摘要:针对农用挖掘机的工作特性和需求，提出了一种基于S7－200PLC控制器的农用挖掘机电气控制系统，分析了系统整体框架和实际需求，给出了PLC电气控制系统的软硬件设计。试验结果表明:农用挖掘机可以实现发动机启停控制、转速切换控制、挖掘作业操作和行走控制，对农业现代化的发展具有一定的积极意义。
关键词:农用挖掘机;电气控制;PLC;S7－200
0引言
农用挖掘机是一种大型工程机械，主要用于农业种植、园林绿化、果园挖沟施肥、小型土石方工程、市政工程、路面修复、地下室及室内施工、混凝土破碎、埋设电缆、自来水管道的铺设、园林栽培等作业。为此，以农用挖掘机为研究对象，设计了一套基于PLC的农用挖掘机电气控制系统，可以实现对农业种植、园林绿化过程中挖掘作业的控制。
1农用挖掘机系统总体分析
1．1农用挖掘机整体框架
以农用挖掘机为研究对象，其整体结构如图1所示。农用挖掘机主要包括操纵、动力、传动、行走、回转、减速、照明、电气控制等装置和系统，工作原理如下:由动力系统将柴油的化学能转换为机械能，由液压泵将机械能转化成液压能;然后，液压系统的能量传送到各个执行部件，会被转换为机械能，驱动各个机构的正常运转。农用挖掘机的主要动力传输线路如下:1)农用挖掘机行走动力传输:柴油发动机→联轴关节→液压系统→分配阀→中央回转接头→行走马达→减速箱→驱动轮→行走履带→农用挖掘机前行或后退。2)农用挖掘机动臂传输:柴油发动机→联轴关节→液压系统→分配阀→动臂油缸→农用挖掘机动臂运动。
1．2农用挖掘机功能需求与指标
农用挖掘机主要用于农业种植、园林绿化等作业，其主要的功能需求为:①对目标物体进行挖掘作业;②铲斗容量为0．06m3;③可以360°自由回转;④回转速度为10～12r/min，爬坡角度最大为35°，挖斗最大挖掘力为14kN。除了以上功能需求，农用挖掘机还具备油温控制、液压系统监测、故障实时监测和报警等功能。
1．3农用挖掘机电气控制系统整体方案
农用挖掘机主要由电气控制、液压控制和机械控制等三大系统构成，实际作业过程需要这三部分协调来完成。本文主要对农用挖掘机的电气控制系统进行研究和分析，根据农用挖掘机的工作特性和作业要求，设计了如图2所示的电气控制系统框架。
2农用挖掘机电气控制系统硬件设计
2．1电气控制系统电源模块的设计
电源模块是农用挖掘机电气控制系统的能量来源。其中，主油泵、液压泵和风冷却等3个功率最大的电机需要采用440V的交流电供电;照明设备和铲斗、回转等模块需要采用220V交流电供电;其他传感器检测电路、电磁阀和人机交互等模块采用24V直流电供电。440V交流电由农用挖掘机发电机直接提供，其他电源则需要经过变压器和降压电路后产生。
2．2电气控制系统电液动力模块的设计
电液动力模块是电气控制系统的能量转换和传输核心，主要负责主油泵、液压泵和风冷却等模块。其中，主油泵电机功率最大，采用星三角的启动方式控制，并且由KM10、KM13和KM15等3个开关进行控制;液压泵和风冷却两个电机的功率相对比较小，采用直接启动的方式进行控制，分别由KM11和KM12进行控制。
2．3电气控制系统PLC控制模块的设计
PLC是农用挖掘机电气控制系统的核心控制模块，其操作控制信号采用摇杆、位置开关等和PLC输入端相连，能够实现实时有效的控制。根据前文的控制要求，该PLC控制系统分别需要12个和8个输入/输出点数，兼顾以后的维护和扩展。本文采用西门子公司的S7－200控制器。
3农用挖掘机电气控制系统软件设计
农用挖掘机的挖掘、松开、起升等动作都由PLC软件进行控制，控制程序采用IEC1131－3语言。农用挖掘机电气控制系统软件设计采用顺序控制法，可以分为手动和自动两种控制方式。
4试验与测试
为了验证农用挖掘机电气控制系统的可靠性和可行性，完成设计后在某果园种植区进行了实际的作业测试。结果表明:农用挖掘机可以实现发动机启停控制、转速切换控制、挖掘作业操作和行走控制。作业过程中，还可以对农用挖掘机的状态进行检测，并对故障进行报警。
5结论
针对农业自动化技术的发展需求，以农用挖掘机为研究对象，设计了一种基于PLC的农用挖掘机电气控制系统。系统对农用挖掘机系统总体结构进行了分析，并从软硬件两部分设计了PLC电气控制系统。试验结果表明:农用挖掘机可以实现发动机启停控制、转速切换控制、挖掘作业操作和行走控制，对农业现代化的发展具有一定的积极意义。
作者:李静 梁文波 单位:新乡职业技术学院 河南经济贸易技师学院
