【正文】 第6章 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)言和準(zhǔn)備工作 對(duì)于PLC的程序編寫(xiě)，我們采用日本三菱公司提供的GX Developer Version8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(dòng)監(jiān)控功能在線監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況，同時(shí)安裝與其配套的PLC仿真軟件后，可以不需要硬件設(shè)備開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)。(1)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言目前，PLC程序設(shè)計(jì)主要采用梯形圖、功能塊圖、指令表等6種語(yǔ)言類(lèi)型，其中梯形圖是應(yīng)用最為廣泛的語(yǔ)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(hào)的圖形編程語(yǔ)言，通常由一系列指令組成，其最大特點(diǎn)是程序直觀、形象。(3)編程前的準(zhǔn)備工作編程前準(zhǔn)備工作包括信號(hào)地址分配、內(nèi)存單元地址分配及完成信號(hào)分配表信號(hào)地址的分配：輸入輸出信號(hào)包括實(shí)際過(guò)程中的輸入輸出信號(hào)。下圖為軟元件使用情況表。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(jìn)而改變了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。PLC程序如下所示。要求高怠速1200轉(zhuǎn)/分。PLC程序如下：圖67 自動(dòng)怠速程序 行進(jìn)控制本實(shí)驗(yàn)對(duì)挖掘機(jī)的行進(jìn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。詳細(xì)程序如下所示：圖68 行進(jìn)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(yǔ)句，意思分別是從PLC讀出和讀入到PLC，然后通過(guò)對(duì)K17行的16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)賦值來(lái)實(shí)現(xiàn)通道選擇和啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換或者DA轉(zhuǎn)換的功能。所以在程序中加入“看門(mén)狗”，可以對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，以防意外情況的發(fā)生。本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)“看門(mén)狗”程序，如下圖所示。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(xiě)數(shù)據(jù)。在使用前首先要安裝編程電纜的驅(qū)動(dòng)程序，在安裝驅(qū)動(dòng)結(jié)束后，要進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)定。選擇（端口），找到你安裝的USB口，單擊右鍵顯示（屬性）點(diǎn)擊，顯示屬性對(duì)話欄，選擇（端口設(shè)置）將這個(gè)對(duì)話框里的高級(jí)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。 串口父設(shè)備設(shè)置FX232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。 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(qǐng)按如下的步驟來(lái)使用和設(shè)置本構(gòu)件的屬性：采集周期：為運(yùn)行時(shí)，MCGS對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的時(shí)間周期，單位為毫秒，一般在靜態(tài)測(cè)量時(shí)設(shè)為1000ms，在快速測(cè)量時(shí)設(shè)為200ms。三菱FX232 PLC設(shè)備構(gòu)件把PLC的通道分為只讀，只寫(xiě)，讀寫(xiě)三種情況，只讀用于把PLC中的數(shù)據(jù)讀入到MCGS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，只寫(xiě)通道用于把MCGS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到PLC中，讀寫(xiě)則可以從PLC中讀數(shù)據(jù)，也可以往PLC中寫(xiě)數(shù)據(jù)。(4)指定操作該通道地址中的哪一位(07)或一次操作1個(gè)字16位或2個(gè)字32位，或浮點(diǎn)。(3)通信參數(shù)設(shè)置是否正確。MCGS界面轉(zhuǎn)速傳感器交流電動(dòng)機(jī) 變頻器PLCAD、DA模塊SC9編程電纜圖71 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建圖 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析能實(shí)現(xiàn)最基本的功能，比如電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止、電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)、電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。