关于工程机械控制器与控制技术研究

姚森瀚

（东北大学，辽宁 沈阳 110819）

近年来，电子技术飞快发展，以往的工程机械的控制器主要通过电路控制器来实现控制功能，而现在出现了可编程控制器代替了原有简单的电路控制器，可编程逻辑控制器可以很好地使工程机械变得智能化、数据处理更加全面和准确，工程机械也变得更加智能化、方便、实用。智能化控制器和新型控制技术在工程机械中得到普及，例如太网现场总线控制技术、工程机械液压系统动力匹配系统控制技术、嵌入式软可编程逻辑控制器控制技术的应用，大大提高了工程机械操作的准确性和稳定性，可以实时地对工程机械进行操作。本文对工程机械的发展和工程机械控制器进行了总体描述，介绍了工程机械控制器的工作原理及其硬件组成，并阐述了市场常见的几种工程机械控制器。

1 工程机械的整体发展

1.1 多效用和微型化

由于客户对工程机械的各项技术和功能的要求不同，常用的工程机械重视多效用和微型化。工程械能够发挥多方面的作用，在保证客户的付出尽量小的情况下，将设备的实用性发挥到最大，使机械的工作效率达到最高。为了降低人工的劳动强度，提高工程机械的使用率，从而使企业生产劳动效率大大提升，随着工程机械的发展，社会上的各种工程机械不断向小型化发展。

1.2 系统化和超大型化

工程机械设计制造和控制不断系统化，在外国的诸多企业中的工程机械都已逐渐形成完善的系统化产品，不断形成了一系列能够满足客户要求的产品生产模式。随着客户的要求不断增多，超大型化的工程机械逐渐普遍，超大型工程机械主要应用于大型工程项目中。超大型工程机械的结构和控制较为复杂，所以，对控制系统的技术要求更高，而且市场上对此类设备的需求量并不是很高，最重要的是此类设备的市场已被几家企业占有。

1.3 安全问题和准确程度

一般的工程机械都会有独自的操作间，且操作间设施齐全、安全且不被外界环境干扰。操作间主要工作的完成都是通过人工完成的，主要完成工程机械的工作动作，一般采用触摸屏、无线遥控器、显示器和多效用操作手柄。工程机械的操作间仍然在不断地更新和完善，让操作人员有一个更加舒适、方便的操作环境，由此可以更好地提升机械操作的准确性和效率性。

1.4 电子化和通信化

将液压、微电子与通信技术进行科学、有效的结合，从而在智能化体系中得到了很好的应用，此智能化体系已逐渐被使用到工程机械的控制系统中。工程机械随着电子技术和通信技术的不断完善发展和创新也不断地在更新换代，变得更加的智能化和自动化。

2 工程机械控制器的发展

工程机械控制器发展之初主要是利用简单的智能系统对操作室进行布置，并实现机械的工作动作功能，但是这样的控制系统还存在一定的缺陷，该操作系统并不能实时操控和监视设备。随着相关研究人员对工程机械控制器的不断研究和分析，研究发明了新型的微型控制系统和可编程逻辑控制器，使得工程机械也变得越来越先进。工程机械在我国的相关研究发明还比较落后，所以，国内的工程机械制造厂家的控制器选择大部分依靠国外的控制器来完成。国外的控制器发展比较先进，大多采用PLC可编程逻辑控制器对工程机械进行智能化控制。例如西门子、欧姆龙和三菱等企业对此类控制器都有较好的研究成果，其中，微型控制器在工程机械中应用较为广泛，可以在微型控制器中安装能够满足相应的控制要求的软件来对机械进行控制。工程机械在工作时，对控制器的工作要求较高，工程机械的工作环境比较复杂和恶劣，对控制器的工作稳定性有较高的要求。传统的控制器并不能完成和实现对工程机械的工作状态进行实时的监控和操作，传统的控制器很难完成此类要求。所以，外国较为先进的控制器几乎占领了我国的控制器使用市场。由于没有自主研发的控制软件，所以，需要进行外部采购。智能化可编程控制器在工程机械中的广泛使用已经在很大程度上提高了工程机械操作的智能化，且更加稳定、安全，操作更加简单方便。目前市场上出现了新型的嵌入式可编程控制器，在工程机械上使用率很高，使工程机械的操作指令更加简单，且现在的工程机械控制器具有很好的自我保护系统，在出现突发状况时能够得到很好的自我保护，该控制器在使用过程中更加简单、方便。

在控制器的编程环境、通信接口以及驱动协议等方面，工程机械控制器和其相关控制技术的研究在不断创新和完善的过程中形成了比较完善的标准，各个控制器生产研发厂家对控制器的研发生产都有着大体一致的标准，在控制器的故障检测方面都有所突破，通过GPS与GSM技术在工程机械控制技术中的应用，可对工程机械进行远程控制、GPS定位、远程的数据传输和获取等，使操作者可以远离工程机械的工作危险区域，提高操作人员的安全性。对工程机械控制器的研究也逐渐向着平台集中开发调度的方向发展。

