夠達到標準的使用壽命和運行可靠性，滿足不同環境的作業要求。

5 結束語

通過對工程機械控制器的發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械控制器的控制技術，并對一些新型控制技術進行功能優勢描述。工程機械的更新換代需要控制器能夠滿足其新的要求和性能，由此使工程機械更加的智能化，更加安全、可靠。