基于PLC的電動挖掘機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計論文

石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計基于PLC的電動挖掘機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計DesignoftheVariableFrequencyControlSystemoftheElectricExcavatorBasedonPLC2013屆機械工程學(xué)院專業(yè)測控技術(shù)與儀器學(xué)號20090822學(xué)生姓名指導(dǎo)教師 完成日期2013年6摘要電動挖掘機價格低，耗能少，無污染，在礦山、交通、建筑尤其是城建市政現(xiàn)場施工中應(yīng)用廣泛。隨著國家各項重點工程的的相繼開工，電動挖掘機的需求量將迅速增漲。變頻調(diào)速系統(tǒng)作為挖掘機的“心臟”，直接影響挖掘機的工作效率，所以研究電動挖掘機的變頻調(diào)速系統(tǒng)對節(jié)能和環(huán)保具有重要意義。論文分析了傳統(tǒng)發(fā)動機作為動力的調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計了用電動機和變頻器替代傳統(tǒng)發(fā)動機作動力的調(diào)速控制系統(tǒng)總體方案。進行了系統(tǒng)建模和PID參數(shù)整定。由PLC輸出控制信號到變頻器，變頻器將電動機轉(zhuǎn)速調(diào)整到相應(yīng)的數(shù)值，轉(zhuǎn)速傳感器反饋轉(zhuǎn)速信號給PLC，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用GXDeveloper軟件設(shè)計了：手動調(diào)速、自動調(diào)速、自動怠速、PID調(diào)節(jié)、AD、DA、看門狗等模塊。用Protel軟件設(shè)計了PLC和變頻器的相關(guān)接口電路、電源電路、轉(zhuǎn)速測量電路、抗干擾電路。進行了PLC、AD和DA模塊、變頻器、電動機、轉(zhuǎn)速傳感器的選型。使用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計了人機交互界面，操作和維護方便。在實驗室搭建了控制系統(tǒng)平臺，對部分硬軟件進行了調(diào)試，效果良好，達到了設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：電動挖掘機、步進電機、變頻器、PLC、組態(tài)軟件。

AbstractElectricexcavatorshavemanyadvantages：Lowcost,lowpowerconsumptionandlesspollution.Itiswidelyusedinmining,transportation,construction,especiallyinurbanconstruction.Withthestate'skeyprojectshavebeenstarted,thedemandofelectricexcavatorwillriserapidly.Asthe"heart"oftheexcavator,Frequencycontrolsystemdirectlyaffectstheefficiencyoftheexcavator,soitisimportantforenergy-savingandenvironmentalprotectiontostudythefrequencycontrolsystemofelectricexcavator.Inthispaperweanalyzedthetraditionalcontrolsysteminwhichengineisthepower,anoverallprogramisdesignedthatmotorandconverterreplacetraditionalengine-poweredspeedcontrolsystem.SystematicmodelingandPIDparametertuningareconducted.PLCoutputcontrolsignalstotheinverter,theinverterwilladjustthemotor’sspeedtoanappropriatevalue,thespeed??sensorfeedbacksspeedsignaltothePLC,aclosedloopcontrolsystemisformed.WedesignedafewblockswiththeGXDeveloperprogrammingsoftware:Manualcontrol,automaticcontrol,automaticidlespeed,PIDregulation,AD,DA,watchdogmodules.WithProtelsoftwarewedesignedthePLCandinverterrelevantinterfacecircuit,powercircuit,speedmeasuringcircuit,anti-jammingcircuit.AselectionofPLC,ADandDAmodules,inverter,motor,speedsensorisconducted.AHumanMachineInterfaceisdesignedwithMCGSconfigurationsoftware,operationandmaintenanceareeasy.Acontrolsystemplatformisbuiltinthelaboratory,adebuggingiscarriedoutonpartofhardwareandsoftware,designrequirementsareachievewithgoodeffect.Keywords:electricexcavator、steppermotor、inverter、PLC、configurationsoftware.

目錄第1章緒論 11.1課題來源以及重要意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.2.1國內(nèi)發(fā)展及現(xiàn)狀 11.2.2國外發(fā)展及現(xiàn)狀 21.3關(guān)鍵技術(shù)與技術(shù)難點 3第2章主要技術(shù)指標和主要功能 52.1技術(shù)指標 52.2主要功能 52.3預(yù)期達到的成果及其形式 6第3章總體設(shè)計方案 73.1設(shè)計思想 73.2技術(shù)路線 73.3設(shè)計原理 7第4章控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立和PID參數(shù)整定 104.1控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立 104.1.1輸出電壓與轉(zhuǎn)速差的轉(zhuǎn)換模型 104.1.2變頻器模型建立 104.1.3電動機模型建立 104.1.4系統(tǒng)傳遞函數(shù) 114.2PID參數(shù)整定 12第5章硬件設(shè)計 135.1電路設(shè)計 135.1.1變頻器和PLC的相關(guān)接口電路 135.1.2變量泵轉(zhuǎn)速檢測電路 145.1.3供電電路設(shè)計 155.1.4抗干擾設(shè)計 165.1.5觸摸屏設(shè)計 165.2硬件選型 175.2.1PLC選型 175.2.2電動機的選型 195.2.3變頻器的選型 195.2.4AD/DA模塊選型 205.2.5轉(zhuǎn)速傳感器的選型 21第6章軟件設(shè)計 246.1軟件設(shè)計語言和準備工作 246.2程序模塊 256.2.1轉(zhuǎn)速控制 256.2.2發(fā)動機自動怠速 276.2.3行進控制 286.2.4AD轉(zhuǎn)換 29.5DA轉(zhuǎn)換 296.2.6軟件抗干擾設(shè)計 306.2.7MCGS程序設(shè)計 306.3MCGS操作界面設(shè)置 316.4MCGS軟件與PLC的通信 326.4.1PLC設(shè)置 326.4.2串口父設(shè)備設(shè)置 326.4.3本設(shè)備屬性和內(nèi)部屬性設(shè)置 326.4.4通信故障分析 33第7章實驗與結(jié)果分析 347.1實驗系統(tǒng)搭建 347.2實驗結(jié)果分析 34第8章技術(shù)創(chuàng)新點及經(jīng)濟效益分析 358.1技術(shù)創(chuàng)新點 358.2經(jīng)濟效益分析 358.2.1能源分析 358.2.2維護分析 358.2.3運行效率分析 36第9章結(jié)論與展望 37結(jié)論 37展望 37參考文獻 38致謝 39附錄 40附錄A：外文資料翻譯。 40附錄B：PLC程序 54附錄C：電氣原理圖 57第1章緒論課題來源以及重要意義挖掘機作為施工機械中的中流砥柱多年來為施工單位所依賴，挖掘機馬力強勁，功能多樣，有著較強的不可替代性。