工程机械大型结构件焊接自动化中PLC技术的应用

陈启 葛丽 赵晟

【摘 要】随着世界经济的快速发展，各种大型矿山和水利工程不断规划和建设，中小型推土机己不能满足要求，大马力推土机的需求量每年呈50%的增长率增长。在我公司研制大马力推土机之前，国内市场上320马力以上的推土机整机及配件主要依赖进口，不仅维修困难，而且价格昂贵，每年都要花费我国大量外汇。因此，研制大马力推土机不仅具有广阔的市场前景，同时还可以优化调整产业结构，提高大型装备的国产化水平，具有重大的经济和社会效益。

【关键词】工程机械；大型结构件；焊接；自动化；PLC技术

PLC即可编程程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC），建立在微型计算机的基础上的工业自动控制装置。PLC以其独特的体积小、应用性高、工作效率高等优势，如今已经被广泛应用在机械制造、食品生产与检测、重工业等多个领域。本文首先对于PLC技术的具体含义以及应用价值进行简单的介绍，然后针对PLC技术在机械工程与自动化的多个具体环境中的工作模式以及作用展开较为详细的分析及阐明，为提升PLC技术对于机械工程与自动化的贡献价值奠定基础。

一、PLC技术的实用价值与优势

时代的发展推动了工业前进的步伐，随着现代社会劳动力成本的节节攀升以及智力资源的日渐珍贵，工业生产上精简人力资源的消耗、扩大机械化程度的趋势已成必然，给机械工程以及自动化技术提出了更高的要求。PLC技术作为现代工业普遍应用的控制型器件，不仅体积小巧、易于安装、具有广泛通用性。而且用户可以通过编写程序轻松实现个性化控制方式，很大程度上提高機械装置以及自动化技术的灵活性以适用性。不仅如此，PLC还有提供多方面强大功能支持，同时兼具高性价比、高可靠性以及低功耗等等优点，已经成为了自动化控制的核心技术，成为了我国构建自动化控制技术自主知识产权、推进机械工程与自动化发展进程的主要操作对象。

随着世界经济的快速发展，各种大型矿山和水利工程不断规划和建设，中小型推土机已不能满足要求，大马力推土机的需求量毎年呈50%的増长率増长。在我公司开发大马力推土机之前，国内市场上320马力及以上的大马力推土机基本上被卡特彼勒、小松等国际知名品牌所主导。大马力推土机整机及配件主要依赖进曰，不仅维修困难，而且价格昂贵，每年都要花费我国大量外汇。根据市场调查，用户对性能稳定，质量可靠的国产大马力推土机的期望越来越高。PLC技术的应用涉及生产管理、生产监控、顺序控制等方面，多个操作体系的协调与配合需要实现PLC处理器核心与控制设备之间及时沟通。互联网的高速发展为其提供了通讯技术支持，而PLC技术抗干扰能力强、可靠性高的特点则为准确通信提供了安全保障。甚至可以预测，在今后社会发展中，PLC技术将与机器人、CAD共同组成主流基础管理设备体系。接下来将从三个方面具体介绍PLC技术特点：

（一）操作简单通用性高

现在，绝大多数PLC均支持程序语言互译，用户无需专门学习某一中语言，仅需运用自己常用语言编写代码后，用器件自带的翻译功能进行语言的转换即可实现对PLC的编程，降低编程语言门槛。并且PLC的安装及调试简单，外部接线较少，促使简化实际操作系统结构，进而缩短系统运行的周期，工作效率得到改善。

大马力推土机功率的增加对大型结构件制造技术提出了很大的挑战。推土机大型结构件主机架、台车架等体积庞大、自身重量大、长直对称焊缝多、焊缝复杂，焊接变形大并且难以控制。而这些关键结构件的焊接质量对整机的性能及可靠性影响很大。如何提高大型结构件的焊接质量和生产效率是必须攻克的难题。除此之外，为了提高PLC实用价值，全球PLC均统一使用国际标准通信协议，给不同厂家生产的PLC之间的互换提供了可能，也给PLC的调试提供了方便，极大程度地提高了PLC产品的通信开放度。

