工程机械控制器与其相关控制技术的研究秦立祥

秦立祥

摘要：工程机械控制器作为工程机械系统中的核心组成部分，对保障工程机械应用稳定、安全与可靠具有重要影响作用。随着工程机械自动化、智能化水平的不断提升以及工程机械在各领域各行业中的广泛应用，加强工程机械控制器及其相关控制技术的研究具有重要现实意义。基于此，在资料分析的基础上，从工程机械控制器工作原理入手，对工程机械控制系统组成结构、新型控制技术及其应用以及控制技术发展趋势进行了研究与分析，以供参考。

关键词：工程机械控制器；控制技术；工程机械

引言：电子行业与电子技术的高速发展推动了工程机械控制器的改革与创新，实现了原有模拟性工程机械控制器向程序编程式工程机械控制器的有效转变，实现了工程机械数据处理水平与控制能力的有效提升，加大了机械工程在多领域中的应用与推广。在此背景下，工程建设水平与质量得到提升，工作人员安全得到有效保障，为企业可持续竞争发展提供了新动力。因此，在知识经济下，面对日渐激励的市场竞争环境，加强工程机械控制器及相关控制技术的研究对社会建设与发展具有重要现实意义。

1工程机械控制器发展现状

工程机械控制器（Constructionmachinerycontroller）是工程机械控制系统中的核心，通过对工程机械整体结构中各设备传感器信息的有效采集，准确掌握工程机械实际操作情况，并依据工程机械控制器所具有的控制算法实现对工程机械实际操作情况的反馈控制，并根据操作人员提供的指令对工程机械进行控制，保证工程机械运行的稳定、安全与可靠[1]。

工程机械控制器依托于电子技术的创新发展与应用得到发展与进步，从早期的模拟电路、微控控制单元演变为以PLC（ProgrammableLogicController，可编程控制器）为核心的控制体系，在一定程度上促进了工程机械事业的优化发展。但是随着工程项目的不断发展，工程机械环境的复杂性加强，对工程机械性能与功能提出了更高的要求，PLC为核心的工程机械控制系统已经无法满足实际需求，工程机械控制器及其相关技术进入全新革新发展阶段。其中，嵌入式技术的应用不仅提升了控制器性能，也推动了工程机械控制系统低成本与小型化发展，基于IEC61131-3标准下的软PLC系统，推动了工程机械控制系统的可重构性发展。

由于我国工程机械控制器及其相关控制技术的研究起步较晚，多数工程机械控制器的核心技术仍掌握外国人手中，如力士乐的MC系列控制器（广泛应用于挖掘机、摊铺机、推土机等工程机械中）；芬兰公司设计生产的EPEC2000系列控制器（广泛应用于电液控制系统中，可实现多点PWM输出，进行过载保护）；TTControl的TTC-50系列控制器（适用于恶劣环境下操作，系统可调试性较强）等等[2]。而SYMC(SANYMotionControlle）控制器是国内具有完全自主知识产权的工程机械控制器典型代表，被广泛应用于泵车、摊铺机、起重机等工程机械中，具有操作性、可靠性强，成本低等优势，随着SYMC控制器的不断改进，将趋向于故障自动化诊断的方向发展[3]。总而言之，工程机械控制器及其相关控制技术的创新与改革对提升工程机械性能具有重要现实意义，随着科学技术以及工程机械运行要求的不断提升，现有工程机械控制器及其相关控制技术逐渐走向成熟，并趋向进一步的创新发展。

2工程机械控制器工作原理与组成结构

2.1工程机械控制器的组成结构

通常情况下，工程机械控制器系统主要由硬件系统与软件系统共同组成，其中硬件系统主要由电源板块、控制板块、人机交互板块、数据传输与存储板块、工程机械运行状态监测板块等共同组成。

电源板块主要作用在于为控制器进行电能供应，通常与工程机械车载蓄电池相连接。一般情况下，工程机械供电系统所配设的电源多为+24v低压直流电源，电源在使用过程中存在浪涌电压并在一定程度上回会对工程机械控制器后级电路产生影响，加之工程机械实际运行中受其他因素的影响形成控制器电路损坏，对此在系统设计时，可在工程机械控制器与电源之间配置一定的保护电路，用以提升供电稳定性与安全性。例如，借助过压保护芯片MAX16127，设计电源保护电路，实现过压保护、线路抛负载保护、防反接保护（图1）。