尤其是在科學(xué)技術(shù)突飛猛進的今天，人們對挖掘機的要求越來越高，不僅對其動力系統(tǒng)的要求在提高，在操作的舒適度、能耗和尾氣排放上都比原來要求更高了。還好有一直在進步的科技基礎(chǔ)作為支撐，使人們對挖掘機的改造和創(chuàng)新進入了一個新的時代。在世界資源嚴重匱乏、石油天然氣價格猛增的今天，對機械設(shè)備的動力來源改造越來越多地被提上課題，人們在努力尋找一種可再生的新型能源替代石油天然氣等不可再生而且會造成環(huán)境污染的能源，于是我們看到了大街上的出租車公交車的動力都由傳統(tǒng)的石油燃料轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏推渌稍偕茉矗@樣不僅大大提高了能源利用率而且減輕了環(huán)境的負擔(dān)。挖掘機也不例外，國內(nèi)已經(jīng)有很多公司注意到了電動挖掘機的商機，開始努力研究并且批量生產(chǎn)以電力為動力來源的挖掘機，在這篇論文中，我們也將對電動挖掘機進行深入的研究和探索。自從PLC誕生以來，人們對電氣系統(tǒng)的控制就更加方便和安全了，本設(shè)計在PLC控制的基礎(chǔ)上配合變頻調(diào)速裝置，運用先進的PID控制技術(shù)，不但成功解決了對挖掘機整體的控制問題，而且效果超越了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀挖掘機從發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)走過178年的歷史，期間經(jīng)歷過從人力到蒸汽再到液壓驅(qū)動。作為工程機械行業(yè)里的“明珠”，挖掘機的發(fā)明和發(fā)展對節(jié)省人力提高工作效率發(fā)揮了巨大作用。國內(nèi)發(fā)展及現(xiàn)狀我國挖掘機發(fā)展起步較晚。1967年，我國有少數(shù)幾家工廠開始研究開發(fā)液壓挖掘機，通過數(shù)年堅持不懈的努力，克服一個又一個的困難，終于有少量幾種規(guī)格的液壓挖掘機產(chǎn)品獲得初步成功，當時有上海建筑機械廠的WY100；貴陽礦山機器廠的W4-60；合肥礦山機器廠的WY60；長江挖掘機廠的WY160和杭州重型機械廠的WY250等。這為我國液壓挖掘機行業(yè)的形成邁出了重要的一步。在此同時，涌現(xiàn)出幾十位我國第一代液壓挖掘機的研究、開發(fā)人員。近年來國內(nèi)一批工程機械零部件企業(yè)正在快速成長，部分企業(yè)已經(jīng)研究出具有高精尖技術(shù)的變速器、驅(qū)動橋及液壓閥等產(chǎn)品，并且一部分國內(nèi)工程機械主機生產(chǎn)商開始投資建立自己的配套件工廠，依靠自身雄厚實力共同推進配套件行業(yè)的發(fā)展。在2009年初國務(wù)院審核通過的裝備制造業(yè)調(diào)整振興規(guī)劃中，首次對工程機械用配套零部件提出了發(fā)展規(guī)劃要求和政策支持，部分國外液壓件企業(yè)紛紛在中國合資建廠，這也給國內(nèi)配套件企業(yè)拉近與行業(yè)先進水平的距離提供了良好的平臺。目前我國的電動挖掘機市場如雨后春筍，百家爭鳴。比較有代表性的有：洛陽聚科特種工程機械生產(chǎn)的中小型電動挖掘機；四川邦立重機有限責(zé)任公司生產(chǎn)的CED260-6型電動液壓挖掘機；山東山特重工機械生產(chǎn)的HXB-55型礦用電動挖掘機。國內(nèi)電動挖掘機生產(chǎn)廠商通過不懈努力，正在一步步掌握電動挖掘機的核心科技。國外發(fā)展及現(xiàn)狀1833～1836年，美國人奧蒂斯設(shè)計和制造了第一臺蒸汽機驅(qū)動、鐵木混合結(jié)構(gòu)、半回轉(zhuǎn)、軌行式的單斗挖掘機，生產(chǎn)率為3520世紀40年代，有了在拖拉機上裝配液壓反鏟的懸掛式挖掘機。20世紀50年代初期和中期相繼研發(fā)出拖式全回轉(zhuǎn)液壓挖掘機和履帶式全液壓挖掘機。20世紀80年代開始生產(chǎn)特大型挖掘機。例如，美國馬利昂公司生產(chǎn)的斗容量為50-150m3的剝離用挖掘機，斗容量為l32m3的步行式拉鏟挖掘機；B-E公司生產(chǎn)的斗容量為168.2m3國外挖掘機生產(chǎn)廠商重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)，加快標準化、系列化、通用化發(fā)展速度。例如，德國阿特拉斯公司生產(chǎn)的挖掘機裝有新型的發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，使挖掘機按最適合其作業(yè)要求的速度來工作；美國林肯貝爾特公司C系列LS-5800型液壓挖掘機安裝了全自動控制液壓系統(tǒng)，可自動調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動功率的浪費；還安裝了CAPS(計算機輔助功率系統(tǒng))，提高挖掘機的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)的功能；日本住友公司生產(chǎn)的FJ系列五種新型號挖掘機配有與液壓回路連接的計算機輔助功率控制系統(tǒng)，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃油、發(fā)動機功率和液壓功率的消耗，并延長了零部件的使用壽命；德國奧加凱(O&K)公司生產(chǎn)的挖掘機的油泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神鋼公司在新型的904、905、907、909型液壓挖掘機上采用智能型控制系統(tǒng)，即使無經(jīng)驗的駕駛員也能進行復(fù)雜的作業(yè)操作;德國利勃海爾公司開發(fā)了ECO(電子控制作業(yè))的操縱裝置，可根據(jù)作業(yè)要求調(diào)節(jié)挖掘機的作業(yè)性能，取得了高效率、低油耗的效果；美國卡特匹勒公司在新型B系統(tǒng)挖掘機上采用最新的3114T型柴油機以及扭矩載荷傳感壓力系統(tǒng)、功率方式選擇器等，進一步提高了挖掘機的作業(yè)效率和穩(wěn)定性。韓國大宇公司在DH280型挖掘機上采用了EPOS電子功率優(yōu)化系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動機負荷的變化，自動調(diào)節(jié)液壓泵所吸收的功率，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速始終保持在額定轉(zhuǎn)速附近，即發(fā)動機始終以全功率運轉(zhuǎn)，這樣既充分利用了發(fā)動機的功率、提高挖掘機的作業(yè)效率，又防止了發(fā)動機因過載而熄火。

關(guān)鍵技術(shù)與技術(shù)難點(1)MCGS對PLC的通信和控制。MCGS設(shè)備窗口是MCGS系統(tǒng)的重要組成部分，負責(zé)建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接，使得MCGS能從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對工業(yè)過程的實時監(jiān)控。在設(shè)備窗口內(nèi)配置不同類型的設(shè)備構(gòu)件，并根據(jù)外部設(shè)備的類型和特征，設(shè)置相關(guān)的屬性，將設(shè)備的操作方法，如硬件參數(shù)配置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、設(shè)備調(diào)試等都封裝在構(gòu)件之內(nèi)，以對象的形式與外部設(shè)備建立數(shù)據(jù)的傳輸通道連接。運行過程中，設(shè)備構(gòu)件由設(shè)備窗口統(tǒng)一調(diào)度管理，通過通道連接，向?qū)崟r數(shù)據(jù)庫提供從外部設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，從實時數(shù)據(jù)庫查詢控制參數(shù)，發(fā)送給系統(tǒng)其它部分，進行控制運算和流程調(diào)度，實現(xiàn)對設(shè)備工作狀態(tài)的實時檢測和過程的自動控制。MCGS的這種結(jié)構(gòu)形式使其成為一個與設(shè)備無關(guān)的系統(tǒng)，對于不同的硬件設(shè)備，只需定制相應(yīng)的設(shè)備構(gòu)件，放置到設(shè)備窗口中，并設(shè)置相關(guān)的屬性，系統(tǒng)就可對這一設(shè)備進行操作，而不需要對整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作任何改動。最后用SC-09編程電纜連接PLC和電腦。(2)PID控制本實驗的核心程序中用到了PID控制[1]，很好地解決了轉(zhuǎn)速控制這個問題。