PLC在液压挖掘机节能中的运用探讨

李园园

摘 要：液压挖掘机是一种多功能、多用途机械设备，它对于减轻劳动者工作量并保证工程质量方面具有重要作用；PLC是可编辑逻辑控制器，是一种采用一类可编程的存储器用于内部存储的程序，通过数字或模拟式输入或输出控制各类型的机械或生产过程。PLC应用于液压挖掘机能够显著降低其使用能耗，其控制系统设计理念为基于PLC控制器对挖掘机内各重要部件进行控制，以提高精度和可靠性。

关键词：PLC；液压挖掘机；节能

中图分类号： TH16；U270.1 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）31-147-2

0 引言

液压挖掘机本身具有一定的复杂性，因此也造成了能耗也大的问题，所以当代改进液压挖掘机的重点方向都是在于对其节能技术的研究。目前的一种可行性方法为运用基于PLC控制器的电控节能系统在液压挖掘机设备中，以解决挖掘机中液压泵和发动机功率不匹配问题为切入点，利用PLC系统极大的兼容性控制挖掘机的各重要组成部分，对输入及输出信号进行及时处理，同时传送监控信息到上位机，以达到节能的效果。

1 基础概述

1.1 液压挖掘机

液压挖掘机是一种多功能、多用途的机械设备，它被广泛应用于各工程领域。挖掘机能够极大地减轻劳动者的工作负担，同时提高工程质量，因此它是加速工程建设、提升劳动效率和生产力的重要工具。目前液压挖掘机的技术已经非常成熟，型号多样、功能广泛、质量好、效率高，因此备受广大施工企业的青睐。液压挖掘机具有以下六大系统：传动系统，主要有液压传动、液力传动以及气压传动三种方式，优点包括灵活性高、运动平稳、控制方便、使用周期长等[1]；动力系统，柴电机通过对油门开度的控制以实现调节转动的目的；元件系统，对液压泵的控制都是通过调节摆角实现的；阀控系统，用先导阀控制先导油液，再用先导油液控制换向阀的主阀芯；执行系统；控制系统。

1.2 PLC

PLC全称Programmable Logic Controller，是可编程逻辑控制器，也称可编程控制器件，主要用于执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数以及算术操作等用户指令，同时通过数字或模拟信号输入或输出的方式控制机械的运行。PLC实际上是一种专门应用在工业控制的计算机系统，它的硬件设备在结构和外观上和普通的家用一体机类似，主要结构包括电源、CPU、存储器、接口电路、功能模块和通信模块[2]。PLC的工作原理可以分为三个阶段，第一阶段是输入采样，第二阶段是用户程序执行，第三阶段是输出刷新阶段。PLC的功能特点为使用方便、功能强大、性价比高、配套设施齐全；可靠性高、安装工作量少一级维修方便等。

2 节能原理

液压挖掘机的主要动力来源是发动机，通过发动机驱动并通过液压传动到施工设备上，因此决定液压挖掘机节能效果的关键在于发动机和液压泵功率的匹配程度，匹配程度越高，系统对能量的利用率也就越高，而匹配程度越低，系统对能量的利用率则越低，另外，较高的匹配度也有助于对PLC整体系统稳定性的提升。针对当前的常规液压泵和发动机在匹配程度上存在的问题，此节能控制系统在进行发动机以及泵的功率匹配过程中，应将泵的功率曲线设定至发动机的功率曲线之上，然后控制发动机的油门，检测发动机转速，以这样的方式控制电流，再调节泵的排量，实现的方式主要是调节减压阀的电液比例，如此就能够保证泵在输出功率上能够始终在一个特定的、微小的范围内不断变化，绝不会超出这一区域，这样一来，泵的工作状态就会持续维持在比发动机功率低的情况下，由此也可以保证泵在工作时完全吸收发动机的功率，从而实现节能的要求。

3 控制系统设计

3.1 总体设计

这一节能控制系统主要是基于PLC控制器实现的，它能够对液压挖掘机的重要部件进行有效的控制，比如发动机、变量泵或者马达和控制阀等等。不仅如此，它的控制还具有较高的精度，其可靠性也得到了较为充分的验证。液压系统和负载与发动机和变量泵系统实现最佳的综合控制，能够保证发动机输出更加合理的功率，既不会偏大，也不会偏小，这样就能显著降低液压挖掘机的油耗，同时有效提升工作效率。整个控制系统均以电液比例泵代替常规的恒功率泵[3]；对发动机油门的踩下程度采用执行器进行控制，代替了以往靠人为感受踩油门的方式；工业状况被分为三种功率模式，通过PLC控制器完成参数的收集、计算、分析和控制信号输出。

控制系统硬件的结构如图1，根据图1可知，此控制系统不仅仅能够控制信号数据的输入和输出，还能够传递信号至上位机和显示屏等设备，真正意义上实现了三点一体。

3.2 信号处理

此系统的信号处理主要功能有五点：第一，采样所有输入点的信号；第二，进行模—数或数—模的转换；第三，运用中央处理器分析所得所有数据；第四，利用输出结构产生控制的信号，然后将控制信号传送至各控制设备；第五，和上位机进行数据交换。

此系统的信号处理模块应具备完整的子模块体系，包括数据接收、采集、传送模块，以及计算机功率控制、模式选择和数据驱动的模块。除此之外，还应将编写好的数据信息保存至数据库中。这些模块的功能不仅仅是储存数据信息，还能够与外接编程器实现数据交换，利用编程器的自身算法优势处理并优化系统的各项数据。

4 控制系统试验

通过上述设计原理，本次实验设计了一套完整的液压挖掘机PLC控制器和配套系统，具体见图2。

在图2中，横轴的坐标为记录试验数据的各点，单位是ms；左侧纵轴坐标为控制电流，单位是mA；右侧纵轴坐标为液压泵的负载压力，单位是Mpa。首先观察图2的下半部分曲线，通过观察可以看出，泵1和泵2的变化是具有一定规律的；再观察图2的上半部分曲线，此段曲线为控制电流随负载压力变化的过程。通过观察可以看出，控制电流是一定会随着负载压力的不断变化而变化的。只要放大控制电流，它所控制的反例减压阀二次压力就一定会随之产生一定的变化，液压泵的流量就会随着负载的变化而产生相应的变化，从而达到了节能降耗的最终目的。

5 结语

本次实验通过研究PLC控制器应用在液压挖掘机上的节能控制系统，研究了实现液压挖掘机节能降耗的方式。此次控制系统所运用的PLC技术是自动控制技术、计算机控制技术以及通信技术的大集成，融合了以上三种技术的主要优秀特征，同时具备操作方便、编程简单、安装容易的优势，不仅起到了节能作用，还降低了维护设备的工作量，保证了设备的功能和通用性，是非常高效、科学的液压挖掘机节能控制系统。

参 考 文 献

[1] 王建任，李莺莺，刘志东，等.便携式挖掘机测试系统研究[J].工程机械，2015，46（7）：31-37.

[2] 李霞.基于PLC和液压控制挖掘机教学模型的系统设计[J].电子世界，2013（8）：164.

[3] 梁新平，牛晓玲.基于PLC的液压挖掘机模型控制系统设计[J].机电一体化，2012，18（3）：81-83.