傳統(tǒng)挖掘機(jī)電控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面一般都會(huì)用觸摸屏，觸摸屏當(dāng)然有觸摸屏的好處，操作簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境要求低，低功耗，編程簡(jiǎn)單等等，也正因?yàn)槿绱擞|摸屏的擴(kuò)展性就大大受到了限制，界面雖然簡(jiǎn)潔但是難以美化，一些復(fù)雜的功能難以實(shí)現(xiàn)。 經(jīng)濟(jì)效益分析 能源分析目前國(guó)際油價(jià)處于較高的價(jià)格，造成成品油價(jià)格處于高位，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和石油能源的不可再生性，油價(jià)還將處于上升趨勢(shì)。電動(dòng)挖掘機(jī)（20噸機(jī)型）采用110kW變頻電動(dòng)機(jī)，恒功率模式驅(qū)動(dòng)，由于電動(dòng)機(jī)在對(duì)負(fù)載的自適應(yīng)性，能源的使用效率較高，在工作時(shí)的平均功率實(shí)測(cè)為80kW左右。按每500小時(shí)為一個(gè)保養(yǎng)周期，2015／500＝4元，平均每小時(shí)約需4元左右?？梢?jiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)費(fèi)用比電動(dòng)機(jī)多出十多倍。從而大大降低了設(shè)備故障的停機(jī)率。電動(dòng)挖掘機(jī)作為機(jī)電一體化的產(chǎn)品，集合了機(jī)械、電氣、電力電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)；所以從挖掘機(jī)技術(shù)的高低同時(shí)也可以看出我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展情況；而現(xiàn)在我國(guó)電動(dòng)挖掘機(jī)正在迅猛發(fā)展，每年的產(chǎn)量也在大幅增加，同時(shí)技術(shù)水平也在不斷進(jìn)步；但我們也清醒看到在一些關(guān)鍵部件與國(guó)外先進(jìn)水平的差距，這里面既有屬于機(jī)械加工方面的，也有屬于電子控制方面的。通過(guò)合理的設(shè)備選型、參數(shù)設(shè)置和軟件設(shè)計(jì)，提高了電動(dòng)挖掘機(jī)的運(yùn)行可靠性。設(shè)計(jì)中肯定還有其它不足和紕漏之處，請(qǐng)各位老師指正。該數(shù)學(xué)模型的變頻調(diào)速系統(tǒng)提出了矢量控制方式,其可逆轉(zhuǎn)性得到證實(shí)。1. 導(dǎo)論近年來(lái),隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論,逐漸涉及到交流電機(jī)系統(tǒng),這些技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于變頻器調(diào)速的交流馬達(dá)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)有較高的計(jì)算速度，龐大的記憶能力以及與其他軟件良好的兼容性等。該系統(tǒng)由普通的逆變器和異步電機(jī)組成，是一種復(fù)雜的非線性系統(tǒng),傳統(tǒng)的PID控制策略,并不能滿足要求和進(jìn)一步控制。隨后,一個(gè)線性閉環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)可以達(dá)到較高的控制性能。這個(gè)組合可以促進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反饋付諸實(shí)踐，來(lái)實(shí)現(xiàn)其全部的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。2. 神經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)控制方法基本的反饋控制方法就是:對(duì)于一個(gè)給定的系統(tǒng)、一種由反饋方法建立的完整的反饋系統(tǒng),并結(jié)合反饋系統(tǒng)與原系統(tǒng)的特點(diǎn),提出了一種解耦的線性關(guān)系,以標(biāo)準(zhǔn)化體系,并命名為偽線性系統(tǒng)。由于非線性系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),所以很難要求嚴(yán)格解析反饋信號(hào),這甚至是不可能的。這樣就可能，運(yùn)用反饋控制方法去控制一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。3. 異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和它的反饋性能異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)提供的跟蹤電流正弦脈寬調(diào)制逆變器可以表示為非線性模型在兩相循環(huán)的協(xié)調(diào)。相關(guān)的系統(tǒng)是.當(dāng)變頻器運(yùn)行模式的變化,在矢量磁鏈的可以忽略的磁鏈(考慮到是恒定,等于等級(jí))。它不僅需要獲得原系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),還需要獲得了靜態(tài)的數(shù)據(jù)?；谶@些輸入,將得到1600組得到運(yùn)行樣本。輸出層是由線性臨界激勵(lì)函數(shù)的神經(jīng)元組成。并得到原系統(tǒng)的反饋模型。WinCC用MPI協(xié)議被CP5611貫穿到S7300。 