【正文】 下圖為軟元件使用情況表。 內(nèi)存單元地址的分配：內(nèi)存單元通常用于中間運(yùn)算結(jié)果的存儲(chǔ)，包括計(jì)時(shí)器、計(jì)石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 數(shù)器、高速計(jì)時(shí)器、可逆計(jì)數(shù)器、需要掉電保持的 繼電器和專用繼電器、內(nèi)部繼電器等。 (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)際過程中的輸入輸出信號(hào)。 (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)過程 )的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 (1)程序設(shè)計(jì)語言 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 種語言類型，其中梯形 圖是應(yīng)用最為廣泛的語言之一，其原因在于它是一種沿用了繼電器、線圈等圖形與符號(hào)的圖形編程語言，通常由一系列指令組成，其最大特點(diǎn)是程序直觀、形象。適用于 Q、 QnU、 QS、 QnA、 AnS、 AnA、FX 等全系列可編程控制器。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 第 6 章 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)語言和準(zhǔn)備工作 對(duì)于 PLC 的程序編寫，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)備開發(fā)控制系統(tǒng)。 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。 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 ,上面有多齒或缺齒）和相對(duì)靜止的感應(yīng)線圈兩部分組成。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號(hào)強(qiáng)， 測量范圍廣，齒輪、曲軸、輪輻等部件，及表面有縫隙的轉(zhuǎn)動(dòng)體都可測量。但是在被測物體的轉(zhuǎn)速超過磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的測量范圍時(shí)，磁路損耗會(huì)過大，使得輸出電勢銳減。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器由鐵芯、磁鋼、感應(yīng)線圈等部件組成的，測量對(duì)象轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速傳感器的線圈會(huì)產(chǎn)生磁力線，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)切割磁力線，磁路由于磁阻變化，在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生電動(dòng)勢。本設(shè)計(jì)中我們采用了 JX71C 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。模擬量信號(hào)有 2 種，電壓或者電流信號(hào) ，一般是變送器傳過來的信號(hào)，比如用壓力變送器檢測水管壓力，它會(huì)輸出一個(gè)模擬信號(hào) 420ma 或者 010v 的信號(hào)給PLC， PLC 來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。所以，我們要用一個(gè)數(shù)字來表示它的大小，然后告訴 PLC， PLC才能知道輸入的電壓、電流信號(hào)具體有多大。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。 三菱 FX2N4DA 是一款模擬量模塊。 FX2N4AD 和 FX2N 主單元之間通過緩沖存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)， FX2N4AD 共有 32 個(gè)緩沖存儲(chǔ)器 (每個(gè) 16 位 )。 FX2N4AD 最大分辨率是 12 位。 FX2N4AD 模擬特殊模塊有四個(gè)輸入通道。 (6)轉(zhuǎn)換速度 6~15ms。 (4)分辨率電壓為 1/20xx， 5mV，電流為 1/1000， 20uA。 (3)12 位轉(zhuǎn)換結(jié)果以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存放。 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。 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。 變頻調(diào)速是通過改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把三相或單相交流電變換為直流電（ DC），然后再把直流電（ DC）變換為三相或單相交流電（ AC）。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。合理的容量選擇本身就是一種節(jié)能降耗措施。 (5)濕度：最濕月月平均最高相對(duì)濕度為 90%。 技術(shù)指標(biāo)： (1)額定電壓： 380V。 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：無電壓觸點(diǎn)，或 NPN 集電極開路輸出晶體管 (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)。 FX2N48MT 也符合要求。設(shè)計(jì)階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。最后，還需考慮到整機(jī) PLC 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)布置， 確保主站和各個(gè)分站能可靠對(duì)接。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)。 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 M2 怠速觸發(fā) X003 操作桿壓力監(jiān)測 M3 轉(zhuǎn)速過小 X004 高速 M4 轉(zhuǎn)速適中 X005 中速 M5 轉(zhuǎn)速過大 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 20， FX2N48MT 所提供的點(diǎn)數(shù)為 48，在有一定預(yù)留量的前提下滿足要求。工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定 PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的 PLC 和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 將 USB 公頭插入到電腦的 USB 接口，即可實(shí)現(xiàn)用觸摸屏控制電腦。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)。 C 到 70176。 C 到 60176。 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)的觸摸屏來替代原來電腦上的普通液晶屏幕。 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。 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，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。 380V 交流電轉(zhuǎn) 24V 直流電的電路圖如下圖所示： 3 8 0 V 交 流2 4 V 直 流1 2 0 u 1 2 5 u 圖 54 供電電路設(shè)計(jì) 380V 電源首先經(jīng)過變壓器變成我們需要的電壓，然后經(jīng)過橋式整流器整流成直流，再經(jīng)過濾波操作就可以達(dá)到直流輸出的效果。 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。 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 % ，工作頻率低到 有較好的線性 ；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá) 12位； 外接電路簡單 ,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。 101 RRAuf ?? (51) 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 LM331 是美國 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)、長時(shí)間積分器及其他相關(guān)器件。 在信號(hào)放大部分，選取 R0 和 R1 的阻值分別為 10 K、 K。先將輸出的正弦波信號(hào)通過二極管進(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。傳感器接口電路下圖所示。 (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)均通過變頻器的 PU 面板輸入。 (2)Pr73=1 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 表示選擇了模擬量輸入模式。 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)能通過電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存起來，回收利用。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。 (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)。 (2)整定積分環(huán)節(jié) 先將步驟 (1)中選擇的比例系數(shù)減小為原來的 50～ 80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測響應(yīng)曲線。 實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為 先比例，再積分，最后微分 。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 。 ?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)的過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求 。所以電機(jī)中電流和電壓間的傳遞函數(shù)可以簡化為： ?)()(sU sIdd )1( 1??sTR sTLc 因?yàn)檩敵鲛D(zhuǎn)速 和輸出電流承線性關(guān)系 ： sKsI sNd 23 )( )( ? ?)( )(3 sU sNd )1( )1(2 ??sTRs sTK Lc 其中的參數(shù)分別?。? R= ， L=， C=600μ F 則有： TL=L/R= Tc=RC= G3(s)=)( )(2 ??ss sK (43) 系統(tǒng)傳遞函數(shù) 本文采用單位負(fù)反饋，即 Kf =1。 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 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 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]。用戶只需要通過簡單的模塊化組態(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，無紙記錄儀、無人值守的現(xiàn)場采集站、人機(jī)界面等專用設(shè)備。具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的