常規(guī)的PID控制器設(shè)計容易、適用面廣、可靠性高，是現(xiàn)在應(yīng)用很廣泛的一類基本的控制器，對于參數(shù)固定并且非線性不嚴重的被控對象有很好的控制效果。但是本設(shè)計中的挖掘機，在不同的作業(yè)環(huán)境、負荷、干擾因素下，其參數(shù)是不斷變化的。必須對PID參數(shù)進行調(diào)整，才能使控制效果達到最優(yōu)。將誤差的比例(P)，積分(I)，微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制，故稱PID控制器。比例控制是一種簡單的控制方式。其輸入和輸出誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。在積分控制中，控制器的輸出和輸入信號的積分成正比關(guān)系，對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則這個系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入積分項。誤差取決于對時間的積分，隨著時間的增加誤差會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而增大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例和積分控制器可以使系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。在微分控制中，控制器的輸出和輸入誤差信號的微分成比例關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能出現(xiàn)震蕩甚至失穩(wěn)。原因是可能存在過大的慣性環(huán)節(jié)或者滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決辦法就是使誤差接近零的時候，抑制誤差的作用也是零。這就是說，在控制器中引入比例項是不夠的，比例項的作用僅僅是放大誤差的幅值，目前需要引入的是積分項，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例加微分的控制器就能提前使抑制誤差的作用等于零，避免出現(xiàn)嚴重超調(diào)。(3)轉(zhuǎn)速的測量轉(zhuǎn)速的測量作為整個閉環(huán)控制系統(tǒng)中的重要一環(huán)，其準確度和實時性直接影響到了PLC對后續(xù)變頻器的控制。實驗中要求測量實時轉(zhuǎn)速并且輸入到PLC進行處理，但是這一過程并不簡單。電磁式轉(zhuǎn)速傳感器的輸出量是正弦波，輸出量一般不會十分完美，所以在輸入PLC的AD模塊之前還要經(jīng)過二極管進行整流，然后經(jīng)過比例放大器進行放大，才能輸入到三菱FX-2N-4AD模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。(4)抗干擾設(shè)計在工業(yè)現(xiàn)場，在距離較遠的電氣設(shè)備、儀表、PLC控制系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)之間進行信號傳輸時，往往存在干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至誤操作。變頻器輸入的動力電源為三相交流380V電源，而PLC的供電電源為直流24V，兩者之間差距巨大，電動機的電控系統(tǒng)很容易被動力電源所影響。為了將電控系統(tǒng)和供電電網(wǎng)的電源隔離開，消除因公共電阻引起的耦合，減少負載波動的影響，同時也為了安全，常常加入適當?shù)目垢蓴_設(shè)計。

第2章主要技術(shù)指標和主要功能技術(shù)指標(1)電動機電源[2]：交流380V(2)控制系統(tǒng)電源：直流24V，負極搭鐵，主體單線制(3)溫度：環(huán)境溫度(4)電動機：90kW(5)起動機：由發(fā)動機確定(6)鏟斗容量：27m(7)起重臂傾角：45°(8)起重臂長度：(9)斗桿有效長度：主要功能(1)轉(zhuǎn)速控制。轉(zhuǎn)速控制是本設(shè)計的核心部分，通過硬件和軟件的結(jié)合設(shè)計出優(yōu)質(zhì)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)可以大大提高挖掘機的工作效率。本設(shè)計中轉(zhuǎn)速控制分為手動控制和自動控制。手動模式中通過高速、中速、低速三個檔位的變換來更改電動機的轉(zhuǎn)速，其中高速、中速、低速三種速度的具體數(shù)值可以通過變頻器的PU面板輸入，這樣就可以比較靈活地控制挖掘機的速度。自動模式則是根據(jù)轉(zhuǎn)速輸入值和轉(zhuǎn)速的測量值自動對轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，使其被控制在合適范圍內(nèi)，這樣的話就給挖掘機司機減少了很多負擔(dān)，可以把更多的精力用在對挖掘機動力臂的控制上。(2)怠速功能。挖掘機工作的時候，常常需要短暫停機，處于待命狀態(tài)，例如等待自卸卡車或需進行某種準備工作等。這時候發(fā)動機的能量白白浪費，為此，我們希望發(fā)動機轉(zhuǎn)速能自動下降，處于低怠速狀態(tài)。而且減少燃耗、降低噪音，這對發(fā)動機使用壽命也有好處。通過檢測油門踏板和操作桿是否長時間沒有動作而作出是否怠速的命令，很智能化地解決了這個問題。設(shè)計中要求怠速控制在1200轉(zhuǎn)/分，這樣節(jié)省了能源又保養(yǎng)了機器。(3)轉(zhuǎn)速的實時顯示。轉(zhuǎn)速顯示是駕駛員對挖掘機的工作狀態(tài)進行判斷的重要參考，所以設(shè)計中如何更加快速準確地顯示出挖掘機的轉(zhuǎn)速十分重要。通過轉(zhuǎn)速傳感器來測量電動機的實時轉(zhuǎn)速，然后經(jīng)過相關(guān)芯片將傳感器采集的頻率值轉(zhuǎn)換成電壓值，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入到PLC中進行處理和運算，并且顯示在人機交互界面上。(4)行進控制。對挖掘機進行啟動、停止、前進、后退的控制。這些都是對挖掘機行進的最基本控制，由于本設(shè)計是基于PLC的，相信比傳統(tǒng)的控制方案效果更好。預(yù)期達到的成果及其形式(1)基于Protel的電路設(shè)計圖。包括：變量泵轉(zhuǎn)速電路設(shè)計、供電電路設(shè)計、抗干擾設(shè)計、PLC和變頻器的相關(guān)接口電路、觸摸屏電路設(shè)計。(2)PLC程序。包括：手動調(diào)速模塊、自動調(diào)速模塊、自動怠速模塊、PID調(diào)節(jié)模塊、AD和DA模塊、抗干擾模塊。(3)總體方案設(shè)計圖。(4)MCGS文件。(5)基于PLC的電動挖掘機變頻調(diào)速系統(tǒng)實驗平臺。

第3章總體設(shè)計方案設(shè)計思想在本設(shè)計中，我們對挖掘機基于PLC的變頻調(diào)速系統(tǒng)進行了深入的研究，致力于將PLC、變頻器、電動機的優(yōu)勢有機結(jié)合，從而達到耗能更少，控制更方便的目的。PLC作為整個調(diào)速系統(tǒng)的“司令部”擔(dān)負著重要的責(zé)任，整個調(diào)速系統(tǒng)都是圍繞PLC展開的，首先PLC接收轉(zhuǎn)速傳感器采集來的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過分析計算后輸出合適的參數(shù)信息給變頻器，變頻器根據(jù)PLC傳遞來的信息對輸入380V的電源進行頻率變換，而輸出電壓的頻率直接影響到了電動機的轉(zhuǎn)速，電動機帶動液壓泵進行作業(yè)，轉(zhuǎn)速傳感器通過對轉(zhuǎn)速的采集又反饋給PLC，這樣就形成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制更加精準。技術(shù)路線(1)通過去圖書館查閱關(guān)于電動挖掘機的相關(guān)資料，上網(wǎng)收集國內(nèi)外電動挖掘機轉(zhuǎn)速控制的最新資訊，對國內(nèi)外電動挖掘機的研究現(xiàn)狀進行分析，以明確哪些技術(shù)已經(jīng)成熟哪些方面還有比較大的進步空間。(2)對基于PLC的變頻調(diào)速系統(tǒng)總體方案進行設(shè)計。(3)根據(jù)實際需要對實驗中用到的幾大部件進行嚴格選型。(4)用Protel軟件進行各部分電路圖的設(shè)計。(5)用GXDeveloperVersion8.0編程軟件對系統(tǒng)的幾大功能模塊進行程序編寫，并且進行認真地調(diào)試。(6)根據(jù)總體方案和各部件的選型搭建的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，對設(shè)計結(jié)果進行分析。設(shè)計原理以下為挖掘機的控制系統(tǒng)示意圖。