軟件編程 通信介紹MPI(多點(diǎn)接口)是一種簡(jiǎn)單、便宜的通訊策略，運(yùn)用在運(yùn)行慢，非大型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合。它允許控制信號(hào)直接發(fā)送到變頻地址, SFC14/15的系統(tǒng)功能模塊。這樣可以縮短開(kāi)發(fā)周期,節(jié)省人力資源,并簡(jiǎn)化了整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被WinCC讀取并寫(xiě)到Excel上,然后Excel上的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換到矩陣實(shí)驗(yàn)室為在離線運(yùn)行時(shí)獲得原系統(tǒng)的反饋系統(tǒng)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)速度參照是100秒每周期的方波信號(hào)時(shí),逆變器運(yùn)行的是矢量模式。（PI控制下的速度響應(yīng)） （網(wǎng)絡(luò)反饋控制下的速度響應(yīng)）6. 結(jié)論為了改善PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制性能，因而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反饋系統(tǒng)被使用。附錄B： PLC程序‘附錄C： 電氣原理圖。反饋系統(tǒng)和原系統(tǒng)被組合并構(gòu)建成偽線性系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了線性控制的方法進(jìn)行控制。當(dāng)速度參照保持恒定時(shí),經(jīng)過(guò)80秒時(shí)間，負(fù)荷降低到?jīng)]有負(fù)荷,經(jīng)過(guò)120秒時(shí)間,負(fù)荷增加到滿負(fù)荷，所以在傳統(tǒng)控制下的速度響應(yīng)曲線和網(wǎng)絡(luò)反饋控制下的速度響應(yīng)曲線如下圖所示。為了阻止程序A運(yùn)行時(shí)間超過(guò)100毫秒，減小程序的運(yùn)行周期和系統(tǒng)錯(cuò)誤，控制步驟和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法被編程為主程序B。所以O(shè)PC技術(shù)可以用來(lái)獲得在WinCC和Excel之中所需的數(shù)據(jù)。不同類(lèi)型的服務(wù)器和客戶機(jī)可以存取彼此的數(shù)據(jù)來(lái)源。MMV變頻器作為從動(dòng)裝置連接到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò),并安裝到CB15 PROFIBUS模塊上。西門(mén)子的PLC能兼容美國(guó)的協(xié)議。選擇S73152DP PLC控制器,它有一個(gè)PROFIBUSDP接口和一個(gè)MPI接口。50次運(yùn)行之后。靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是由2個(gè)輸入層的神經(jīng)元，3個(gè)輸出層的神經(jīng)元和12個(gè)隱蔽層的神經(jīng)元組成。信號(hào)的欲處理的第一階段是從每0HZ到50HZ中得到10HZ，并得到開(kāi)環(huán)響應(yīng)。根據(jù)隱函數(shù)定理，公式(3)的反饋系統(tǒng)可以表達(dá)為: (9)當(dāng)反饋系統(tǒng)連續(xù)連接到原系統(tǒng)時(shí)，偽線性復(fù)合系統(tǒng)形成類(lèi)型。如果忽略逆變器的延遲,該模型表述如下: (1)（表示同步角頻率；表示轉(zhuǎn)速； 表示定子的電流； 表示轉(zhuǎn)子在軸線上的不穩(wěn)定部分； 表示點(diǎn)的數(shù)量；表示互感系數(shù)；表示慣性轉(zhuǎn)矩；表示轉(zhuǎn)子的時(shí)間常數(shù)； 表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩。原系統(tǒng)的層疊式的反饋系統(tǒng),會(huì)形成一個(gè)偽線性系統(tǒng)。作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性逼近能力,尤其是對(duì)于非線性的復(fù)雜系統(tǒng),它會(huì)是來(lái)解決問(wèn)題的強(qiáng)大工具。當(dāng)在“幾何領(lǐng)域”討論這些問(wèn)題時(shí)，反饋系統(tǒng)控制方法并不像微分幾何方法，其特點(diǎn)是直接，簡(jiǎn)單，易于理解。然后是對(duì)反饋系統(tǒng)進(jìn)行分析的的介紹,并給出了關(guān)于PLC控制系統(tǒng)中構(gòu)造反饋系統(tǒng)的方法和步驟。在線性化及其解耦控制正常的非線性系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)采用這種方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng), 在未來(lái)幾年里將是一種新型的控制方法。可編程序控制器(PLC)控制系統(tǒng)是專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,它的穩(wěn)定性和可靠性好。由于在工業(yè)領(lǐng)域中的糟糕的環(huán)境和嚴(yán)重的干擾,選擇控制器是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。采用PLC、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)在實(shí)際系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)。