（二）体积小能耗少

所谓机械工程自动化技术就是在无人操作的情况下机械装置依然能够按照预设指令自我进行操作，完成预定的程序内容，是机械自我操作的一个过程。机械自动化技术被普遍应用对于人类工业的发展具有里程碑式的意义。PLC装置是集成电子线路技术的重要应用体现，安装尺寸通常均在10cm以下，重量更是不足150g，为机电一体化提供了实现基础。同时在实际使用中PLC的消耗功率一般只有个位数，为节省能耗做出了贡献。

（三）抗干扰能力强

在实际应用中，目前广泛应用于PLC中并且符合国家标准的AS一工总线、Profibus总线以及DeviceNet总现场总线与PLC界面之间通常保持良好契合度，为准确通信提供了保障。另外PLC装置采用抗干扰的电路排布与制造工艺，保证在工作过程中抵御电磁、电路的干扰，具有较高的可靠性，为PLC系统之间有效通信的展开提供了有效保障。现在的PLC装置甚至采用了多重抗干扰技术，哪怕是置于极端恶劣环境，它也能够正常工作。

二、PLC技术在机械工程与自动化中的应用

（一）远程通信控制与系统控制中PLC技术的应用

在现代通用的机械自动化控制系统中，其他继续结构的控制工作通常是由PLC技术实现完成的。不仅如此，随着科技的不断创新与进步，PLC技术还被积极地运用于自动化系统本身，根据指令完成纠正系统逻辑错误以及排查系统故障等工作，为系统的正常运转提供了有力保障。在实际的工业自动化生产过程中，应用PLC技术的自动化系统会对机器操作的每一步骤展开监控，并在步骤完成后根据完成情况返回累积误差值，当累计误差值超过系统设置的误差允许上限时，表示此时设备运转出现异常，同时该自动化系统也会出现逻辑紊乱，无法继续运转。此时PLC控制系统将自动对逻辑发生混乱的原因进行逐一排查，诊断出问题后立马发出报警通知到用户。PLC的高通信开放度为不同系统的PLC提供通信交流的可能。在保证互联网模块以及信息传输界面正常工作的前提之下即可实现PLC控制系统的远程监控。

（二）逻辑运算中PLC技术的应用

数字运算是PLC技术的重要组成部分。在自动化控制系统中，PLC主要使用数据处理与逻辑运算这两种计算方法。实现诸如数据运算、数据筛选、数据整理以及二进制开关等等功能。运用PLC技术，可以简单高效地完成大量数据的分析、排查、整理，极大地提高了取结论、对比优化的工作效率。例如现在许多的食品制造企业、电子生产企业甚至交通监管部门，都是运用PLC技术实现对于实时数据的监控。除此之外，PLC还可以充当二进制开关，有效提高软接触点数目，促进自动化系统的优化。

（三）生产系统自动化控制中PLC技术的应用

应用PLC技术控制自动化系统指的是系统中的主机、通信、顺序控制、位置控制、参数设置等等工业自动化生产模块均是在PLC技术的控制之下开展工作的。在实际的生产过程中，用户可以结合企业实际生产环境以及生产的具体需求，根据实际生产过程中具体化的操作对象以及监控对象特点，合理改造PLC控制指令，优化PLV控制模块的组合模式。在尽力减少模块数目以及优化工作结构的条件下，实现对于生产进程的多元化有效控制以及生产自动化系统的正常运转。

运用PLC控制系统中模拟参数控制模块指的是通过具体指令的输入，使用PLC技术监控生产过程中某变量的变化，若变量达到一定条件PLC则控制相关机器或装置进行一定操作，直至监控变量没有达到条件为止。例如饮水机的热水装置就是通过监测热水槽中的水温，如果水温低于100℃就显示红灯，并控制加热电路正常工作，及时对热水槽里的水进行加热。在这一过程中PLC需要对水温变化进行实时监控，是一个过程化控制。截止到目前为止，世界上绝大多数国家均已实现运用PLC技术完成机械工程和自动化设备的监测与控制，PLC技術的应用不仅推动了工业自动化的发展，还为企业经济效益的提高，乃至社会经济水平的提升做出了重要的贡献。除此之外，PLC技术还被积极地运用在了食品、服务、电子、冶金等轻重工业领域，改变了传统生产制造模式，影响着国民的工作与生活。甚至直到现在，PLC的作用领域与影响力仍在不断高涨。

