【正文】 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/20xx/xp 等操作系統(tǒng)。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。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(mǎn)意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。 (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。根據(jù)式 (51)可計(jì)算出放大倍數(shù)約為 5。 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]。 C (3)使用壽命： 一百萬(wàn)次 (4)連 接材質(zhì)： FPC (5)反應(yīng)時(shí)間 10 毫秒 (6)透光度： 80% (7)儲(chǔ)藏溫度： 20176。 I/O 點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加 10%～20%的可擴(kuò)展余量后 ，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來(lái)替代。 實(shí)物圖如下： 圖 58 Y315L18 90KW 三相異步電動(dòng)機(jī) 變頻器的選型 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 一般情況下，選擇變頻器的功率和電機(jī)的功率一樣，在有些特殊情況下（如重載設(shè)備），也會(huì)選擇變頻器的功率大于電機(jī)的額定功率，以保證變頻器帶動(dòng)電機(jī)能夠正常運(yùn)行。 psfn /)1(60 ?? (52) 對(duì)于電機(jī)而言，其磁極對(duì)數(shù) p 已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率 s 變化不大，故電機(jī)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(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)的調(diào)試目的。 (5)總體精度 1%。 FX2N4AD 占用 FX2N擴(kuò)展總路線的 8 個(gè)點(diǎn)，這 8 點(diǎn)可以分配成輸入或輸出。 轉(zhuǎn)速傳感器的 選型 本實(shí)驗(yàn)在選擇轉(zhuǎn)速傳感器的時(shí)候考慮到必須是非接觸式測(cè)量，必須有較強(qiáng)的抗干石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 擾能力能夠在煙霧、油氣、水汽等環(huán)境中工作，輸出的信號(hào)必須足夠強(qiáng)，測(cè)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(shí)磁電式轉(zhuǎn)速傳感器維護(hù)成本較低，運(yùn)行過(guò)程無(wú)需供電，完全是靠磁電感應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，同時(shí)磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的運(yùn)轉(zhuǎn)也不需要機(jī)械動(dòng)作，無(wú)需潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的工作維護(hù)成本較低，運(yùn)行過(guò)程無(wú)需供電，完全是靠磁電感應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，同時(shí)磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的運(yùn)轉(zhuǎn)也不需要機(jī)械動(dòng)作，無(wú)需潤(rùn)滑。支持梯形圖、指令表、 SFC、 ST 及 FB、 Label 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，可進(jìn)行程序的線上更改、監(jiān)控及調(diào)試，具有異地讀寫(xiě) PLC程序功能。它們的地址分配根據(jù)工藝生產(chǎn)過(guò)程對(duì)有關(guān)變量的控制要求確定。因此，在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí)，遵循以下原則： ①實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的全部動(dòng)作并滿(mǎn)足其對(duì)產(chǎn)品加 工質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求； ②在滿(mǎn)足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、安全、可靠； ③充分提高自動(dòng)化程度，使用及維修方便，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度； ④ PLC 的點(diǎn)數(shù)要比設(shè)計(jì)中的多 10%，以備以后功能的擴(kuò)充。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 f n z?? (53) 式中， n 為發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)頻率。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生的電壓大小，和被測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)速有關(guān)，被測(cè)物體的轉(zhuǎn)速越快輸出的電壓也就越大，也就是說(shuō)輸出電壓和轉(zhuǎn)速成正比。 PLC 是不知道具體電壓或者電流信號(hào)的大小的。輸入通道接收模擬信 號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這稱(chēng)為 A/D 轉(zhuǎn)換。 (2)輸入電壓為 10V~+10V,如果絕對(duì)值超過(guò) 15V，則可對(duì)單元造成損壞。 圖 59 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。此電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、成本低、運(yùn)行維護(hù)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(dòng)的原動(dòng)機(jī)。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(jì)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(kuò)展的通訊方式的 CPU。只要根據(jù)顯示設(shè)備圖像區(qū)域的大小，在觸摸屏的對(duì)角點(diǎn)兩下就好了。這類(lèi)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。 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(chēng)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 1 Current Output 電流輸出 2 Ref Current 基準(zhǔn)電流 3 Frequency Output 頻率輸出 4 GND 接地 5 R/C 接 RC 定時(shí)電路 6 Thresholod 閾值 7 Comparator Input 比較輸入 8 VS 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。 P L CA D轉(zhuǎn) 速 傳 感 器L M 7 4 12 . 7 k2 . 7 k1 0 k2 . 7 k2 . 7 kV i nL M 3 3 112345678+ 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。 V o u t C O MF X 2 N 4 D AX 0 0 0X 0 0 1X 0 0 2X 0 0 3X 0 0 4X 0 0 5X 0 0 6X 0 0 7X 0 1 0X 0 1 1C O M+ 2 4 VY 0 0 0Y 0 0 1Y 0 0 2Y 0 0 3Y 0 0 4C O M前 進(jìn)后 退踏 板 壓 力 監(jiān) 測(cè)操 作 桿 壓 力 檢 測(cè)高 速中 速低 速自 動(dòng) 模 式手 動(dòng) 模 式F X 2 N 4 A DV i nFX 2n48MTS T RS T FR HR MR LS D25R ST3 8 0 VF R A 7 4 0U VWM轉(zhuǎn) 速 傳 感 器+ 2 4 V 2 4 V液 壓 泵圖 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。 