控制板块是工程机械控制器系统中的核心板块，其设计的科学性与有效性对保障控制器功能的充分发挥，提升控制器系统运行的稳定与安全具有重要现实意义。通常情况下，控制板块一方面与工程机械的动力系统相连接，用以实现对工程机械各设备的自动化、智能化控制；另一方面与通信与调试接口相关联，用以进行外部系统升级。随着科学技术的创新发展与应用，为提升工程机械控制器系统整体性能，控制板块逐渐趋向于微型化、智能化发展。控制板块微型化的设计对满足工程机械在恶劣工作环境中的工作需求具有重要现实意义。

图1电源模块设计中的过压保护电路

人机交互板块侧重于信息的具体显示，借助LCD液晶显示器，利用文字、图形等媒介进行信息传达，同时用户可利用计算机实现参数设置。

数据传输与存储板块，基于信号转换实现工程机械各方面信息（工程机械信号、控制器状态信号）的采集、处理与传输，便于工作人员对工程机械运行状态进行掌握。

工程机械运行状态监测板块则侧重于对工程机械运行状态情况进行检测与监督，针对存在的问题进行信息反馈，实现问题的及时与有效处理[4]。而工程机械控制器软件系统的设计，侧重于数据的编写与代码的输入，通常可利用uCOS-II系统进行设计，并利用代码实现操作系统的有效移植。

2.2工程机械控制器的工作原理——以可编程工程机械控制器为例

就PLC可编程工程机械控制器而言，工程机械控制器在实践工作过程中需通过工程程序扫描，进行内部信息、控制器通信信息的分析与处理，根据指令执行程序，并通过输出操作进行工程机械控制。具体分析如下：当工程机械启动后，工程机械控制器的通信功能相应开启，实现对工程机械各设备间通信的有效连接，保证工程机械通信的有效性。与此同时，系统对工程机械工作程序进行扫描并根据扫描得到的结果对工程机械下发具体行动指令，基于程序输出实现工程机械预编控制。在“内部信息处理—控制器通信处理—输入扫描—程序操作—输出处理”循环作用下实现控制器对工程机械控制功能与作用的发挥。通常情况下，工程机械工作需求不同，控制器运行周期时间也不同，而控制器运行周期与控制器系统整体性能存在密切关联性。对此，在工程机械控制器系统设计过程中，需综合分析控制器运行各环节的影响因素，如控制器内部信息处理与网络传输之间的关系，程序输出与控制器存储情况之间的关系等等，保证代码输入的准确性、科学性。

3工程机械控制器的控制技术

3.1几种新型控制技术分析

3.1.1嵌入式软PLC控制技术

工程机械环境的复杂性决定了传统PLC技术改革的必要性与重要性。随着科学技术的创新发展与应用，嵌入式软PLC控制技术得以研发与应用。嵌入式软PLC控制技术实现了软PLC技术与嵌入式系统的有机结合，促进了软PLC技术与嵌入式系统优势的共同体现。例如，其硬件系统结构的开放性得到大幅度提升，可根据自身的实际需求，用户进行硬件平台的科学构建；工程机械控制系统指令集变得更为丰富，提升了控制器应用的简便性，加之嵌入式芯片技术的高速发展，芯片的处理能力得到提升，控制器中央处理器实现16位技术到32位技术、61位技术的转变，嵌入式软PLC控制其整体能力得到强化；IEC61131-3语言标准使嵌入式软PLC控制技术的应用变得更为简单，有效缩短了嵌入式软PLC控制器研发周期，通过配置PLC网络提高控制器智能化控制水平，推动系统资源调度与维护管理质量的提升。

3.1.2以太网与现场总线技术

以太网与现场总线技术的应用有效提升了工程机械控制系统的自动化水平，为工程机械控制器与控制器之间的通信提供了良好平台，保证了信息交换的稳定性与可靠性，从而实现工程机械功能的丰富。目前，在工程机械设计与制造过程中，越来越多的研究人员侧重于研究符合以太网与现场总线控制技术应用条件的工程机械控制器，并将其配置到底层控制网络体系中，实现开放性思维与决策在工程机械控制系统中的科学渗透，促进控制系统整体性能的提升。

3.1.3液压系统动力匹配及控制技术

液压系统动力匹配及控制技术是机电一体化发展下，工程机械液压系统设计应用中较为常见的技术。它有效实现了工程机械中各部位技术间的连接，促进了工程机械液压理论、自动化控制技术、发动机技术、计算机网络技术等的有机结合，从而实现工程机械性能的优化，增强工程机械环境适应能力，保证工程机械运行的节能、高效、高质与安全。例如，工程机械在运行过程中，当负载出现变化时，工程机械中的控制器可以对其存在的变化进行自动监测与调节，是公路得到科学分配从而在最低能耗消耗下满足工程机械运行过程中最大功率需求。