3 工程机械控制器

3.1 控制器的工作原理

工程机械控制器的工作原理分为5个阶段，分别是控制器数据信息的分析与处理、与控制器的通信、输入扫描信息、执行内部程序、程序输出，当工程机械开始工作时，开启控制器的通信功能，实现对工程机械的通信处理，通过对工作程序的扫描，完成后对工程机械发出相应的工作指令，程序输出，输出端连接工程机械的控制部分，实现工程机械的预编控制。以上5个阶段为控制器的1个工作周期，控制器的工作为重复地按照此工作流程来进行执行。对于不同的控制要求和不同因素的影响，控制器的工作周期不会每次都相同，所以，要求控制器需要有较高的稳定性和安全性，如果工作扫描时间较长，则会导致控制器的响应时间比较慢，使控制器的控制准确度降低。

控制器扫描周期的时间等于控制器内部处理时间与通信传输时间、输入时间、程序响应时间、输出时间的总和。工程机械的控制器在进行程序编写时，需要程序编写者能够完整、准确地对程序进行编写，需要把计时程序和中断程序写入到控制器的总程序当中，使控制器能够安全、稳定运行。随着工程机械控制器研究的创新和发展，控制技术也在不断更新换代。这些技术可以更好地实现工程机械的实时控制，从而更好地提高工程机械的工作效率。

3.2 控制器的系统硬件组成

控制器系统硬件组成主要有控制模块、电源模块、数据传输存储模块、人机交互模块和状态监测模块。工程机械的控制器的电力来源是电源模块，该模块一般与工程机械的车载蓄电池相连接，电源模块为了避免电池供电电压不稳情况的发生，该模块装有滤波电容，使得电源的供电更加稳定、可靠，该模块还可以有效防止电路电流瞬间过大的情况发生，使工程机械的工作更加稳定、安全、可靠；控制模块为控制器最重要的组成部分，控制模块与工程机械的动力模块进行控制，实现工程机械的智能化实时监测控制，同时，控制器可以通过控制模块的串口与外部设备进行连接，实现系统的智能升级，从而实现工程机械的智能化先进控制；人机交互模块可对控制模块的工作数据进行实时监控和采集，并在显示屏中对采集的数据进行分析处理。

4 新型控制技术

4.1 嵌入式软PLC控制技术

PLC控制技术有较强的实用性，且PLC控制系统使用方法非常简单，易学易懂，且系统具有较强的抗外部环境干扰的优点，随着客户的要求不断增多，工程机械的工作也变得越来越复杂，如今对控制器提出了新的要求就是能够对工程机械进行实时故障诊断，这是传统的可编程逻辑控制器所不能完成的，所以，更加智能化的嵌入式可编程逻辑控制器控制技术由此而生。该控制技术的硬件结构是开放式的，操作指令比传统的PLC操作指令更加丰富，且在控制程序的开发方面变得更加简单，使工程机械控制技术的性价比得到了很大的提升。

4.2 以太网现场总线控制技术

在某些特殊的工作现场需要工程机械控制器之间进行一些数据的实时交换，该技术可以通过超高速的通信功能来提高工程机械信息交换的可靠性，可以实现工程机械某些无法完成的控制功能。现在大多数工程机械的制造企业都在研究适合在现场进行总线控制的控制器，并把此类控制器直接在工程机械的器件层上使用。

4.3 系统动力匹配及控制技术

液压系统动力匹配控制技术对工程机械的发动机起着非常重要的作用，发动机系统可以通过该技术来提高其工作效率。通过控制器对工程机械的动力系统进行实时监测，当由于特殊情况动力系统的负载发生变化时，控制器对其变化数据进行采集，并进行分析处理，然后对动力系统动力进行科学、合理的分配，防止机械动能不必要的浪费。此控制技术可以对工程机械的功率使用和分配进行优化处理，使工程机械能够在各种不同的工作环境中稳定、安全地运行。通过减轻工程机械的工作强度，使工程机械的工作和使用更加顺畅。通过合理匹配液压系统动力，使工程机械的各个部件能够在其工作额定工作强度之内，使工程机械能够达到标准的使用寿命和运行可靠性，满足不同环境的作业要求。

5 结束语

通过对工程机械控制器的发展和可编程控制器工作原理的研究和分析，简要介绍了原有的工程机械控制器的控制技术，并对一些新型控制技术进行功能优势描述。工程机械的更新换代需要控制器能够满足其新的要求和性能，由此使工程机械更加的智能化，更加安全、可靠。