PLC在液压挖掘机中的节能应用.pdf

1 62 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i ne r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 7期 2 0 1 0 年 7月 文章编号 1 0 01 3 9 9 7 2 0 1 0 0 7 0 1 6 2 0 2 P L C在液压挖掘机中的节能应用 吴 婷张 栋钱炳锋 上海电机学院 机械学院， 上海 2 0 0 2 4 5 Th e a p p l i a n c e o f PL C i n t h e e n e r g y s a V i n g c o n t r o l s y s t e m o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r WU T i n g ， Z HA N G D o n g ， Q I A N B i n g f e n g S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i D i a n j i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 5 ， C h i n a 【 摘要】 针对液 压挖掘机节能问 题， 提出 一 种用 基于P L C 控制器的电 控节能系 统。以 挖掘机中 液 6 6压泵与发动 机功率不匹 配为 解决源 头， 利用P L C系 统的多 兼容 性， 对挖 掘机各重要组成部分 进行控制， 实 9 9 时处理各输入输出信号， 并将监控信号传至上位机， 从而达到节能效果 ； v 关键词 P L C ； 液压系统； 功率匹配； 节能 5 6 【 A b s t r a c t 】 B a s e d o n t h e p r i n c ip l e of P L C p r o g r a m m e r ，p u t f o r w a r d 口 n e w m e t h o d of s a v in g - e n e r g y in 9 7 p o w e r s y s t e m of h y d r a u l ic e x c a v a t o r in t h e p a p e r ． U s in g t h e P L C c o n t r o l s y s t e m to c o n t r o l t h e im p o a a n t i i c o n s t i t u t e s of h y d r a u l ic e x c av at o r t o s o lv e t h e p r o b l e m of p o w e r m a t c h b e t w e e n e n g i ne a n d p u m p ． A n d 6 6 t r a n s m i t t h e 咖 t o u p p e r b l o c k ． Q 2 K e y w o r d s P L C ； H y d r a u l i c s y s t e m； P o w e r ma t c h ； S a v i n g - e n e r g y ，i ● ●● ● ● ●●● ● ●◇●◇●◇●◇●◇●0●◇● ●●◇●◇●◇●● ● ● ● ● ●● ● ●● ● ●●● ● ● ● 中图分类号 T H1 6 ， U 2 7 0 ． 1 文献标识码 A l l 商 液压挖掘机由于其工作状况复杂， 能量损失巨大， 节能技术 研究一直是现代液压挖掘机技术发展的热点和方向。 针对液压挖掘机的能量损失问题，利用 P L C控制器本身的 兼容性、 可靠性、 实施性， 结合液压挖掘机的技术特点， 提出以基 于P L C控制器的液压挖掘机电控节能系统。 2 节能原理 液压挖掘机的动力系统多采用发动机驱动、液压传动的形 式， 因此发动机与液压泵的功率匹配恰当与否决定着系统能量利 用率的高低及系统工作的平稳性。 针对常规液压泵与发动机匹配时存在发动机功率不能充分 利用的问题， 对于节能控制系统， 在进行发动机与泵的功率匹配 女来稿 日期 2 0 0 9 0 9 2 2★基金项 目 上海市晨光计划项 目 0 9 C G 6 9 ， 上海市教委项 目 0 6 V 2 0 0 1 ⋯，⋯，⋯】 ⋯】 ⋯⋯⋯’一⋯， ⋯l ⋯】 ⋯t⋯⋯⋯】 ⋯， 一 原因 之三 溢流阀 不稳 定引 起压力 波动和噪 声。 对此 应清洗、 3 ．3 油温过高 疏通阻尼孔 。 原因之四 换向阀的调整不当使阀芯移动太快， 造成换向冲 击， 因而产生噪声与振动。调整控制油路中的节流元件能有效避 免换向产生的冲击。 原因之五 机械振动， 管道固定装置松动， 在油液流动时， 引 起管子抖动。检修过程中应仔细检查各固定点是否可靠。 3 _2 液压传动系统发生爬行 原因之一 液压油中混有空气。因空气的压缩性较大， 含有气 泡的液体达到高压区而受到剧烈压缩使油液体积变小， 从而造成工 作部件产生 行。般可在高处部件上设置排气装置， 将空气排除。 原因之二 相对运动部件间的摩擦阻力太大或摩擦阻力的不 断变化， 使工作部件在运动时产生爬行现象。在检修中应重点检 查活塞、活塞杆等零件的形位公差及表面粗糙度是否符合要求， 同时应保证液压系统和液压油的清洁， 以免污物进入相对运动零 件的表面问， 从而增大摩擦阻力。 原因之三密封件密封不良使液压油产生泄漏而导致爬行。 这时要更换密封件， 检查连接处是否可靠 ， 同时对于旧设备也可 加大液压泵的流量来抑制爬行现象的产生。 