【正文】 裝了全自動控制液壓系統(tǒng)，可自動調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動功率的浪費；還安裝了CAPS(計算機輔助功率系統(tǒng))，提高挖掘機的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)的功能；日本住友公司生產(chǎn)的FJ系列五種新型號挖掘機配有與液壓回路連接的計算機輔助功率控制系統(tǒng)，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃油、發(fā)動機功率和液壓功率的消耗，并延長了零部件的使用壽命；德國奧加凱(Oamp。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，可根據(jù)作業(yè)要求調(diào)節(jié)挖掘機的作業(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)挖掘機上采用最新的3114T型柴油機以及扭矩載荷傳感壓力系統(tǒng)、功率方式選擇器等，進一步提高了挖掘機的作業(yè)效率和穩(wěn)定性。MCGS設(shè)備窗口是 MCGS 系統(tǒng)的重要組成部分，負責(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)，實現(xiàn)對工業(yè)過程的實時監(jiān)控。運行過程中，設(shè)備構(gòu)件由設(shè)備窗口統(tǒng)一調(diào)度管理，通過通道連接，向?qū)崟r數(shù)據(jù)庫提供從外部設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，從實時數(shù)據(jù)庫查詢控制參數(shù)，發(fā)送給系統(tǒng)其它部分，進行控制運算和流程調(diào)度，實現(xiàn)對設(shè)備工作狀態(tài)的實時檢測和過程的自動控制。最后用SC09 編程電纜連接PLC和電腦。常規(guī)的PID控制器設(shè)計容易、適用面廣、可靠性高，是現(xiàn)在應(yīng)用很廣泛的一類基本的控制器，對于參數(shù)固定并且非線性不嚴重的被控對象有很好的控制效果。必須對PID參數(shù)進行調(diào)整，才能使控制效果達到最優(yōu)。比例控制是一種簡單的控制方式。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入積分項。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而增大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。在微分控制中，控制器的輸出和輸入誤差信號的微分成比例關(guān)系。原因是可能存在過大的慣性環(huán)節(jié)或者滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。這就是說，在控制器中引入比例項是不夠的，比例項的作用僅僅是放大誤差的幅值，目前需要引入的是積分項，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，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)嚴重超調(diào)。實驗中要求測量實時轉(zhuǎn)速并且輸入到PLC進行處理，但是這一過程并不簡單。(4)抗干擾設(shè)計在工業(yè)現(xiàn)場，在距離較遠的電氣設(shè)備、儀表、PLC控制系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)之間進行信號傳輸時，往往存在干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至誤操作。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，減少負載波動的影響，同時也為了安全，常常加入適當(dāng)?shù)目垢蓴_設(shè)計。(8)起重臂長度：(9)斗桿有效長度： 主要功能(1)轉(zhuǎn)速控制。本設(shè)計中轉(zhuǎn)速控制分為手動控制和自動控制。自動模式則是根據(jù)轉(zhuǎn)速輸入值和轉(zhuǎn)速的測量值自動對轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，使其被控制在合適范圍內(nèi)，這樣的話就給挖掘機司機減少了很多負擔(dān)，可以把更多的精力用在對挖掘機動力臂的控制上。挖掘機工作的時候，常常需要短暫停機，處于待命狀態(tài)，例如等待自卸卡車或需進行某種準(zhǔn)備工作等。而且減少燃耗、降低噪音，這對發(fā)動機使用壽命也有好處。設(shè)計中要求怠速控制在1200轉(zhuǎn)/分，這樣節(jié)省了能源又保養(yǎng)了機器。轉(zhuǎn)速顯示是駕駛員對挖掘機的工作狀態(tài)進行判斷的重要參考，所以設(shè)計中如何更加快速準(zhǔn)確地顯示出挖掘機的轉(zhuǎn)速十分重要。(4)行進控制。這些都是對挖掘機行進的最基本控制，由于本設(shè)計是基于PLC的，相信比傳統(tǒng)的控制方案效果更好。包括：變量泵轉(zhuǎn)速電路設(shè)計、供電電路設(shè)計、抗干擾設(shè)計、PLC和變頻器的相關(guān)接口電路、觸摸屏電路設(shè)計。