【正文】 示在人機(jī)交互界面上。(4)行進(jìn)控制。對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、停止、前進(jìn)、后退的控制。這些都是對(duì)挖掘機(jī)行進(jìn)的最基本控制，由于本設(shè)計(jì)是基于PLC的，相信比傳統(tǒng)的控制方案效果更好。 預(yù)期達(dá)到的成果及其形式(1)基于Protel的電路設(shè)計(jì)圖。包括：變量泵轉(zhuǎn)速電路設(shè)計(jì)、供電電路設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)、PLC和變頻器的相關(guān)接口電路、觸摸屏電路設(shè)計(jì)。(2)PLC程序。包括：手動(dòng)調(diào)速模塊、自動(dòng)調(diào)速模塊、自動(dòng)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(jì)圖。(4)MCGS文件。(5)基于PLC的電動(dòng)挖掘機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。第3章 總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)思想在本設(shè)計(jì)中，我們對(duì)挖掘機(jī)基于PLC的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，致力于將PLC、變頻器、電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)有機(jī)結(jié)合，從而達(dá)到耗能更少，控制更方便的目的。PLC作為整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的“司令部”擔(dān)負(fù)著重要的責(zé)任，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)都是圍繞PLC展開(kāi)的，首先PLC接收轉(zhuǎn)速傳感器采集來(lái)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)分析計(jì)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(lái)的信息對(duì)輸入380V的電源進(jìn)行頻率變換，而輸出電壓的頻率直接影響到了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵進(jìn)行作業(yè)，轉(zhuǎn)速傳感器通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速的采集又反饋給PLC，這樣就形成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制更加精準(zhǔn)。 技術(shù)路線(1)通過(guò)去圖書館查閱關(guān)于電動(dòng)挖掘機(jī)的相關(guān)資料，上網(wǎng)收集國(guó)內(nèi)外電動(dòng)挖掘機(jī)轉(zhuǎn)速控制的最新資訊，對(duì)國(guó)內(nèi)外電動(dòng)挖掘機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)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(jìn)步空間。(2)對(duì)基于PLC的變頻調(diào)速系統(tǒng)總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。(3)根據(jù)實(shí)際需要對(duì)實(shí)驗(yàn)中用到的幾大部件進(jìn)行嚴(yán)格選型。(4)用Protel軟件進(jìn)行各部分電路圖的設(shè)計(jì)。(5)用GX Developer Version ，并且進(jìn)行認(rèn)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(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析。 設(shè)計(jì)原理以下為挖掘機(jī)的控制系統(tǒng)示意圖。本系統(tǒng)中我們采用三菱FX2N系列的PLC，和三菱FRA740變頻器，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊選用三菱FX 2N4AD，數(shù)模轉(zhuǎn)換用三菱FX 2N4DA，電動(dòng)機(jī)選用Y315L18 90KW三相異步電動(dòng)機(jī)。相對(duì)于傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，用PLC實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制更有優(yōu)越性：價(jià)格更低、速度更快、體積更小、操作更方便。通過(guò)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(diǎn)的獨(dú)立用途外，還可以適用于多個(gè)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(gè)需要的可擴(kuò)展特殊功能模塊等特點(diǎn)，為各種自動(dòng)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(diǎn)。節(jié)能，當(dāng)頻率超過(guò)需求時(shí)降低頻率，電機(jī)用不完的能量就節(jié)省下來(lái)了；無(wú)極調(diào)速，電機(jī)都有一個(gè)固定的轉(zhuǎn)速，沒(méi)有其他調(diào)速裝置，這個(gè)轉(zhuǎn)速固定不變，而有的工況需要電機(jī)改變速度，沒(méi)有三菱變頻器，只能通過(guò)滑差電機(jī)或齒輪變速來(lái)實(shí)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(dòng)平穩(wěn)，速度平穩(wěn)上升，停止平穩(wěn)，速度平滑下降，沒(méi)有沖擊；具備多種信號(hào)輸入輸出端口，接收和輸出模擬信號(hào)，電流、電壓信號(hào)，與工控機(jī)、編程器配合，就能形成自動(dòng)化控制系統(tǒng)。MCGS(Monitor and Control Generated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司研發(fā)的一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)、前端數(shù)據(jù)的處理與控制，可運(yùn)行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp等操作系統(tǒng)。具有功能完善、操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。通過(guò)與其他相關(guān)的硬件設(shè)備結(jié)合，可以快速、方便地開(kāi)發(fā)各種用于現(xiàn)場(chǎng)采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。用戶只需要通過(guò)簡(jiǎn)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(wú)紙記錄儀、無(wú)人值守的現(xiàn)場(chǎng)采集站、人機(jī)界面等專用設(shè)備。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊選用三菱FX 2N4AD，數(shù)模轉(zhuǎn)換用三菱FX 2N4DA，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(gè)系統(tǒng)就有了完美的兼容性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以少走很多彎路。挖掘機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)示意圖如下圖所示：58 圖31挖掘機(jī)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32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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定為目標(biāo)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由PLC輸出轉(zhuǎn)速來(lái)決定，而PLC的輸出要根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器的反饋進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)的控制框圖下圖所示[5]。