PLC變頻調(diào)速的網(wǎng)絡(luò)反饋系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng),包括一個(gè)異步電動(dòng)機(jī)和通用逆變器、且PLC控制被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。PLC 與交流變頻調(diào)速(VVVF)控制技術(shù)結(jié)合提升了電動(dòng)挖掘機(jī)的效率，有利于挖掘機(jī)的節(jié)能減排，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。由于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)漫長(zhǎng)的很復(fù)雜的過(guò)程，同時(shí)要考慮到這個(gè)系統(tǒng)所涉及的各種影響因素，只有把它們之間的關(guān)系協(xié)調(diào)好了這個(gè)控制系統(tǒng)最終才可能有使用價(jià)值，因此需要在實(shí)際應(yīng)用中不斷的驗(yàn)證和改進(jìn)。事實(shí)證明電動(dòng)挖掘機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速的控制當(dāng)中比傳統(tǒng)的控制方式更具優(yōu)勢(shì)，這方面的研究前景廣闊。一旦發(fā)生故障，由于備件的通用性差，使挖掘機(jī)短時(shí)間內(nèi)不能恢復(fù)生產(chǎn)。電動(dòng)機(jī)保養(yǎng)項(xiàng)目有：每年需給電動(dòng)機(jī)軸承加注二硫化鉬潤(rùn)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(gè)小時(shí)，1400／5000＝。由此可見(jiàn)挖掘機(jī)以電力為動(dòng)力會(huì)比傳統(tǒng)柴油動(dòng)力節(jié)省2/3的投入，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。目前0／升，／千瓦時(shí)（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(jià)更低）。設(shè)計(jì)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(biāo)對(duì)駕駛員的綁架，大大提高了駕駛的方便性?？梢?jiàn)這方面的研究前景廣闊。第7章 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建在機(jī)械樓對(duì)基于PLC電動(dòng)挖掘機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了搭建，對(duì)部分硬軟件進(jìn)行了調(diào)試，對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)操作。 通信故障分析(1)檢查PLC是否上電。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(kāi)的屬性頁(yè)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(duì)PLC中的那個(gè)繼電器區(qū)或寄存器區(qū)進(jìn)行操作即選擇通道類(lèi)型(2)選擇是只讀，只寫(xiě)，還是讀寫(xiě)，默認(rèn)是只讀。內(nèi)部屬性：用來(lái)組態(tài)要具體操作哪些寄存器。通信參數(shù)必須設(shè)置成與PLC的設(shè)置一樣。 SC09 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(hù)電路，可帶電任意插拔(2)波特率：0～230kbps(3)電纜長(zhǎng)度：3米，全屏蔽，帶接地線(4)帶有通信指示燈，通信時(shí)LED閃爍 (5)工作溫度：20～75℃ (6)重量：150克 SC09編程電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下所示：圖613 SC09 編程電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu) MCGS軟件與PLC的通信 PLC設(shè)置FX系列PLC支持無(wú)協(xié)議的RS232和RS485通信協(xié)議兩種通信方式，通過(guò)改變D8120的值來(lái)改變通信方式[9]。右鍵單擊（我的電腦）點(diǎn)擊屬性。同時(shí)具有轉(zhuǎn)速報(bào)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(cè)和監(jiān)測(cè)提供較為全面合理的數(shù)據(jù)。本設(shè)備構(gòu)件提供了2個(gè)特定的設(shè)備命令，用于讀寫(xiě)PLC中指定的繼電器區(qū)或寄存器區(qū)中的任何一個(gè)通道。如果在程序運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤或者運(yùn)行時(shí)間超過(guò)500 ms，PLC停止工作。圖69 AD轉(zhuǎn)換程序 DA轉(zhuǎn)換預(yù)存數(shù)字量到指定位置，啟動(dòng)DA轉(zhuǎn)換，選擇通道一，程序如下。MCGS軟件中的“前進(jìn)”和“后退”分別對(duì)應(yīng)寫(xiě)入X000和X001軟元件，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退功能。如果有壓力則不進(jìn)行任何操作。以下是詳細(xì)程序：圖64 PID參數(shù)賦值程序用PLC內(nèi)置的PID功能進(jìn)行運(yùn)算。程序如下