3.1.4伺服驱动技术

随着工程机械设备对变频调速功能需求的日渐提升，伺服技术将得到进一步的发展与应用，高性能的伺服驱动装置应用将成为当前工程机械控制器系统设计与发展的一种必然趋势。通常情况下，伺服驱动器可依据控制对象实际情况分布在位置、速度、力矩控制模式中，通过不同给定方式（模拟量、通讯、参数设置等）进行伺服驱动控制，满足工程机械设备高精度、高效率、高品质运行需求。随着电子技术、微控制技术、计算机技术等的高速发展，伺服驱动技术得到进一步的完善，伺服系统实现了与CNC系统的相配套，如力士乐公司、Kollmorgen公司、德国Siemens公司在产品生产与加工过程中，提供了全数字交流伺服系统。

3.2控制器及相关控制技术发展趋势

在科学技术不断创新，工程机械控制器及相关技术深入研究下，工程机械控制器及相关控制技术将得到进一步完善与革新，呈现出如下发展趋势：

其一，信息化发展。随着工程机械控制器与定位系统、无线通信技术等的结合应用，工程机械控制器的通信水平与数据处理能力将得到进一步发展，从而推动工程机械信息化水平，满足工程机械的远程定位监控、远程作业指导与远程故障诊断需求。例如，就我国工程机械行业实际运营情况而言，由于工程机械行业常通过银行按揭形式进行产品销售，对此，可采用远程监控手段实现数据采集与分析，对用户还贷能力进行动态评估，实现借贷风险的有效防治。而在此背景下，工程机械控制器将与物理网网络通信技术、精准定位技术等进行有机结合，从而实现远程工况数据分析与处理。

其二，高标准化发展。即随着工程机械控制器及其相关控制技术理论与实践研究的不断完善，控制器及其相关技术在发展过程中将形成一定的标准，如通信接口标准、网络协议标准、控制器材料标准、编程条件标准等等。这在一定程度上将推动工程机械设计与制造行业的规范化、标准化发展。

其三，高可靠性发展。即控制技术的不断进步与控制器设计理论、设计方法的不断革新，工程机械控制器的可靠性将得到进一步提升。例如，适用于工程车辆中的EPEC2000系列控制器相对传统控制器而言，其防护等级得到大幅度提升，工作温度范围加宽，加之CAN通信接口、抗电磁干扰设备等的科学配置，提升了工程机械应用的可靠性与安全性，使其在恶劣的工程环境下仍能够得到较好的应用。

其四，故障诊断智能化发展。在工程机械控制系统中，基于计算机网络技术、信息技术等的应用，可有效实现对各传感器信号的检测，并在专家知识库应用下，实现对工程机械设备运行情况的科学、有效评估，从而实现机械设备运行故障的检测，并向工作人员发出预警，指导工作人员进行设备故障检查与排除。

其五，知识库集成化发展。随着社会对工程机械性能与功能需求的不断提升，为协调好工程机械功能与性能之间的关系，保证工程机械在多样化环境下运行的稳定、安全与可靠，相关企业试探在工程实践经验总结的基础上，采用知识库形式进行控制器系统的二次开发，实现知识库集成化发展，完成对工程机械多任务的统一规划与调度。例如，力士乐企业应用西门子16位微处理器，依据控制器输入与输入点点数以及根据控制器内部存储情况，实现MC6控制器、MC7控制器以及MC8控制器的开发。与此同时，针对摊铺机、履带式推土机等机，试采用专用控制算法进行功能块优化设计，提升工程机械控制器的专业化水平。

结论

总而言之，工程机械性能的提升是促进社会生产力水平与能力提高的主要动力。工程机械控制器作为工程机械控制系统中的核心，其性能的高低直接影响工程机械性能的强弱。因此，在明确认知工程机械控制器工作原理与工程机械控制系统组成结构的同时，应加强控制器及相关控制技术的创新与应用，促进我国工程机械事业的优化发展，为工程建设与社会发展奠定良好基础。

参考文献

[1]雷卫兵,马旭,郭进,肖明雨.应用于工程机械发动机的七种转速控制方法[J].工程机械与维修,2016(07):42-43.

[2]周培明,吴卫国,王文博,牛亚松.一种工程机械控制器性能测试系统设计[J].建筑机械,2016(01):75-79+82.

[3]刘国鹏.基于CANopen通信协议的工程机械控制器在掘进机中的应用[J].煤矿机电,2015(03):81-84.

[4]赵明辉,王志伟,马文宇.工程机械控制器温度测量系统误差校准[J].建筑机械,2015(02):103-106.