圖41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 （41） 變頻器模型建立在工程實(shí)踐中，可以針對(duì)具體情況，將變頻器的傳遞函數(shù)設(shè)定為一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)或一個(gè)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= , (42) 電動(dòng)機(jī)模型建立電機(jī)中電流和電壓間的傳遞函數(shù)：TL和TC均為小時(shí)間常數(shù)。所以電機(jī)中電流和電壓間的傳遞函數(shù)可以簡(jiǎn)化為： 因?yàn)檩敵鲛D(zhuǎn)速和輸出電流承線性關(guān)系：其中的參數(shù)分別?。?R=，L=，C=600μF則有：TL=L/R= Tc=RC= G3(s)= (43) 系統(tǒng)傳遞函數(shù)本文采用單位負(fù)反饋，即Kf =1。由圖35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42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(jì)算簡(jiǎn)單不妨將KK2的值取成1，最終得到： （44） 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(shí)間Ti和和微分時(shí)間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。一般可以通過(guò)理論計(jì)算來(lái)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(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。經(jīng)驗(yàn)法又叫現(xiàn)場(chǎng)湊試法，它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，利用一組經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對(duì)于轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(lái)的50～80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)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(shí)間Td=0，逐漸加大Td，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)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(jì) 電路設(shè)計(jì) 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(jì)作為本設(shè)計(jì)的核心部分，其合理程度直接關(guān)乎到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的成敗，所以對(duì)于這部分一定要廣泛收集資料，認(rèn)真考慮每一個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)采用三菱FX 2N48MT的PLC，以及三菱FRA740的變頻器，相關(guān)電路連接如下圖所示。圖51 PLC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(dòng)選擇。再生制動(dòng)是電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)把一部分動(dòng)能通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存起來(lái)，回收利用。再生制動(dòng)一般是和傳統(tǒng)液壓制動(dòng)協(xié)調(diào)配合提供制動(dòng)力的，再生制動(dòng)力是為了回收能量，再生制動(dòng)力越大，回收的能量越多，具體再生制動(dòng)力大小是受速度、電池容量、電機(jī)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(yùn)行頻率。(4)=900；=1600；=2400僅RH為ON時(shí) 僅RM為ON時(shí) 僅RL為ON時(shí) 以上參數(shù)均通過(guò)變頻器的PU面板輸入。 變量泵轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路變量泵的轉(zhuǎn)速檢測(cè)是否精準(zhǔn)決定著PLC給變頻器的輸出值是否妥當(dāng)，所以對(duì)于信號(hào)的采集和處理要認(rèn)真對(duì)待。傳感器接口電路下圖所示。圖52變量泵轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路一般來(lái)說(shuō)傳感器輸出為正弦信號(hào)，需要將其進(jìn)行整流、放大、AD轉(zhuǎn)換，以便送入PLC進(jìn)行計(jì)算。先將輸出的正弦波信號(hào)通過(guò)二極管進(jìn)行整流，在轉(zhuǎn)速比較低的時(shí)候傳感器輸出的電壓信號(hào)幅值比較小，為了提高靈敏度，還要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大。因?yàn)镕X 2N4AD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(yùn)我們?cè)谑忻嫔险业搅薒M331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(shí)驗(yàn)中的需要。在信號(hào)放大部分，選取R0和R1的阻值分別為10 K、 K。根據(jù)式(51)可計(jì)算出放大倍數(shù)約為5。 (51) LM331是美國(guó)NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)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(zhǎng)時(shí)間積分器及其他相關(guān)器件。LM331 采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路, 在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到 電源電壓下都有極高的精度。LM331 的動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá) 100dB； 線性度好, 最大非線性失真小于 % ，；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位； 外接電路簡(jiǎn)單,只需接入幾個(gè)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53 LM331 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51 LM331 器件管腳名及管腳功能引腳號(hào)引腳名功能1Current Output電流輸出2Ref Current基準(zhǔn)電流3Frequency Output頻率輸出4GND接地5R/C接 RC 定時(shí)電路6Thresholod閾值7Comparator Input比較輸入8VS電源LM331 的內(nèi)部電路組成由輸入比較器、定時(shí)比較器、RS 觸發(fā)器、輸出驅(qū)動(dòng)管、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路、精密電流源電路、電流開(kāi)關(guān)、輸出保護(hù)管等部分組成輸出驅(qū)動(dòng)管采用集電極開(kāi)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 ～40V 之間，輸出可高達(dá) 40V，而且可以防止 Vcc 短路。 供電電路設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)的動(dòng)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(jī)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54 供電電路設(shè)計(jì)380V電源首先經(jīng)過(guò)變壓器變成我們需要的電壓，然后經(jīng)過(guò)橋式整流器整流成直流，再經(jīng)過(guò)濾波操作就可以達(dá)到直流輸出的效果。至于PC機(jī)所需要的220V交流電可以用380V的一相和接地線構(gòu)成[7]。 抗干擾設(shè)計(jì)為了將電控系統(tǒng)和供電電網(wǎng)的電源隔離開(kāi)，消除因公共電阻引起的耦合，減少負(fù)載波動(dòng)的影響，同時(shí)也為了安全，常常在電源變壓器之前增加一個(gè)1：1隔離變壓器。下圖為交流電源抗干擾的綜合方案。圖55交流電源的抗干擾設(shè)計(jì)目前國(guó)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(jì)綜合價(jià)格和性能的考慮，最終選擇LTN141AT08型號(hào)的觸摸屏來(lái)替代原來(lái)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56觸摸屏的相關(guān)電路設(shè)計(jì)下面是LTN141AT08觸摸屏的