【正文】 套件工廠，依靠自身雄厚實(shí)力共同推進(jìn)配套件行業(yè)的發(fā)展。 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始生產(chǎn)特大型挖掘機(jī)。 MCGS 設(shè)備窗口是 MCGS 系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)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(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。必須對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，才能使控制效果達(dá)到最優(yōu)。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而增大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。實(shí)驗(yàn)中要求測(cè)量實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速并且輸入到 PLC 進(jìn)行處理，但是這一過(guò)程并不簡(jiǎn)單。 本設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)速控制分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 設(shè)計(jì)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(jī)器。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)。 技術(shù)路線(xiàn) (1)通過(guò)去圖書(shū)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。 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。用戶(hù)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(zhuān)用設(shè)備。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(xiàn)法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線(xiàn)法 。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。傳感器接口電路下圖所示。 LM331 的動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá) 100dB； 線(xiàn)性度好 , 最大非線(xiàn)性失真小于 % ，工作頻率低到 有較好的線(xiàn)性 ；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。 交流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源隔 離 變 壓 器 1 ： 1電 源 變 壓 器 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(zhuān)門(mén)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。校準(zhǔn)的作用是使觸摸屏的有效區(qū)正確對(duì)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(zhǔn)叫邊到邊校準(zhǔn)。其次，對(duì)于一些大型設(shè)備，在軟件的設(shè)計(jì)上需要 CPU 有足夠的運(yùn)算速度和處理能力，比如做防搖系統(tǒng)，這時(shí)需要考慮采用雙 CPU 冗余系統(tǒng)。 FX2N48MT 技術(shù)指標(biāo)： (1)輸入電壓： DC24V（ 10%范圍內(nèi)） (2)輸入電流： DC24V,7mA (3)響應(yīng)時(shí)間： 10ms 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 (4)輸入信號(hào)形式：無(wú)電壓觸點(diǎn)，或 NPN 集電極開(kāi)路輸出晶體管 (5)輸入電路絕緣：光耦合絕緣 實(shí)物圖如下： 圖 57 三菱 FX2N48MT PLC 電動(dòng)機(jī)的選型 根據(jù)實(shí)際需要，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)該在 90KW 上下，所以我們選擇了 Y315L18 90KW 三相異步電動(dòng)機(jī)。因?yàn)楸?設(shè)計(jì)中選用的電動(dòng)機(jī)功率為 90KW，而 FRA740 變頻器的功率范圍是 ,所以我們最終選擇了三菱 FR— A740 變頻器。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 圖 510 三菱 FX2N4DA 和三菱 FX2N4AD 性能指標(biāo)： (1)4 個(gè)輸入點(diǎn)可同時(shí)使用。 FX2N4AD 模擬特殊模塊有四個(gè)輸入通道。模擬量模塊是將壓 力、液位、溫度等信號(hào)轉(zhuǎn)化為 15V， 420mA（也有別的信號(hào)的，如 010V， 05V 等）然后交給 PLC 進(jìn)行處理的。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器由鐵芯、磁鋼、感應(yīng)線(xiàn)圈等部件組成的，測(cè)量對(duì)象轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速傳感器的線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生磁力線(xiàn)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)切割磁力線(xiàn)，磁路由于磁阻變化，在感應(yīng)線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。 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(hào)的頻率與齒輪轉(zhuǎn)速和齒數(shù)成正比。 (2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則 任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象 (生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程 )的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 下圖為軟元件使用情況表。 (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(xiàn)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。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 磁電式傳感器主要由旋轉(zhuǎn)的觸發(fā)輪（被等分的齒輪盤(pán) ,上面有多齒或缺齒）和相對(duì)靜止的感應(yīng)線(xiàn)圈兩部分組成。本設(shè)計(jì)中我們采用了 JX71C 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。 三菱 FX2N4DA 是一款模擬量模塊。 (6)轉(zhuǎn)換速度 6~15ms。 AD/ DA 模塊選型 綜合對(duì)輸入通道個(gè)數(shù)、兼容性以及預(yù)留升級(jí)的考慮最終的 AD 模塊我們選擇了三菱 FX2N4AD， DA 模塊選擇了三菱 FX2N4DA。合理的容量選擇本身就是一種節(jié)能降耗措施。 FX2N48MT 也符合要求。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 可以根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出表計(jì)算所需點(diǎn)數(shù)，表如下所示： 表 52 系統(tǒng)的輸入和輸出表 軟元件號(hào) 功能 軟元件號(hào) 功能 X000 前進(jìn) Y0 前進(jìn)電機(jī) X001 后退 Y1 后退電機(jī) X002 踏板壓力檢測(cè) M2 怠速觸發(fā) X003 操作桿壓力監(jiān)測(cè) M3 轉(zhuǎn)速過(guò)小 X004 高速 M4 轉(zhuǎn)速適中 X005 中速 M5 轉(zhuǎn)速過(guò)大 X006 低速 D0 轉(zhuǎn)速給定值 X007 自動(dòng)模式 D1 轉(zhuǎn)速瞬時(shí)值 X010 手動(dòng)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(diǎn)數(shù)不超過(guò) 20， FX2N48MT 所提供的點(diǎn)數(shù)為 48，在有一定預(yù)留量的前提下滿(mǎn)足要求。 C 到 70176。 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。 101 RRAuf ?? (51) 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 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(xiàn)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。 (4)=900； =1600； =2400 僅 RH 為 ON 時(shí) 頻率為 所設(shè)置的值決定 RH 的值 僅 RM 為 ON 時(shí) 頻率為 所設(shè)置的值決定 RM 的值 僅 RL 為 ON 時(shí) 頻率為 所設(shè)置的值決定 RL 的值 以上參數(shù)均通過(guò)變頻器的 PU 面板輸入。 (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(mǎn)意的控制效果和 PID 控制參數(shù)。 ?G2( s ) G3( s ) － Kf 給 定 N1 N3 Ud N2 關(guān) 系 轉(zhuǎn) 換 △ N Uk 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 ： fKsGsGsGsGsGsGG )()()(1 )()()(321321??閉環(huán) ))(( )(38)( 2 21 ?? ?? sss sKKsG 閉環(huán) 為了計(jì)算簡(jiǎn)單不妨 將 K K2 的值取成 1，最終得到： ))(( )(38)( 2 ?? ?? sss ssG 閉環(huán) （ 44） 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 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(mǎn)意的質(zhì)量指標(biāo)要求 。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)。 設(shè)計(jì)原理 以下為挖掘機(jī)的控制系統(tǒng)示意圖。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 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。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。而且減少燃耗、降低噪音，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命也有好處。 (8)起重臂長(zhǎng)度： (9)斗桿有效長(zhǎng)度： 主要功能 (1)轉(zhuǎn)速控制。這就是說(shuō)，在控制器中引入比例項(xiàng)是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅僅是放大誤差的幅值，目前需要引入的是積分項(xiàng)，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，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(yán)重超調(diào)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入積分項(xiàng)。 常規(guī)的 PID 控制器設(shè)計(jì)容易、適用面廣、可靠性高，是現(xiàn)在應(yīng)用很廣泛的一類(lèi)基本的控制器，對(duì)于參數(shù)固定并且非線(xiàn)性不嚴(yán)重的被控對(duì)象有很好的控制效果。