本系統(tǒng)中我們采用三菱FX-2N系列的PLC，和三菱FR-A740變頻器，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊選用三菱FX2N-4AD，數(shù)模轉(zhuǎn)換用三菱FX2N-4DA，電動機選用Y315L1-890KW三相異步電動機。相對于傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，用PLC實現(xiàn)運動控制更有優(yōu)越性：價格更低、速度更快、體積更小、操作更方便。通過選擇比較，最終選擇三菱的FX2N系列PLC[3]。三菱FX2N系列是小型化，高速度，高性能以及各方面都是FX系列中高檔次的裝置，除輸入/輸出16~128點的獨立用途外，還可以適用于多個基本組件間的連接，模擬控制，定位控制等特殊用途，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的PLC，并且具有高速處理及大量滿足單個需要的可擴展特殊功能模塊等特點，為各種自動化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。三菱變頻器[4]有幾大特點。節(jié)能，當頻率超過需求時降低頻率，電機用不完的能量就節(jié)省下來了；無極調(diào)速，電機都有一個固定的轉(zhuǎn)速，沒有其他調(diào)速裝置，這個轉(zhuǎn)速固定不變，而有的工況需要電機改變速度，沒有三菱變頻器，只能通過滑差電機或齒輪變速來實現(xiàn)，很復(fù)雜，很笨重，有了三菱變頻器，就使一切變速的需要變的輕而易舉，隨心所欲；啟動平穩(wěn)，速度平穩(wěn)上升，停止平穩(wěn)，速度平滑下降，沒有沖擊；具備多種信號輸入輸出端口，接收和輸出模擬信號，電流、電壓信號，與工控機、編程器配合，就能形成自動化控制系統(tǒng)。MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技研發(fā)的一套基于Windows平臺的，用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制，可運行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000/xp等操作系統(tǒng)。具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。通過與其他相關(guān)的硬件設(shè)備結(jié)合，可以快速、方便地開發(fā)各種用于現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。用戶只需要通過簡單的模塊化組態(tài)就可構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)，如可以靈活組態(tài)各種智能儀表、數(shù)據(jù)采集模塊，無紙記錄儀、無人值守的現(xiàn)場采集站、人機界面等專用設(shè)備。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊選用三菱FX2N-4AD，數(shù)模轉(zhuǎn)換用三菱FX2N-4DA，是三菱PLC的特殊功能模塊，PLC、變頻器均采用三菱品牌，所以這個系統(tǒng)就有了完美的兼容性，在設(shè)計過程中可以少走很多彎路。挖掘機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)示意圖如下圖所示：圖3-1挖掘機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)總體控制方案如下圖所示：圖3-2系統(tǒng)總體控制框圖第4章控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立和PID參數(shù)整定控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)以控制電動機轉(zhuǎn)速恒定為目標，電動機轉(zhuǎn)速由PLC輸出轉(zhuǎn)速來決定，而PLC的輸出要根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器的反饋進一步進行調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)的控制框圖下圖所示[5]。圖4-1系統(tǒng)控制方案輸出電壓與轉(zhuǎn)速差的轉(zhuǎn)換模型輸出電壓與轉(zhuǎn)速差一般承線性關(guān)系，設(shè)為K1（4-1）變頻器模型建立在工程實踐中，可以針對具體情況，將變頻器的傳遞函數(shù)設(shè)定為一個小慣性環(huán)節(jié)或一個比例環(huán)節(jié)，本文將其處理為慣性環(huán)節(jié)，則控制電壓和輸出電壓,之間的傳遞函數(shù)為：取Ts=0.1s,(4-2)電動機模型建立電機中電流和電壓間的傳遞函數(shù)：TL和TC均為小時間常數(shù)。所以電機中電流和電壓間的傳遞函數(shù)可以簡化為：因為輸出轉(zhuǎn)速和輸出電流承線性關(guān)系：其中的參數(shù)分別?。篟Ω，L=27.7mH，C=600μF則有：TL=L/R=0.0035sTc=RCG3(s)=(4-3)系統(tǒng)傳遞函數(shù)本文采用單位負反饋，即Kf=1。由圖3-5所示系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，可得系統(tǒng)總的閉環(huán)傳遞函數(shù)如下圖所示。圖4-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由以上關(guān)系可得，系統(tǒng)總閉環(huán)傳遞函數(shù)為：為了計算簡單不妨將K1、K2的值取成1，最終得到：（4-4）PID參數(shù)整定PID參數(shù)整定[6]方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時間Ti和和微分時間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達到最為滿意的質(zhì)量指標要求。一般可以通過理論計算來確定，但誤差太大。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。經(jīng)驗法又叫現(xiàn)場湊試法，它不需要進行事先的計算和實驗，而是根據(jù)運行經(jīng)驗，利用一組經(jīng)驗參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對于轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗。實驗湊試法的整定步驟為"先比例，再積分，最后微分"。(1)整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。(2)整定積分環(huán)節(jié)先將步驟(1)中選擇的比例系數(shù)減小為原來的50～80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。(3)整定微分環(huán)節(jié)先置微分時間Td=0，逐漸加大Td，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。

第5章硬件設(shè)計5.1電路設(shè)計變頻器和PLC的相關(guān)接口電路變頻器和PLC的相關(guān)接口電路設(shè)計作為本設(shè)計的核心部分，其合理程度直接關(guān)乎到了實驗結(jié)果的成敗，所以對于這部分一定要廣泛收集資料，認真考慮每一個細節(jié)問題。實驗采用三菱FX2N-48MT的PLC，以及三菱FR-A740的變頻器，相關(guān)電路連接如下圖所示。圖5-1PLC和變頻器相關(guān)接口連接電路在變頻器的缺省設(shè)置基礎(chǔ)上，做如下修改：(1)Pr30=1表示再生功能制動選擇。再生制動是電動機進行制動時把一部分動能通過電機轉(zhuǎn)換為電能儲存起來，回收利用。再生制動一般是和傳統(tǒng)液壓制動協(xié)調(diào)配合提供制動力的，再生制動力是為了回收能量，再生制動力越大，回收的能量越多，具體再生制動力大小是受速度、電池容量、電機等因素約束的。(2)Pr73=1表示選擇了模擬量輸入模式。(3)Pr79=4表示選擇了外部/PU組合操作模式2，用外部輸入設(shè)定運行頻率。(4)Pr.4=900；Pr.5=1600；Pr.6=2400以上參數(shù)均通過變頻器的PU面板輸入。變量泵轉(zhuǎn)速檢測電路變量泵的轉(zhuǎn)速檢測是否精準決定著PLC給變頻器的輸出值是否妥當，所以對于信號的采集和處理要認真對待。傳感器接口電路下圖所示。圖5-2變量泵轉(zhuǎn)速檢測電路一般來說傳感器輸出為正弦信號，需要將其進行整流、放大、AD轉(zhuǎn)換，以便送入PLC進行計算。先將輸出的正弦波信號通過二極管進行整流，在轉(zhuǎn)速比較低的時候傳感器輸出的電壓信號幅值比較小，為了提高靈敏度，還要對輸出信號進行放大。