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)。 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。通過(guò)選擇比較，最終選擇三菱的 FX2N 系列 PLC[3]。 (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)。 (2)PLC 程序。 (3)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)顯示。 手動(dòng)模式中通過(guò)高速、中速、低速三個(gè)檔位的變換來(lái)更改電動(dòng)機(jī)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(guò)變頻器的 PU 面板輸入，這樣就可以比較靈活地控制挖掘機(jī)的速度。電磁式轉(zhuǎn)速傳感器的輸出量是正弦波，輸出量一般不會(huì)十分完美，所以在輸入 PLC 的 AD 模塊之前還要經(jīng)過(guò)二極管進(jìn)行整流，然后經(jīng)過(guò)比例放大器進(jìn)行放大，才能輸入到三菱 FX2N4AD 模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。因此，比例和積分控制器可以使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 將誤差的比例 (P)，積分 (I)，微分 (D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，故稱(chēng) PID 控制器。 在設(shè)備窗口內(nèi)配置不同類(lèi)型的設(shè)備構(gòu)件，并根據(jù)外部設(shè)備的類(lèi)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(duì)象的形式與外部設(shè)備建立數(shù)據(jù)的傳輸通道連接。例如，美國(guó)馬利昂公司生產(chǎn)的斗容量為50150 m3 的剝離用挖掘機(jī)，斗容量為 l32 m3 的步行式拉鏟挖掘機(jī)； BE 公司生產(chǎn)的斗容量為 168. 2 m3 的步行式拉鏟挖掘機(jī)，斗容量為 l07 m3 的挖掘機(jī)等。在 20xx 年初國(guó)務(wù)院審核通過(guò)的裝備制造業(yè)調(diào)整振興規(guī)劃中，首次對(duì)工程機(jī)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(guó)外液壓件企業(yè)紛紛在中國(guó)合資建廠，這也給國(guó)內(nèi)配套件企業(yè)拉近與行業(yè)先進(jìn)水平的距離提供了良好的平臺(tái)。 自從 PLC 誕生以來(lái)，人們對(duì)電氣系統(tǒng)的控制就更加方便和安全了，本設(shè)計(jì)在PLC 控制的基礎(chǔ)上配合變頻調(diào)速裝置，運(yùn)用先進(jìn)的 PID 控制技術(shù)，不但成功解決了對(duì)挖掘機(jī)整體的控制問(wèn)題，而且效果超越了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞： 電動(dòng)挖掘機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、變頻器、 PLC、組態(tài)軟件。 論文分析了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了用電動(dòng)機(jī)和變頻器替代傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)力的調(diào)速控制系統(tǒng)總體方案。進(jìn)行了系統(tǒng)建模和 PID 參數(shù)整定。 Abstract Electric excavators have many advantages： Low cost, low power consumption and less pollution. It is widely used in mining, transportation, construction, especially in urban construction. With the state39。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 挖掘機(jī)從發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)走過(guò) 178 年的歷史，期間經(jīng)歷過(guò)從人力到蒸汽再到液壓驅(qū)動(dòng)。 目前我國(guó) 的電動(dòng)挖掘機(jī)市場(chǎng)如雨后春筍，百家爭(zhēng)鳴。 國(guó)外挖掘機(jī)生產(chǎn)廠商重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)，加快標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展速度。運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備構(gòu)件由設(shè)備窗口統(tǒng)一調(diào)度管理，通過(guò)通道連接，向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)提供從外部設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)控制參數(shù)，發(fā)送給系統(tǒng)其它部分，進(jìn)行控制運(yùn)算和流程調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和過(guò)程的自動(dòng)控制。 比例控制是一種簡(jiǎn)單的控制方式。 在微分控制中，控制器的輸出和輸入誤差信號(hào)的微分成比例關(guān)系。 (4)抗干擾設(shè)計(jì) 在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，在距離較遠(yuǎn)的電氣設(shè)備、儀表、 PLC 控制系統(tǒng)、 DCS 系統(tǒng)之間進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，往往存在干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至誤操作。自動(dòng)模式則是根據(jù)轉(zhuǎn)速輸入值和轉(zhuǎn)速的測(cè)量值自動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)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(jī)司機(jī)減少了很多負(fù)擔(dān)，可以把更多的精力用在對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)力臂的 控制上。 轉(zhuǎn)速顯示是駕駛員對(duì)挖掘機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷的重要參考，所以設(shè)計(jì)中如何更加快速準(zhǔn) 確地顯示出挖掘機(jī)的轉(zhuǎn)速十分重要。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)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。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，石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 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(mǎn)足多樣化廣泛需要的 PLC，并且具有高速處理及大量滿(mǎn)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。 挖掘機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)示意圖如下圖所示： 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 接 口 電 路 A D P L C D A 3 8 0 V變頻器M C G S界 面電動(dòng)機(jī)液壓泵 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： 轉(zhuǎn) 速 給 定 自 動(dòng) 控 制 M C G S 操 作 界 面 怠 速 顯 示 變 頻 器 轉(zhuǎn) 速 顯 示 電 動(dòng) 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 測(cè) 量 液 壓 泵 P L C D A 手 動(dòng) 控 制 行 進(jìn) 控 制 A D控制器 圖 32 系統(tǒng)總體控制框圖 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 第 4 章