自动装载机控制系统设计

崔守娟　栾荣华　张萍华

摘要：装载机广泛应用于矿山、机械、建筑工程以及车站、港口、仓库、料场等部门的装载、推运、挖掘、牵引、起重等作业，是一种大、中、小型多用途的工程机械。根据装载机的工作特点、操作方式及控制系统的总体要求，建立基于PLC的二工位自动装载系统，进行系统的程序结构设计，并给出具体子程序实例，实现了货物装卸系统的自动控制。系统操作简单、维护方便，大大提高了控制精度和可靠性。

关键词：装载机；PLC；自动化；控制系统

中图分类号：TH243 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）08-0011-03

装载机广泛应用于城建、矿山、铁路、公路、水电、油田、国防及机场建设等工施工中[1]。然而，传统的装载机在作业过程中，驾驶员不但需要频繁地变换挡位来控制车辆的行驶，还要实时地调整动臂和铲斗的位置，使得装载机的作业质量和作业效率取决于驾驶员的操作技巧和熟练程度。

目前，国外许多公司融合电子技术、计算机技术、控制技术、通信技术实现了装载机的自动化和智能化控制，提高了装载机的操纵性、舒适性和工作效率。但是，目前我国装载机产品仍处于传统的液压控制、手动换挡等较低技术水平上。为了减轻驾驶员的劳动强度，提高装载机的作业效率，降低油耗，增强国际竞争力，迫切需要对装载机的自动化和智能化控制技术进行研究[2]。

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受，梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能[3-4]。

本课题采用三菱PLC为控制器，以二工位自动装载机为例，根据控制要求实现货物装卸的自动控制系统的硬件结构和程序设计。

1 控制系统的功能要求

二工位自动装载机的功能是将工件从A处移送到B处，其动作示意图如图1 所示。抓手的升降和左右移行分别使用了双线圈的电磁阀，在某方向的驱动线圈失电时能保持在原位，必须驱动反方向的线圈才能反向运动。上升、下降对应的电磁阀线圈分别是YV2，YV1，右行、左行对应的电磁阀线圈分别是YV3，YV4。抓手的夹钳使用单线圈电磁阀YV5，线圈通电时夹紧工件，断电时松开工件。通过设置限位开关SQ1，SQ2，SQ3，SQ4分别对抓手的下降、上升、右行、左行进行限位，而夹钳不带限位开关，它是通过延时1.7 s来表示夹紧、松开动作的完成的。

装载机的操作面板如图2所示，其能实现手动、回原位、单步、单周期和连续5种工作方式。手动工作方式时，用各按钮的点动实现相应的动作；回原位工作方式时，按下“回原位”按钮，则抓手自动返回原位；单步工作方式时，每按一次起动按钮，抓手向前执行一步；单周期工作方式时，每按一次起动按钮，抓手只运行一个周期就停下；连续工作方式时，抓手在原位，只要按下起动按钮，抓手就会连续循环动作，直到按下停止按钮，抓手才会最后运行到原位并停下；而在传送工件的过程中，抓手必须升到最高位置才能左右移动，以防止抓手在较低位置运行时碰到其他工件。

2 控制系统设计

2.1 输入/输出点地址分配

PLC输入/输出点分配见表1。

2.2 程序设计

系统的程序总体结构如图3所示，分为主程序、自动程序、手动程序和回原位程序4个部分。其中自动程序包括单步、单周期和连续运行的程序，因它们的工作顺序相同，所以可将它们合编在一起。

主程序如图4所示，当Y4复位、左限位X21和上限位X17接通时，辅助继电器M0变为ON，表示机械手在原位。这时，如果开始执行用户程序、系统处于手动或回原位状态，那么初始步对应的M10被置位，为进入单步、单周期、连续工作方式作好准备。如果M0为OFF，M10被复位，系统不能进入单步、单周期、连续工作方式。图4中的指令ZRST是成批复位的应用指令，当X0为ON时，对辅助继电器复位，以防止系统从自动方式转换到手动方式，再返回自动方式时出现两种不同的活动步。

手动程序如图5所示，对应抓手的上下左右移行和夹钳松紧的按钮。按下不同的按钮，机械手执行相应的动作。在左、右移行的程序中串联上限位置开关的动合触点是为了避免抓手在較低位置移行时碰撞其他工件。为保证系统安全运行，程序之间还进行了必要的联锁。

回原点程序如图6所示，在系统处于回原位工作状态时，按下回原位按钮，M3变为ON，抓手松开和上升，当升到上限位，抓手左行，直到移至左限位才停止，并且M3复位。

自动控制程序具体分为单周期和连续运转两种状态，如果选择其中一种工作模式，另外一种模式禁止。单周期是往复运行一个工作周期后停在后端，等待下次起动；连续运转要求装载机启动后自动往复运行，并不断循环。

3 结语

由于PLC的性能非常优越，采用PLC技术对装载机控制系统全面改造后，极大地提高了控制精度，增强了控制系统的稳定性和抗干扰性。该系统成功满足了设计要求的各项指标，而且操作方便，维护工作量小，提高了装载机的动作效率，PLC控制系统设计合理、性价比高、效果优良，达到了预期要求。

参考文献

[1] 骆培荫，廖凯.浅析装载机智能控制系统的组成[J].工程机械，2007（5）：4-6.

[2] 汤以范，叶真，陈小异，等.电气与可编程序控制器技术[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3] 胡学林.可编程控制器教程[M].北京：电子工业出版社，2004.

Abstract： Loader which is one kind of multipurpose engineering machinery with large， medium and small type is widely used in pushing， digging， pulling， lifting operation in the department of mining， machinery， construction， station， port， warehouse， yard and so on. According to the general requirements of loader's work characteristics， operating mode and control system， we established two station automatic loading system based on PLC， designed the system program structure， and gave specific subroutine examples to achieve automatic control of cargo handling system. The system is easy to operation and maintenance， which greatly improves the accuracy and reliability of the control system.

Key words： loader； PLC； automation； control system