因為FX2N-4AD接受的是電壓值，所以我們必須將頻率值轉(zhuǎn)化為電壓值，很幸運我們在市面上找到了LM331芯片，此芯片可以將頻率值轉(zhuǎn)化為電壓值，并且頻率值和電壓值承線性關(guān)系，剛好滿足我們實驗中的需要。在信號放大部分，選取R0和R1的阻值分別為10K、K。根據(jù)式(5-1)可計算出放大倍數(shù)約為5。(5-1)LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價格比較高的集成芯片,可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時間積分器及其他相關(guān)器件。LM331采用了新的溫度補償能隙基準電路,在整個工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動態(tài)范圍寬，可達100dB；線性度好,最大非線性失真小于0.01%，工作頻率低到0.1Hz有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達12位；外接電路簡單,只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。LM331器件管腳圖及管腳功能圖5-3LM331器件管腳及管腳功能圖LM331器件管腳名稱及管腳功能如下所示：表5-1LM331器件管腳名及管腳功能引腳號引腳名功能1CurrentOutput電流輸出2RefCurrent基準電流3FrequencyOutput頻率輸出4GND接地5R/C接RC定時電路6Thresholod閾值7ComparatorInput比較輸入8VS電源LM331的內(nèi)部電路組成由輸入比較器、定時比較器、R-S觸發(fā)器、輸出驅(qū)動管、復(fù)零晶體管、能隙基準電路、精密電流源電路、電流開關(guān)、輸出保護管等部分組成輸出驅(qū)動管采用集電極開路形式，因而可以靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。LM331可采用雙電源或單電源供電，可工作在4.0～40V之間，輸出可高達40V，而且可以防止Vcc短路。供電電路設(shè)計本實驗的動力電源為交流380V，而PLC所需要的電源為直流24V，搭載MCGS的PC機所需電源為220V，為了節(jié)約空間和能源我們將從380V交流電源著手，變換成各部件所需的電源。380V交流電轉(zhuǎn)24V直流電的電路圖如下圖所示：圖5-4供電電路設(shè)計380V電源首先經(jīng)過變壓器變成我們需要的電壓，然后經(jīng)過橋式整流器整流成直流，再經(jīng)過濾波操作就可以達到直流輸出的效果。至于PC機所需要的220V交流電可以用380V的一相和接地線構(gòu)成[7]?？垢蓴_設(shè)計為了將電控系統(tǒng)和供電電網(wǎng)的電源隔離開，消除因公共電阻引起的耦合，減少負載波動的影響，同時也為了安全，常常在電源變壓器之前增加一個1：1隔離變壓器。下圖為交流電源抗干擾的綜合方案。圖5-5交流電源的抗干擾設(shè)計目前國外已成功研制了專門抑制噪聲的隔離變壓器，這是一種繞組和變壓器整體都有隔離層的多層隔離變壓器。這類變壓器的結(jié)構(gòu)、鐵心材料、形狀及其線圈位置都比較特殊，它可以切斷高頻噪聲漏磁通和繞組的交鏈，從而使差模噪聲不易影響到二次側(cè)，故這種變壓器既能切斷共模噪聲電壓，又能切斷差模噪聲電壓，是比較理想的隔離變壓器。觸摸屏設(shè)計綜合價格和性能的考慮，最終選擇LTN141AT08型號的觸摸屏來替代原來電腦上的普通液晶屏幕。觸摸屏、控制板、USB線之間的連接圖如下：圖5-6觸摸屏的相關(guān)電路設(shè)計下面是LTN141AT08觸摸屏的相關(guān)參數(shù)：(1)操作電壓：<10V(2)操作溫度：-10°C(3)使用壽命：>一百萬次(4)連接材質(zhì)：FPC(5)反應(yīng)時間<10毫秒(6)透光度：>80%(7)儲藏溫度：-20°C(8)表面硬度：3H(9)操作力度：20g到80g上圖為線路圖的連接，按照圖中連接好了之后，還要進行相應(yīng)的軟件安裝，軟件安裝的作用除了驅(qū)動觸摸屏之外，還要對觸摸屏進行校準。校準的作用是使觸摸屏的有效區(qū)正確對應(yīng)顯示設(shè)備所顯示圖像的區(qū)域，也就是定出觸摸屏的有效邊界，所以這種校準叫邊到邊校準。只要根據(jù)顯示設(shè)備圖像區(qū)域的大小，在觸摸屏的對角點兩下就好了。將USB公頭插入到電腦的USB接口，即可實現(xiàn)用觸摸屏控制電腦。硬件選型PLC選型在PLC系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC設(shè)計選型。工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。I/O點數(shù)估算時應(yīng)考慮適當?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%～20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)輸入輸出表計算所需點數(shù)，表如下所示：表5-2系統(tǒng)的輸入和輸出表軟元件號功能軟元件號功能X000前進Y0前進電機X001后退Y1后退電機X002踏板壓力檢測M2怠速觸發(fā)X003操作桿壓力監(jiān)測M3轉(zhuǎn)速過小X004高速M4轉(zhuǎn)速適中X005中速M5轉(zhuǎn)速過大X006低速D0轉(zhuǎn)速給定值X007自動模式D1轉(zhuǎn)速瞬時值X010手動模式D2轉(zhuǎn)速輸出值Y2快速Y3中速Y4慢速系統(tǒng)輸入輸出點數(shù)不超過20，F(xiàn)X2N-48MT所提供的點數(shù)為48，在有一定預(yù)留量的前提下滿足要求。選擇CPU首先要考慮所需的存儲器容量，必須確保CPU存儲器容量大于所需。其次，對于一些大型設(shè)備，在軟件的設(shè)計上需要CPU有足夠的運算速度和處理能力，比如做防搖系統(tǒng)，這時需要考慮采用雙CPU冗余系統(tǒng)。然后，有些CPU在通訊接口及支持的通訊方式上有所不同，本著系統(tǒng)經(jīng)濟性和可用性的考慮，選擇已集成本系統(tǒng)需要用到的通訊方式，并且能支持需擴展的通訊方式的CPU。最后，還需考慮到整機PLC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)布置，確保主站和各個分站能可靠對接。存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量應(yīng)小于存儲器容量。設(shè)計階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。FX2N-48MT也符合要求。綜上所述，我們選擇三菱公司PLC系列中的FX2N-48MT。FX2N-48MT技術(shù)指標：(1)輸入電壓：DC24V（10%范圍內(nèi)）(2)輸入電流：DC24V,7mA(3)響應(yīng)時間：10ms(4)輸入信號形式：無電壓觸點，或NPN集電極開路輸出晶體管(5)輸入電路絕緣：光耦合絕緣實物圖如下：圖5-7三菱FX2N-48MTPLC電動機的選型根據(jù)實際需要，發(fā)動機的功率應(yīng)該在90KW上下，所以我們選擇了Y315L1-890KW三相異步電動機。此電動機結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低、運行維護方便，它被廣泛地應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作為電力拖動的原動機。技術(shù)指標：(1)額定電壓：380V。(2)額定頻率為：50Hz.(3)功率：90kw(4)環(huán)境溫度：不超過40℃，最低環(huán)境空氣溫度為-15(5)濕度：最濕月月平均最高相對濕度為90%。實物圖如下：圖5-8Y315L1-890KW三相異步電動機變頻器的選型一般情況下，選擇變頻器的功率和電機的功率一樣，在有些特殊情況下（如重載設(shè)備），也會選擇變頻器的功率大于電機的額定功率，以保證變頻器帶動電機能夠正常運行。合理的容量選擇本身就是一種節(jié)能降耗措施。本課題中我們采用電機實際功率確定法，首先測定電機的實際功率,以此來選用變頻器的容量。因為本設(shè)計中選用的電動機功率為90KW，而FR-A740變頻器的功率范圍是0.4-500KW,所以我們最終選擇了三菱FR—A740變頻器。圖5-9三菱變頻器變頻器的工作原理是把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把三相或單相交流電變換為直流電（DC），然后再把直流電（DC）變換為三相或單相交流電（AC）。通過改變電壓的頻率從而改變了電動機的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調(diào)速的目的。