【正文】 它們的地址分配根據(jù)工藝生產(chǎn)過程對(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)作并滿足其對(duì)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(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。支持梯形圖、指令表、 SFC、 ST 及 FB、 Label 語言程序設(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 PLC程序功能。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)速傳感器的工作維護(hù)成本較低，運(yùn)行過程無需供電，完全是靠磁電感應(yīng)來實(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，無需潤滑。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，也就是說輸出電壓和轉(zhuǎn)速成正比。 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)行過程無需供電，完全是靠磁電感應(yīng)來實(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，無需潤滑等優(yōu)點(diǎn)。 PLC 是不知道具體電壓或者電流信號(hào)的大小的。 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。輸入通道接收模擬信 號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這稱為 A/D 轉(zhuǎn)換。 (5)總體精度 1%。 (2)輸入電壓為 10V~+10V,如果絕對(duì)值超過 15V，則可對(duì)單元造成損壞。 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。 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。 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。此電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、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)。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)器容量的估算來替代。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。 I/O 點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔浚ǔ８鶕?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)。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。 C (3)使用壽命： 一百萬次 (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。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。 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]。 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 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。根據(jù)式 (51)可計(jì)算出放大倍數(shù)約為 5。 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 一般來說傳感器輸出為正 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。 (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。 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。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)。 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)。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。 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)過程中可以少走很多彎路。 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)。通過選擇比較，最終選擇三菱的 FX2N 系列 PLC[3]。 (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 。 (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)。 (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)。 (2)PLC 程序。 對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、停止、前進(jìn)、后退的控制。 (3)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)顯示。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)。 手動(dòng)模式中通過高速、中速、低速三個(gè)檔位的變換來更改電動(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。 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。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)過二極管進(jìn)行整流，然后經(jīng)過比例放大器進(jìn)行放大，才能輸入到三菱 FX2N4AD 模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。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。因此，比例和積分控制器可以使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 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。 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(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。 (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)問題。 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(duì)象的形式與外部設(shè)備建立數(shù)據(jù)的傳輸通道連接。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，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。例如，美國馬利昂公司生產(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。 國外發(fā)展及現(xiàn)狀 1833～ 1836 年，美國人奧蒂斯設(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)性差沒有應(yīng)用。在 20xx 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(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(jìn)水平的距離提供了良好的平臺(tái)。 1967 年，我國有少數(shù)幾家工廠開始研究開發(fā)液壓挖掘機(jī)，通過數(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；貴陽礦山機(jī)器廠的W460；合肥礦山機(jī)器廠的 WY60；長江挖掘機(jī)廠的 WY160 和杭州重型機(jī)械廠的WY250 等。 自從 PLC 誕生以來，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)整體的控制問題，而且效果超越了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)。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要求更高了。 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。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。 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。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 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。進(jìn)行了系統(tǒng)建模和 PID 參數(shù)整定。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。 Abstra