三、机械工程自动化的应用现状

工业产值作为世界经济的重要贡献者，推进工业的发展对于世界经济水平的提升以及社会的进步均有重要的意义。伴随着工业化进程的脚步，社会对于机械工程的可控性以及自动化技术的应用价值提出了更高的要求，人们急需一种兼顾实用性、可靠性、灵活性的应用技术来推进机械自动化领域乃至社会各个领域的革新。届时，PLC技术应运而生。

我国自动化技术水平较落后于发达国家，自动化技术应用尚不成熟，相关的技术水平不到位，应用经验匮乏，能够将自动化技术运用到实际操作领域的范围不广泛，没有充分发挥自动化应用技术的优势。国外机械工程自动化的应用具有丰富的理论知识和实践操作经验的人才明显占有绝对优势，而我国在这方面的人才明显缺乏，管理机制与培训体系的不完全，导致大部分人才都只是具有扎实的理论知识而在实践经验上几乎为零。

四、自动化技术在机械工程中的发展

与我国落后的自动化技术相比，国外部分发达国家早已经实现了柔性化、集成化与智能化。该技术在我国大部分都被应用在投资少而高效率的产业上，尽管目前机械自动化在我国的应用率与发达国家还有很大的差距，但是伴随我国工业化的继续发展，机械化在我国工业前进中的地位早已不可或缺，机械工程相关的企业当务之急应该根据企业自身的经水平与生产需求，从自身的实际情况出发，大力引进自动化技术并加以利用，从而为创造企业更大经济效益，推动企业自身的进步与发展，主动顺应潮流对整个产业的进步形成推动作用。

从我国的实际情况出发，自动化应用技术的大力发展由浅入深，从简到繁逐渐形成符合我国各产业实际情况的机械自动化系统。培养我国的高知识高素质高水平的技术型人才，借鉴优秀经验并结合自身情况不断改革创新，创造现代化特色的，高度自动化的企业生产方式。

五、煤矿机械工程及自动化应用

我国对于煤炭资源的开采已经具备了一定规模，从发展角度来说煤炭产业已经到了必须改革换代进行创新的新时期，而机械工程与自动化技术的出现无疑是煤炭产业与自动化应用技术的双赢，而煤炭产业对自动化的应用将为煤炭市场的进步发展起到促进作用。

（一）煤矿开采机械自动化

随着电子技术与自动化应用技术的普及，我国不断的吸取各方面成功的经验对现有的煤炭产业开采机械进行改革创新，对于煤炭的开采机械已经由原来的操作方式逐渐转变为点牵引，并且大部分已经成功运用其中。在一部分开采机械凭借电机的工作开始引用多点驱动系统，但这种多点驱动的方式下由于电机通常需要横向放置，装机的容量也在不断扩大，当前我国的绝大多数煤炭开采机械都在围绕着1000kW装机功率上下浮动，具有代表性的煤炭开采机械甚至达到1500kW的装机功率，工作效率上与煤炭的产出量上都有了很大的提高。除此之外，交流电牵引电机这种方式不仅具有非常高的工作效率，在对抗污染能力方面也具有非常明显的改善，因此在后期维护过程中也极为简洁方便，对于绿色开采环保有巨大意义。