(5-2)對于電機而言，其磁極對數(shù)p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率s變化不大，故電機的轉(zhuǎn)速n與電源的頻率f成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉(zhuǎn)速，進而達到異步電機的調(diào)試目的。AD/DA模塊選型綜合對輸入通道個數(shù)、兼容性以及預(yù)留升級的考慮最終的AD模塊我們選擇了三菱FX2N-4AD，DA模塊選擇了三菱FX2N-4DA。因為PLC、變頻器同為三菱品牌，所以系統(tǒng)會有良好的兼容性。圖5-10三菱FX2N-4DA和三菱FX2N-4AD性能指標：(1)4個輸入點可同時使用。(2)輸入電壓為-10V~+10V,如果絕對值超過15V，則可對單元造成損壞。(3)12位轉(zhuǎn)換結(jié)果以二進制補碼形式存放。最大值2047，最小值-2048。(4)分辨率電壓為1/2000，5mV，電流為1/1000，20uA。(5)總體精度1%。(6)轉(zhuǎn)換速度6~15ms。(7)外接電源為24V，上下波動不得超過2.4V,電流為55mA。FX2N-4AD模擬特殊模塊有四個輸入通道。輸入通道接收模擬信號并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這稱為A/D轉(zhuǎn)換。FX2N-4AD最大分辨率是12位。基于電壓或電流的輸入/輸出的選擇通過用戶配線來完成，可選用的模擬值范圍是-10V到10VDC(分辨率5mV),-20到20mA(分辨率：20μA)。FX2N-4AD和FX2N主單元之間通過緩沖存儲器交換數(shù)據(jù)，F(xiàn)X2N-4AD共有32個緩沖存儲器(每個16位)。FX2N-4AD占用FX2N擴展總路線的8個點，這8點可以分配成輸入或輸出。三菱FX2N-4DA是一款模擬量模塊。首先給大家介紹一下模擬量模塊的工作原理。模擬量模塊是將壓力、液位、溫度等信號轉(zhuǎn)化為1-5V，4-20mA（也有別的信號的，如0-10V，0-5V等）然后交給PLC進行處理的。PLC是不知道具體電壓或者電流信號的大小的。所以，我們要用一個數(shù)字來表示它的大小，然后告訴PLC，PLC才能知道輸入的電壓、電流信號具體有多大。數(shù)字量輸入輸出信號就是開關(guān)量信號，1或者0。模擬量信號有2種，電壓或者電流信號，一般是變送器傳過來的信號，比如用壓力變送器檢測水管壓力，它會輸出一個模擬信號4-20ma或者0-10v的信號給PLC，PLC來進行數(shù)據(jù)處理。轉(zhuǎn)速傳感器的選型本實驗在選擇轉(zhuǎn)速傳感器的時候考慮到必須是非接觸式測量，必須有較強的抗干擾能力能夠在煙霧、油氣、水汽等環(huán)境中工作，輸出的信號必須足夠強，測量范圍必須足夠廣，所以最終我們選擇了磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，同時磁電式轉(zhuǎn)速傳感器維護成本較低，運行過程無需供電，完全是靠磁電感應(yīng)來實現(xiàn)測量，同時磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的運轉(zhuǎn)也不需要機械動作，無需潤滑等優(yōu)點。本設(shè)計中我們采用了JX71C磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。實物圖如下：圖5-11JX71C磁電式轉(zhuǎn)速傳感器技術(shù)指標：(1)輸出電壓：在齒輪模數(shù)4、齒數(shù)60、材料為G3、間隙為1mm時轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分輸出有效值大于5V轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分輸出有效值大于10V轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分輸出有效值大于15V(2)直流電阻：低阻200～250Ω；高阻500～600Ω(3)絕緣阻抗：在500V直流時大于50MΩ(4)工作溫度：-20℃～(5)重量：約100g（不包括尾部引出線）JX71C磁電式轉(zhuǎn)速傳感器以磁電感應(yīng)為基本原理來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器由鐵芯、磁鋼、感應(yīng)線圈等部件組成的，測量對象轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)速傳感器的線圈會產(chǎn)生磁力線，齒輪轉(zhuǎn)動會切割磁力線，磁路由于磁阻變化，在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生電動勢。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的感應(yīng)電勢產(chǎn)生的電壓大小，和被測對象轉(zhuǎn)速有關(guān)，被測物體的轉(zhuǎn)速越快輸出的電壓也就越大，也就是說輸出電壓和轉(zhuǎn)速成正比。但是在被測物體的轉(zhuǎn)速超過磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的測量范圍時，磁路損耗會過大，使得輸出電勢銳減。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的工作方式?jīng)Q定了它有很強的抗干擾性，能夠在煙霧、油氣、水汽等環(huán)境中工作。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號強，測量范圍廣，齒輪、曲軸、輪輻等部件，及表面有縫隙的轉(zhuǎn)動體都可測量。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的工作維護成本較低，運行過程無需供電，完全是靠磁電感應(yīng)來實現(xiàn)測量，同時磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的運轉(zhuǎn)也不需要機械動作，無需潤滑。磁電式傳感器主要由旋轉(zhuǎn)的觸發(fā)輪（被等分的齒輪盤,上面有多齒或缺齒）和相對靜止的感應(yīng)線圈兩部分組成。當柴油機運行時，觸發(fā)輪與傳感器之間的間隙周期性變化，磁通量也會以同樣的周期變化，從而在線圈中感應(yīng)出近似正弦波的電壓信號。輸出特性由磁電式傳感器工作原理可知，其產(chǎn)生的交流電壓信號的頻率與齒輪轉(zhuǎn)速和齒數(shù)成正比。在齒數(shù)確定的情況下，傳感器線圈輸出的電壓頻率正比于齒輪的轉(zhuǎn)速，其關(guān)系為(5-3)式中，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；z為觸發(fā)輪被等分的齒數(shù)；f為磁電式傳感器的輸出信號頻率。

第6章軟件設(shè)計軟件設(shè)計語言和準備工作對于PLC的程序編寫，我們采用日本三菱公司提供的GXDeveloperVersion8編程軟件[8]，用戶可以利用它編輯、調(diào)試PLC程序，也可以啟動監(jiān)控功能在線監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運行狀況，同時安裝與其配套的PLC仿真軟件后，可以不需要硬件設(shè)備開發(fā)控制系統(tǒng)。GXDeveloper是三菱PLC的編程軟件。適用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可編程控制器。支持梯形圖、指令表、SFC、ST及FB、Label語言程序設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，可進行程序的線上更改、監(jiān)控及調(diào)試，具有異地讀寫PLC程序功能。(1)程序設(shè)計語言目前，PLC程序設(shè)計主要采用梯形圖、功能塊圖、指令表等6種語言類型，其中梯形圖是應(yīng)用最為廣泛的語言之一，其原因在于它是一種沿用了繼電器、線圈等圖形與符號的圖形編程語言，通常由一系列指令組成，其最大特點是程序直觀、形象。用戶編程界面左右兩端為母線，在母線中間編寫PLC程序，事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結(jié)果在右面，為了便于檢查和日后的修改，可以對程序添加注釋以便日后的更改和調(diào)試。(2)系統(tǒng)設(shè)計的原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象(生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程)的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設(shè)計本系統(tǒng)時，遵循以下原則：①實現(xiàn)被控對象的全部動作并滿足其對產(chǎn)品加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求；②在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、安全、可靠；③充分提高自動化程度，使用及維修方便，減輕勞動強度；④PLC的點數(shù)要比設(shè)計中的多10%，以備以后功能的擴充。