韓國(guó)大宇公司在DH280 型挖掘機(jī)上采用了 EPOS 電子功率優(yōu)化系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓泵所吸收的功率，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 速始終保持在額定轉(zhuǎn)速附近，即發(fā)動(dòng)機(jī)始終以全功率運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣既充分利用了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、提高挖掘機(jī)的作業(yè)效率，又防止了發(fā)動(dòng)機(jī)因過(guò)載而熄火。 20 世紀(jì) 40 年代，有了 在拖拉機(jī)上裝配液壓反鏟的懸掛式挖掘機(jī)。這為我國(guó)液壓挖掘機(jī)行業(yè)的形成邁 出了重要的一步。還好有一直在進(jìn)步的科技基礎(chǔ)作為支撐，使人們對(duì)挖掘機(jī)的改造和創(chuàng)新進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。進(jìn)行了 PLC、AD 和 DA 模塊、變頻器、電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)速傳感器的選型。石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC 的電動(dòng)挖掘機(jī)變頻調(diào)速控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì) Design of the Variable Frequency Control System of the Electric Excavator Based on PLC 20xx 屆 機(jī)械工程 學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 測(cè)控技術(shù)與儀器 完成日期 20xx 年 6 月 11 日 摘要 電動(dòng)挖掘機(jī)價(jià)格低，耗能少，無(wú)污染，在礦山、交通、建筑 尤其是城建市政現(xiàn)場(chǎng)施 工中 應(yīng)用廣泛。用 Protel 軟件設(shè)計(jì)了 PLC和變頻器的相關(guān)接口電路、電源電路、轉(zhuǎn)速測(cè)量電路、抗干擾電路。尤其是在科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，人們對(duì)挖掘機(jī)的要求越來(lái)越高，不僅對(duì)其動(dòng)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(lái)要求更高了。 1967 年，我國(guó)有少數(shù)幾家工廠開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)液壓挖掘機(jī)，通過(guò)數(shù)年堅(jiān)持不懈的努力，克服一個(gè)又一個(gè)的困難，終于有少量幾種規(guī)格的液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品獲得初步成功，當(dāng)時(shí)有上海建筑機(jī)械廠的 WY100；貴陽(yáng)礦山機(jī)器廠的W460；合肥礦山機(jī)器廠的 WY60；長(zhǎng)江挖掘機(jī)廠的 WY160 和杭州重型機(jī)械廠的WY250 等。 國(guó)外發(fā)展及現(xiàn)狀 1833～ 1836 年，美國(guó)人奧蒂斯設(shè)計(jì)和制造了第一臺(tái)蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)、鐵木混合結(jié)構(gòu)、半回轉(zhuǎn)、軌行式的單斗挖掘機(jī)，生產(chǎn)率為 35 m3/h，但由于經(jīng)濟(jì)性差沒(méi)有應(yīng)用。德國(guó)利勃海爾公司開(kāi)發(fā)了 ECO(電子控制作業(yè) )的操縱裝置，石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 可根據(jù)作業(yè)要求調(diào)節(jié)挖掘機(jī)的作業(yè)性能，取得了高效率、低油耗的效果；美國(guó)卡特匹勒公司在新型 B 系統(tǒng)挖掘機(jī)上采用最新的 3114T 型柴油機(jī)以及扭矩載荷傳感壓力系統(tǒng)、功率方式選擇器等，進(jìn)一步提高了挖掘機(jī)的作業(yè)效率和穩(wěn)定性。 (2)PID 控制 本實(shí)驗(yàn)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(gè)問(wèn)題。 在積分控制中，控制器的輸出和輸入信號(hào)的積分成正比關(guān)系，對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則這個(gè)系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的。解決辦法就是使誤差接近零的時(shí)候，抑制誤差的作用也是零。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第 2 章 主要技術(shù)指標(biāo)和主要功能 技術(shù)指標(biāo) (1)電動(dòng)機(jī)電源 [2]：交流 380V (2)控制系統(tǒng)電源：直流 24V，負(fù)極搭鐵，主體單線(xiàn)制 (3)溫度：環(huán)境溫度 (4)電動(dòng)機(jī)： 90kW (5)起動(dòng)機(jī)：由發(fā)動(dòng)機(jī)確定 (6)鏟斗容量： 27m3 (7)起重臂傾角： 45176。這時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)的能量白白浪費(fèi)，為此，我們希望發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能自動(dòng)下降，處于低怠速狀態(tài)。 對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、停止、前進(jìn)、后退的控制。 (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)。 (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 。