工程机械基于PLC的控制系统
作者：李侠郝付强
来源：《科学与信息化》2017年第01期
摘要工程机械中的PLC控制系统主要包含如下三个部分，分别是初始化、车上控制与遥控控制。

其中控制系统主要是控制数字的输入输出与模拟量的输入输出。

在当前的控制器选择中，可以选择可编程序控制器作为控制器的主要控制系统，然后选择几个相适应的模块，这样就可以满足控制系统对于数字以及模拟量的输入输出了。

而且，通过实验的验证，这项控制系统已经能够完全代替之前的人工手动控制了，在一定程度上大大地提高了工程机械的自动化。

关键词工程机械；PLC；控制
自从大规模的集成电路技术与通信技术进入高速发展之后，PLC技术也得到了大量的使用，与机器人技术、CAD/CAM并称现代自动化的三大支柱。

一开始，PLC的主要功能是对逻辑的控制，以替代传统的继电器的顺序控制与定时的控制等，到了现代，PLC技术可以完成复杂的逻辑控制，并具备了强大的数学运算、数据处理、运动控制等功能，与此同时，PLC在联网通信方面的功能也有了非常大的进步。

1 PLC控制功能的概述
某工程机械能够持续对开挖土方进行作业，但是工作的环境非常恶劣，并且存在一次性工作周期过长的问题，这样就造成了之前通用的人工手动操作变得十分困难，造成了实用性差的问题。

考虑到这些问题，需要对工程机械进行PLC控制的改进，并提高工程机械的使用效率与自动化的水平[1]。

首先分析该工程机械需要使用到的主要控制功能；例如：挖坑与挖壕，进行手动与自动的选择设置，对浮动功能的控制，对上升与下放的控制，挖掘链的上升下降、左右摆动的控制以及挡位的转换等。

考虑到工程机械工作的环境的问题，还需要增加车上控制与无线遥控两个控制回路，以实现可以在遥控的状态下实现对工程机械的控制。

下面分别介绍一些车上控制回路与无线遥控控制回路。

车上控制回路可以通过车上的开关量与模拟量的输入来对机械的行驶装置与工作装置进行控制，从而可以完成预设的工作内容，还可以对在作业过程中出现的错误操作或者异常情况进行报警或者做出其他的紧急处理。

而无线遥控回路可以对发送机的油门、机械的转向、挡位的更换、制动系统进行控制，主要是通过发送到PLC的信号，PLC在接收到信号之后将信号反馈给遥控器的处理单元，这样操作人员就可以了解机械的工作状态。

在无线遥控进行的控制作业中，遥控器也可以对机械的误操作进行报警以及进行灯光的提示，而如果发生无线中断，工程机械中的PLC系统则会自动的根据异常状况做出相应的处理。

2 对技术方案的实施
通过以上的分析可以看出，该控制系统主要的控制对象有报警灯，电磁阀，主要对翻转、升降，油缸摆动的控制，此外还有变量泵，主要是控制抛土器与挖掘链、液力变速器，对急停与换挡的控制，此外还有转向的控制装置与油门的控制装置等。

其中变量泵与转向控制的执行装置与油门的遥控控制装置都是模拟量的输入信号[2]。

在该控制系统中，需要控制的数字量差不多有38项，系统的控制流程比较复杂，为了满足工程以及控制器的需求，采用了西门子公司生产的S7-200系列的可编程序控制器，而将226型作为主要的控制系统，采用了两个EM235模块，一个EM232模块，一个EM223模块，采用这样的配置，就足能够满足控制系统对于数字量与模拟量的输入输出的要求了。

基于控制系统的流程可以参照下图。

3 对系统进行实现
系统的实现主要通过如下三部分完成：初始化、车上控制、遥控控制。

初始化。

系统的初始化主要包含两个部分，一是系统的自检：如果系统的本身携带了错误的信息或者是系统在运行的时候外部的环境没有达到要求，都会通过警报的方式来使控制系统停止工作。

其中系统自身的错误主要是扩展模块上电的正常与否的问题；外部运行的环境主要是为防止异常的发生而对系统面板进行的初始化位置的回归。

二是系统的遥控状态位的初始化：主要是对遥控状态位的初始化以及对自由端口的设置，通常情况下，系统使用的都是
RS485指令，因此需要对端口号、波特率、字符数据位进行设置以及对校验进行选择，对遥控状态位的初始化主要是对PLC寄存器中存在的状态值进行清除[3]。

系统通过自检之后，控制系统就可以根据工程机械中的开关状态来对机械上的控制方式进行判断，然后再根据不同的控制方式进入不同的控制程序。

车上控制。

这部分的工作主要是根据控制面板中开关的装置状态进行操作，如果是手动的操作，就意味着这些操作都是通过人工进行控制的，如果选择是自动操作，则需要对时间、转速以及工作模式进行设置，工程机械会根据设置进行自动操作。

遥控控制。

遥控控制与车上控制有一些相似，只是控制的信号是通过遥控器发出的。

因为工程机械的工作环境可能比较恶劣，以及距离变远的问题，控制系统为了安全考虑而进行了如下几项设计。

首先是在遥控器的工作状态之下，如果在4秒之内没有收到控制器发出的信号或者是指令，那么控制系统就会自动停止工程机械的工作，包括工程机械的挡位的复原，其他的例如抛土器与挖掘链条都会停止工作；其次是控制系统对于收到的指令都会做出一个是否有效的检验，判断的根据是在指令的尾部添加验证码，根据验证码来验证指令的有效性，如果指令有效就会执行，如果是无效的则直接进行抛弃；最后是为了预防数据的丢失而产生的遥控中断的问题，在系统的控制中，设置的是一问三答的模式，就是控制系统在收到一条遥控器发出的
指令之后都会做出三次回答，来返回工程机械当前的工作状态，其中每条回答的间隔是0.4秒。

在整个控制系统中，采取的都是模块化的控制程序，这种设计是PLC系统中使用最广泛，当然也是效果最好，最基本的方式。

在对程序进行结构的分析与设计中，最基本的前提就是将程序进行模块化的结构设计，根据系统的主要功能，以相对独立作为基本原则，设计出主要的控制程序以及相对应的子模块，还有两个中断模块，其实就是对遥控信号做出响应的模块[4]。

4 结束语
在将基于PLC的控制系统进行改造之后就能够在很大的程度上替代甚至是完全替代人工的手动控制，可以形成更高的性能以及效果，并可以在很大程度上提高PLC控制系统的自动化水平。

参考文献
[1] 谭羽.战地挖壕作业车电控系统学习与实现[D].长沙：国防科技大学机电工程与自动化学院，2005：22.
[2] 西门子中国有限公司.深入浅出西门子S7--200PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003：59.
[3] 高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例[M].北京：人民邮电出版社，2004：77.
[4] 赵松年.机电一体化系统设计[M].北京市：机械工业出版社，2004：49.。