(3)編程前的準備工作編程前準備工作包括信號地址分配、內(nèi)存單元地址分配及完成信號分配表信號地址的分配：輸入輸出信號包括實際過程中的輸入輸出信號。還包括為了聯(lián)鎖非聯(lián)鎖等切換處理的有關(guān)信號。內(nèi)存單元地址的分配：內(nèi)存單元通常用于中間運算結(jié)果的存儲，包括計時器、計數(shù)器、高速計時器、可逆計數(shù)器、需要掉電保持的繼電器和專用繼電器、內(nèi)部繼電器等。它們的地址分配根據(jù)工藝生產(chǎn)過程對有關(guān)變量的控制要求確定。下圖為軟元件使用情況表。表6-1軟元件使用列表軟元件號功能軟元件號功能X000前進Y0前進電機X001后退Y1后退電機X002踏板壓力檢測M2怠速觸發(fā)X003操作桿壓力監(jiān)測M3轉(zhuǎn)速過小X004高速M4轉(zhuǎn)速適中X005中速M5轉(zhuǎn)速過大X006低速D0轉(zhuǎn)速給定值X007自動模式D1轉(zhuǎn)速瞬時值X010手動模式D2轉(zhuǎn)速輸出值Y2快速Y3中速Y4慢速程序模塊轉(zhuǎn)速控制本課題中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)涉及到了自動調(diào)節(jié)和手動調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同條件下駕駛員對轉(zhuǎn)速的自由控制，手動調(diào)節(jié)主要是調(diào)節(jié)變頻器的相關(guān)參數(shù)給高速、中速、低速賦予相應(yīng)的數(shù)值，而自動調(diào)節(jié)運用到了區(qū)間比較和PID的相關(guān)知識，對電動機的轉(zhuǎn)速控制有著更加良好的控制效果。手動調(diào)節(jié)是三菱變頻器一項很實用的功能。通過從變頻器PU面板中輸入Pr.4、Pr.5、Pr.6的輸入，來完成對高速、中速、低速具體數(shù)值的輸入。PLC根據(jù)不同輸入繼電器的觸發(fā)觸發(fā)不同的輸出繼電器，輸出繼電器與變頻器的高速、中速、低速的接口直接相連，從而直接改變了變頻器的輸出頻率，進而改變了電動機的轉(zhuǎn)速。其中手動模式對高速、中速、低速三種速度進行了互鎖，保證只有一種命令被執(zhí)行，防止操作和程序出錯。程序如下所示：圖6-1轉(zhuǎn)速手動控制程序自動調(diào)節(jié)，通過AD模塊接收瞬時轉(zhuǎn)速，然和讓瞬時轉(zhuǎn)速值和給定值進行區(qū)間比較，正常情況下會出現(xiàn)三種結(jié)果：轉(zhuǎn)速值小于下限、轉(zhuǎn)速值介于下限和上限之間、轉(zhuǎn)速值大于上限，這三種情況每種情況分別對應(yīng)觸發(fā)相應(yīng)的輔助繼電器，不同的輔助繼電器決定了后續(xù)進行PID調(diào)節(jié)的PID參數(shù)不同，總之最終的結(jié)果是讓轉(zhuǎn)速值趨近于給定值，以達到調(diào)速的目的。下圖為程序流程圖:圖6-2轉(zhuǎn)速自動控制的程序流程圖程序思想是將輸入轉(zhuǎn)速加一個數(shù)值得到中間變量，再減同一個數(shù)值得到另一個中間變量，然后用轉(zhuǎn)速瞬時值與這兩個中間變量進行區(qū)間比較，從而觸發(fā)相應(yīng)的輔助繼電器M3、M4、M5。PLC程序如下所示。圖6-3轉(zhuǎn)速自動控制程序觸發(fā)M3、M4、M5分別對應(yīng)著給PID參數(shù)賦不同的值，以便根據(jù)瞬時轉(zhuǎn)速與輸入轉(zhuǎn)速的大小關(guān)系對轉(zhuǎn)速進行調(diào)整。以下是詳細程序：圖6-4PID參數(shù)賦值程序用PLC內(nèi)置的PID功能進行運算。圖6-5PID處理程序發(fā)動機自動怠速怠速是指車在不給油門的情況下，保持發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)的最低轉(zhuǎn)速，怠速不能太高也不能太低，太高會浪費燃油，也會使發(fā)動機升溫太快，太低會使?jié)櫥蛪毫Σ粔?，造成潤滑不良，時間長了會損害發(fā)動機，所以要按電動機的說明書來調(diào)節(jié)怠速。要求高怠速1200轉(zhuǎn)/分。自動怠速的思想是：對油門踏板和操作桿進行壓力檢測，如果都沒有壓力施加并且保持60秒則怠速觸發(fā)，給轉(zhuǎn)速值賦值1200轉(zhuǎn)/分，發(fā)動機進入自動怠速狀態(tài)。如果有壓力則不進行任何操作。程序流程圖如下所示：圖6-6自動怠速程序流程圖怠速觸發(fā)之后給轉(zhuǎn)速值賦值，根據(jù)設(shè)計的要求我們把這個值賦成1200，以達到節(jié)省燃料、保養(yǎng)機器的效果。PLC程序如下：圖6-7自動怠速程序行進控制本實驗對挖掘機的行進進行了簡單的設(shè)計。前進和后退進行互鎖，防止出現(xiàn)故障。MCGS軟件中的“前進”和“后退”分別對應(yīng)寫入X000和X001軟元件，實現(xiàn)前進后退功能。MCGS中的“停車”指令執(zhí)行時XOOO和X001都被置0，來達到停止的效果。詳細程序如下所示：圖6-8行進控制程序AD轉(zhuǎn)換AD轉(zhuǎn)換和DA轉(zhuǎn)換程序主要應(yīng)用了TO和FROM語句，意思分別是從PLC讀出和讀入到PLC，然后通過對K17行的16位二進制數(shù)據(jù)賦值來實現(xiàn)通道選擇和啟動AD轉(zhuǎn)換或者DA轉(zhuǎn)換的功能。選擇通道一，開始AD轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果送到D2存儲單元，程序如下。圖6-9AD轉(zhuǎn)換程序DA轉(zhuǎn)換預(yù)存數(shù)字量到指定位置，啟動DA轉(zhuǎn)換，選擇通道一，程序如下。圖6-10DA轉(zhuǎn)換程序6.2.6軟件抗干擾設(shè)計在系統(tǒng)實際運行時，程序執(zhí)行往往會發(fā)生不合理中斷、循環(huán)和跳轉(zhuǎn)等情況，引起系統(tǒng)運行錯誤，嚴重時會引起重大事故。所以在程序中加入“看門狗”，可以對其運行狀況進行監(jiān)控，以防意外情況的發(fā)生?！翱撮T狗”程序為PLC內(nèi)部的一個定時器，默認定時為500ms，在程序開始運行時清零。如果在程序運行過程中出現(xiàn)錯誤或者運行時間超過500ms，PLC停止工作。所以在程序中設(shè)置“看門狗”可以有效的降低程序內(nèi)部干擾對系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響，提高系統(tǒng)運行的可靠性。本設(shè)計在系統(tǒng)開始運行時啟動“看門狗”程序，如下圖所示。圖6-11“看門狗”程序6.2.7MCGS程序設(shè)計將MCGS的變量與PLC中的軟元件一一對應(yīng)起來，然后再實現(xiàn)變量與軟元件相互間的讀出和寫入。本設(shè)備構(gòu)件提供了2個特定的設(shè)備命令，用于讀寫PLC中指定的繼電器區(qū)或寄存器區(qū)中的任何一個通道。由于設(shè)備命令的優(yōu)先級最高，所以可以提高速度，尤其對寫通道。這些設(shè)備命令的格式如下，Read(寄存名+地址=DATA)讀數(shù)據(jù)；Write(寄存名+地址=DATA)寫數(shù)據(jù)。本設(shè)計中的主要程序如下所示：Write（X000=前進）Write（X001=后退）Write（X007=自動控制）Write（X010=手動控制）Write（DB0=轉(zhuǎn)速給定值）Write（X004=高速）Write（X005=中速）Write（X006-低速）Read（DB1=轉(zhuǎn)速瞬時值）Read（M2=怠速觸發(fā)）MCGS操作界面設(shè)置MCGS的引入是獨創(chuàng)性成果之一，雖然成本要比觸摸屏高一點，但是它具有更好的擴展性和更低的后期維護升級費用，長遠來講還是比較經(jīng)濟劃算的。同時具有轉(zhuǎn)速報警數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)速歷史數(shù)據(jù)的記錄功能，可以為故障檢測和監(jiān)測提供較為全面合理的數(shù)據(jù)。MCGS操作界面如下所示：圖6-12MCGS操作界面利用SC09編程電纜來實現(xiàn)PC機與PLC的通信。在使用前首先要安裝編程電纜的驅(qū)動程序，在安裝驅(qū)動結(jié)束后，要進行簡單的設(shè)定。設(shè)定方法如下。1、右鍵單擊（我的電腦）點擊屬性。彈出（系統(tǒng)屬性）對話框，選擇硬件，單擊（設(shè)備管理）。