在煤炭开采机械自动化中，计算机技术是整个自动化技术的核心要素，自动化技术就是由计算机技术与传感器和故障诊断技术的完美融合，煤炭产业的机械工程以及自动化技术应用诞生以来，对整个煤炭产业的发展产生了前所未有的进步与发展，综合机械化采煤技术的成功诞生标志着自动化技术在煤炭开采上有了新的突破，综合机械化采煤技术在采煤过程中持续使用机械化作业，从而完成整个生产工序生产的采煤，综采工艺是全方位将机械设备运用到每一个采煤环节中。但我国的自动化技术应用尚未成熟，技术同发达国家相比还相对落后，没有形成相应体系，因而还需要积极借鉴国外的先进技术，进行改革创新。

（二）煤炭运输机械自动化

在我国以往的主煤运输中依然采用传统的轨道运输方式，但在国外相对先进的煤炭开采中已经全部使用胶带运输方式，在胶带运输过程中用SCR-D进行直流调速，交流变频调速，并同时使用高速车和齿轨车，胶轮蓄电池机车或单轧吊车等进行辅助。计算机集中对所有的机械统一调配，集中控制，在故障诊断与突发状况上及时保护，整个自动化系统对于温度高低、速度高速或低速、位置准确或者跑偏、雾霾、断裂、煤位等等多种情况都有自身的保护判断，防止一切意外状况的出现，甚至个别系统还加设了电视监视装置。高科技对于各个产业的冲击在当前环境下已经不言而喻，由于计算机技术的发展与普及，煤炭机械工程的自动化不断更新换代，综合化与系统化在高科技的不断发展并投入使用后会有更为显著的效果。

（三）煤矿安全检测系统自动化

根据市场调查，用户对性能稳定，质量可靠的国产大马力推土机的期望越来越高。山推股份作为国内推土机制造行业的领军企业，一直在不断提高和完善核心制造技术，制造出了SD32、SD42-3、SD52-5、SD90-5等大型的履带式推土机产品，实现了大型推土机国产化。SD42以上大马力推土机功率的增加对大型结。构件制造技术提出了很大的挑战。推土机大型结构件主机架、台车架等体积庞大、自身重量大、长直对称焊缝多、焊缝复杂，焊接变形大并且难以控制。而这些关键结构件的焊接质量对整机的性能及可靠性影响很大。如何提高大型结构件的焊接质量和生产效率是必须攻克的难题。根据企业长期发展规划和现实发展需要，选择了直接影响焊接加工的质量和效率的大型结构件关键问题进行了重点研究。 我国煤炭企业中对于矿井下的安全监测系统大多为直接引进外国的先进技术，但在实际操作进行监测过程中，我国的传感器种类缺乏，从而降低了安全监测系统的安全性与可靠性。

因此煤矿的安全监测系统在我国的运用并没有得到普及和广泛运用。但伴随着煤炭机械工程与自动化技术的应用，我国煤炭企业已经在此基础上加大了对于传感器的科研开发，充分调动一切可调动的资源与条件，尽可能在最短时间内将传感器进行优化，研究出最具保障性、稳定性强又使用寿命长的多种类传感器，使我国煤炭企业真正建立在自动化与信息化的基础上，彻底转变煤炭生产模式，提高煤炭生产效率，推动整个煤炭工业在现代化、自动化、科技化的道路上更上一层楼。

六、结语

煤炭产业发展至今取得了非常大的成就，但目前煤炭产业在技术水平上、生产能力上都与达国家有着非常大的差距。而我国作为一个煤炭资源大国，因此如何能够让煤炭产业随着经济与科技的发展共同进步，实现自动化，提高生产能力，逐渐缩小与先进采煤国的差距，直至与世界接轨，成为真正的煤炭资源与生产大国，是摆在国人面前的一个重大课题。我们的社会已经步入了高速发展的信息化时代，隨着工业化进程的推进，机械工程及自动化水平已经成为评估国家工业发展的重要依据，对于衡量国家综合实力以及未来发展趋势有着举足轻重的影响。PLC技术作为机械自动化控制的主要支持，对其进行主动的改良与创新对于工业的发展以及经济社会的进步有着重要的意义。本文以PLC的价值以及优势作为切入点，对于PLC技术在机械工程与自动化中的应用开展探究，为全面推广PLC技术提供了有力支持。

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