原因之一 系统压力调定过高， 使油温过高。应适当降低调定值。 原因之二 液压泵和各连接处产生泄漏， 造成容积损失而发 热。这时应紧固各连接处， 并修理液压泵， 严防泄漏。 原因之三 卸荷时或安全阀压力开关工作不良， 使系统不能 有效地在空闲时卸荷， 造成油温上升。 应重新进行调节， 改善阀的 工作情况， 使之符合要求。 原因之四 油液粘度过高， 使内摩擦增大造成发热严重。 应改 用合适的液压油， 并定期更换。 原因之五 液压散热系统工作不良 。 散热系统表面随使用时间 的增加， 附着了灰尘， 降低了散热效果， 这时应对其做好清理工作。 4结论 通过以上分析发现，当C AK 6 1 4 0数控车床的液压系统发生 故障时， 采用逻辑分析逐步逼近诊断法， 通过“ 四觉” 诊断法， 即指 检修人员运用触觉、 视觉、 听觉和嗅觉， 无需专门仪器设备， 可以 有效地诊断出故障的原因， 并予以排除。 参考文献 1 徐小动． 液压与气动应用技术[ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 9 2 左键民． 液压与气动技术[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 7 第 7期 吴 婷等 P L C在液压挖掘机中的节能应用 1 6 3 时， 将泵的功率曲线设定在发动机的功率曲线之上， 如图 1 所示， 图中折线为泵的功率曲线，下面的曲线为发动机的功率曲线， 通 过控制发动机的油门和检测发动机的转速，控制器发出控制电 流， 通过电液比例减压阀调节泵的排量， 泵的功率输出始终在阴 影区内变化 ， 使泵始终在不低于发动机功率的状态下工作， 因而 可以完全吸收发动机的功率 ， 从而达到节能的 目的I J l。 Q 图 1电控泵与发动机的功率匹配曲线 3控制系统设计 3 ． 1总体设计 本节能控制系统基于 P L C控制器， 对挖掘机各重要部件， 如发 动机、 变量泵、 马达和各种控制阀进行控制， 提高可靠性和精度。实 现液压系统与负载、 发动机与变量泵系统的最佳综合控制， 使发动 机的功率输出更加合理， 降低液压挖掘机的燃油消耗和提高劳动生 产率口 。在控制系统中， 用电液比例泵代替普通恒功率泵， 用油门执 行器来控制发动机的油门位置，将作业工况分为三种功率模式 ， P L C控制器用来完成参数的采集、 运算、 决策、 控制信号的输出等。 控制系统硬件构成 ， 如图 2 所示 。 P L C控制器通过 I ／ O模块 、 各总线协议接入外部输入信号 包括开关 、 传感器、 电磁阀等 ， 通 过本身处理单元对数据进行分析处理， 并经由输出接口将控制信 号输出至执行机构 包括发动机， 液压泵等 。 图 2电控 系统结构图 由图2可知，本控制系统不仅能对控制信号数据进行采集 、 输出， 同时可将信号传至上位机、 图形监控系统等。 真正实现了三 电一体化 P L C将电控 逻辑控制 、 电仪 过程控制 和电结 运动 控制 这三 电集于一 体 。可对控 制器 、 驱动器 ， I ／ O设备 、 智能仪 表、 传感器等进行控制。 3 ． 2信号处理 如图3 所示，为本系统的信号处理系统图，其主要功能是 1 对各输入设备的信号进行采样； 2 进行模 玫， 数件 莫 转换 ； 3 中央处理单元对数据进行处理； 4 利用输出接E l 产生控制信号 ， 传输至各控制设备； 5 与上位机设备进行数据交换。 其信号处理模块要具有接受数据模块、 数据采集模块 、 发送 数据模块、 功率匹配控制的算法模块、 模式选择模块， 以及数据驱 动模块。除了这几个主要模块之外 ， 根据需要还可以编写保存重 要数据的数据存储器， 此模块不仅可以对数据进行存储， 并可与 外接编程器进行数据实时交换 ， 利用编程器 自身算法优势， 对系 统数据进行优化处理。 上 图形 EPR0 图 3信号处理系统 图 4 控制系统试验 基于上述控制系统结构和控制策略开发出的控制器在 2 O吨 挖掘机上作了装机测试。如图4所示， 当斗杆缸、 铲斗缸复合挖 掘、 动臂提升时的测试曲线。 图 4斗杆缸一 铲斗缸复合挖掘一 动臂提升的测试曲线 图中横坐标为试验数据记录点， 单位为毫秒； 左侧纵坐标表 示控制电流， 单位为毫安； 右侧纵坐标表示液压泵的负载压力， 单 位为 M P a 。图中下半部分曲线为泵 1 和泵 2的负载压力变化过程， 上半部分曲线为控制电流随负载压力的变化过程。由图可以看出 随着负载压力的变化， 控制电流也随之变化。因控制电流经放大后 控制反比例减压阀的二次压力变化 ， 该二次压力直接控制液压泵 的斜盘倾角， 使液压泵的流量随着负载的增加 减小 而减小 增 大 ， 从而使液压泵完全吸收发动机的功率， 实现了节能的目的。 5结束语 通过对液压挖掘机功率匹配的分析，提出了基于 P L C控制 器的节能控制系统。本控制系统利用了 P L C是集 自动控制技术、 计算机技术和通讯技术集于一身的特性。同时编程简单、 使用方 便 ； 设计 、 安装容易， 维护工作量少； 功能完善、 通用性好 ， 支持 R S - 4 8 5串行总线， C A N总线， P r o fi b u s 总线 ，以太网和其他现场工 业总线 。 试验结果表明， 上述匹配方法可行， 节能控制效果较好。 参考文献 1 魏 中奎 系统研究 [ 硕士学位论文 ] ． 长春 吉林 大学， 2 0 0 3 2郭勇， 陈勇 ， 何清华 ， 郝鹏． 从 I N T E R MAT 2 0 0 6看挖掘机 电控系统的发展． 工程机械， 2 0 0 6 ， 3 7 4 O 3 3 王兆义等． 小型可编程控制器实用技术． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 7