2、選擇（端口），找到你安裝的USB口，單擊右鍵顯示（屬性）點擊，顯示屬性對話欄，選擇（端口設(shè)置）將這個對話框里的高級設(shè)置的COM口設(shè)置成與PLC編程軟件里的設(shè)置一樣就可以了。SC-09編程電纜為RS232接口（俗稱COM口）到RS422接口的轉(zhuǎn)換電纜，通用于三菱A系列和FX系列PLC，支持所有通信協(xié)議，用于電腦與PLC的編程通信和各種上位機監(jiān)控軟件，該電纜的RS422端口和RS232端口均內(nèi)置保護電路，可帶電任意帶電插拔。SC-09編程電纜主要技術(shù)參數(shù)：(1)RS422端口和RS232端口均具有保護電路，可帶電任意插拔(2)波特率：0～230kbps(3)電纜長度：3米，全屏蔽，帶接地線(4)帶有通信指示燈，通信時LED閃爍(5)工作溫度：-20～75℃(6)重量：150克SC-09編程電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下所示：圖6-13SC-09編程電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)6.4MCGS軟件與PLC的通信PLC設(shè)置FX系列PLC支持無協(xié)議的RS232和RS485通信協(xié)議兩種通信方式，通過改變D8120的值來改變通信方式[9]。系統(tǒng)默認設(shè)置D8120=H0086表示9600，7，偶校驗，1位停止位，無命令頭和命令尾，整個命令不加校驗和，無協(xié)議的通信方式，F(xiàn)X2N系列PLC在掉電后D8120恢復(fù)成H0086。串口父設(shè)備設(shè)置FX-232設(shè)備必須掛接在串口父設(shè)備下，串口父設(shè)備在通用設(shè)備構(gòu)件中。串口父設(shè)備用來設(shè)置通信參數(shù)和通信端口。通信參數(shù)必須設(shè)置成與PLC的設(shè)置一樣。否則就無法通信。本設(shè)備屬性和內(nèi)部屬性設(shè)置要使MCGS能正確操作PLC設(shè)備，請按如下的步驟來使用和設(shè)置本構(gòu)件的屬性：采集周期：為運行時，MCGS對設(shè)備進行操作的時間周期，單位為毫秒，一般在靜態(tài)測量時設(shè)為1000ms，在快速測量時設(shè)為200ms。初始工作狀態(tài)：用于設(shè)置設(shè)備的起始工作狀態(tài)，設(shè)置為啟動時，在進入MCGS運行環(huán)境時，MCGS即自動開始對設(shè)備進行操作，設(shè)置為停止時，MCGS不對設(shè)備進行操作，但可以用MCGS的設(shè)備操作函數(shù)和策略在MCGS運行環(huán)境中啟動或停止設(shè)備。內(nèi)部屬性：用來組態(tài)要具體操作哪些寄存器。內(nèi)部屬性用于設(shè)置PLC的讀寫通道，以便后面進行設(shè)備通道連接，從而把設(shè)備中的數(shù)據(jù)送入實時數(shù)據(jù)庫中的指定數(shù)據(jù)對象或把數(shù)據(jù)對象的值送入設(shè)備指定的通道輸出。三菱FX-232PLC設(shè)備構(gòu)件把PLC的通道分為只讀，只寫，讀寫三種情況，只讀用于把PLC中的數(shù)據(jù)讀入到MCGS的實時數(shù)據(jù)庫中，只寫通道用于把MCGS實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)寫入到PLC中，讀寫則可以從PLC中讀數(shù)據(jù)，也可以往PLC中寫數(shù)據(jù)。當?shù)谝淮螁釉O(shè)備工作時，把PLC中的數(shù)據(jù)讀回來，之后本設(shè)備會將變化的值往下寫，這種操作的目的是，用戶PLC程序中有些通道的數(shù)據(jù)在計算機第一次啟動，或計算機中途死機時不能復(fù)位。單擊設(shè)備基本屬性中的“設(shè)置設(shè)備內(nèi)部屬性”在打開的屬性頁中，按“增加通道”按鈕，彈出增加通道窗口，在該窗口中設(shè)置：(1)選擇要對PLC中的那個繼電器區(qū)或寄存器區(qū)進行操作即選擇通道類型(2)選擇是只讀，只寫，還是讀寫，默認是只讀。(3)指定操作該繼電器區(qū)或寄存器區(qū)的什么地方即輸入通道地址，如要以字操作的方式讀或?qū)慏W15，則在輸入通道地址中寫15。(4)指定操作該通道地址中的哪一位(0-7)或一次操作1個字16位或2個字32位，或浮點。(5)設(shè)置一次連續(xù)增加多少個PLC通道。通信故障分析(1)檢查PLC是否上電。(2)是否使用標準的三菱PLC編程電纜。(3)通信參數(shù)設(shè)置是否正確。(4)檢查對某一寄存器的操作是否超出范圍。

第7章實驗與結(jié)果分析實驗系統(tǒng)搭建在機械樓對基于PLC電動挖掘機的變頻調(diào)速系統(tǒng)進行了搭建，對部分硬軟件進行了調(diào)試，對各項功能進行了實驗操作。實驗?zāi)Ｐ痛罱ê笕缦聢D所示。MCGS界面轉(zhuǎn)速傳感器交流電動機變頻器PLCAD、DA模塊SC-9編程電纜MCGS界面轉(zhuǎn)速傳感器交流電動機變頻器PLCAD、DA模塊SC-9編程電纜圖7-1試驗系統(tǒng)搭建圖實驗結(jié)果分析能實現(xiàn)最基本的功能，比如電動機的啟動和停止、電動機的正反轉(zhuǎn)、電動機的變頻調(diào)速。事實證明使用基于PLC的變頻調(diào)速系統(tǒng)對電動機控制效果良好，滿足實驗要求?？梢娺@方面的研究前景廣闊。

第8章技術(shù)創(chuàng)新點及經(jīng)濟效益分析8.1技術(shù)創(chuàng)新點將MCGS移植到挖掘機中，大大提高了系統(tǒng)的可操作性和可控性。傳統(tǒng)挖掘機電控系統(tǒng)的人機交互界面一般都會用觸摸屏，觸摸屏當然有觸摸屏的好處，操作簡單，對環(huán)境要求低，低功耗，編程簡單等等，也正因為如此觸摸屏的擴展性就大大受到了限制，界面雖然簡潔但是難以美化，一些復(fù)雜的功能難以實現(xiàn)。本實驗中我想到了將搭載MCGS軟件的PC機移植到挖掘機的操作系統(tǒng)當中，這就大大提高了控制系統(tǒng)的可擴展性，如果有需要的話我們可以用功能更加強大的上位機軟件替換MCGS，同時也便于操作系統(tǒng)的更新?lián)Q代，要知道觸摸屏的更新?lián)Q代是硬件上的投入，而PC機是軟件上的更新和維護，經(jīng)濟性比較而言就可想而知了，而且軟件上的更新和維護可以最大限度地保持硬件系統(tǒng)的完整性和封閉性，長遠來說可以延長挖掘機的使用壽命，降低維護費用。設(shè)計中用觸摸屏替換傳統(tǒng)電腦的液晶屏，這樣就成功地束縛了鼠標對駕駛員的綁架，大大提高了駕駛的方便性。另外MCGS具有轉(zhuǎn)速報警數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)速歷史數(shù)據(jù)的記錄功能，可以為故障檢測提供全面的數(shù)據(jù)。8.2經(jīng)濟效益分析能源分析目前國際油價處于較高的價格，造成成品油價格處于高位，但從長遠來看隨著經(jīng)濟的發(fā)展和石油能源的不可再生性，油價還將處于上升趨勢。電動液壓挖掘機，采用變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，讓運行成本降的更低，帶來超值的效益。目前0#柴油價格為7.42元／升，一般工業(yè)電價為0.7625元／千瓦時（變壓器功率在315千伏安以下，變壓器容量不小于315千伏安的工業(yè)電價更低）。以此為基礎(chǔ)進行分析：20噸機型(CAT320C)在發(fā)動機最佳運行狀態(tài)時，每小時耗油量24升，花費178.08元。電動挖掘機（20噸機型）采用110kW變頻電動機，恒功率模式驅(qū)動，由于電動機在對負載的自適應(yīng)性，能源的使用效率較高，在工作時的平均功率實測為80kW左右?，F(xiàn)在以每小時耗電量80千瓦時來分析，花費61元。由此可見挖掘機以電力為動力會比傳統(tǒng)柴油動力節(jié)省2/3的投入，經(jīng)濟效益非?？捎^。維護分析柴油發(fā)動機的保養(yǎng)項目為：更換機油濾芯200元，柴油濾芯215元，空氣濾芯750元，機油620元，人員費230元，合計2015元。按每500小時為一個保養(yǎng)周期，2015／500＝4元，平均每小時約需4元左右。由于大型機的保養(yǎng)費更高，每小時所需的養(yǎng)護費用也更高。電動機保養(yǎng)項目有：每年需給電動機軸承加注二硫化鉬潤滑脂一次200元，每月給電氣元件吹灰清理一次1200元，按年工作5000個小時，1400／5000＝0.3元平均每小時為0.3元。大型機的養(yǎng)護費用幾乎不變?？梢姴裼桶l(fā)動機的維護費用比電動機多出十多倍。運行效率分析柴油機的維修較為復(fù)雜，且通用件少，費用高。一旦發(fā)生故障，由于備件的通用性差，使挖掘機短時間內(nèi)不能恢復(fù)生產(chǎn)。電動系統(tǒng)都為通用件，無需備件貯備，當天構(gòu)件安裝就能恢復(fù)生產(chǎn)，