包括：手動調(diào)速模塊、自動調(diào)速模塊、自動怠速模塊、PID調(diào)節(jié)模塊、AD和DA模塊、抗干擾模塊。(4)MCGS文件。第3章 總體設(shè)計方案 設(shè)計思想在本設(shè)計中，我們對挖掘機基于PLC的變頻調(diào)速系統(tǒng)進行了深入的研究，致力于將PLC、變頻器、電動機的優(yōu)勢有機結(jié)合，從而達到耗能更少，控制更方便的目的。 技術(shù)路線(1)通過去圖書館查閱關(guān)于電動挖掘機的相關(guān)資料，上網(wǎng)收集國內(nèi)外電動挖掘機轉(zhuǎn)速控制的最新資訊，對國內(nèi)外電動挖掘機的研究現(xiàn)狀進行分析，以明確哪些技術(shù)已經(jīng)成熟哪些方面還有比較大的進步空間。(3)根據(jù)實際需要對實驗中用到的幾大部件進行嚴格選型。(5)用GX Developer Version ，并且進行認真地調(diào)試。 設(shè)計原理以下為挖掘機的控制系統(tǒng)示意圖。相對于傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，用PLC實現(xiàn)運動控制更有優(yōu)越性：價格更低、速度更快、體積更小、操作更方便。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，除輸入/輸出16~128點的獨立用途外，還可以適用于多個基本組件間的連接，模擬控制，定位控制等特殊用途，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的PLC，并且具有高速處理及大量滿足單個需要的可擴展特殊功能模塊等特點，為各種自動化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。節(jié)能，當(dāng)頻率超過需求時降低頻率，電機用不完的能量就節(jié)省下來了；無極調(diào)速，電機都有一個固定的轉(zhuǎn)速，沒有其他調(diào)速裝置，這個轉(zhuǎn)速固定不變，而有的工況需要電機改變速度，沒有三菱變頻器，只能通過滑差電機或齒輪變速來實現(xiàn)，很復(fù)雜，很笨重，有了三菱變頻器，就使一切變速的需要變的輕而易舉，隨心所欲；啟動平穩(wěn)，速度平穩(wěn)上升，停止平穩(wěn)，速度平滑下降，沒有沖擊；具備多種信號輸入輸出端口，接收和輸出模擬信號，電流、電壓信號，與工控機、編程器配合，就能形成自動化控制系統(tǒng)。具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。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、人機界面等專用設(shè)備。挖掘機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)示意圖如下圖所示：58 圖31挖掘機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)總體控制方案如下圖所示：圖32系統(tǒng)總體控制框圖第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)以控制電動機轉(zhuǎn)速恒定為目標(biāo)，電動機轉(zhuǎn)速由PLC輸出轉(zhuǎn)速來決定，而PLC的輸出要根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器的反饋進一步進行調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)的控制框圖下圖所示[5]。所以電機中電流和電壓間的傳遞函數(shù)可以簡化為： 因為輸出轉(zhuǎn)速和輸出電流承線性關(guān)系：其中的參數(shù)分別取： R=，L=，C=600μF則有：TL=L/R= Tc=RC= G3(s)= (43) 系統(tǒng)傳遞函數(shù)本文采用單位負反饋，即Kf =1。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： 為了計算簡單不妨將KK2的值取成1，最終得到： （44） 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、積分時間Ti和和微分時間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，使系統(tǒng)的過渡過程達到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。實驗湊試法的整定步驟為先比例，再積分，最后微分。(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％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。(3)整定微分環(huán)節(jié)先置微分時間Td=0，逐漸加大Td，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。實驗采用三菱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。再生制動是電動機進行制動時把一部分動能通過電機轉(zhuǎn)換為電能儲存起來，回收利用。(2)Pr73=1 表示選擇了模擬量輸入模式。(4)=900；=1600；=2400僅RH為ON時 僅RM為ON時 僅RL為ON時 以上參數(shù)均通過變頻器的PU面板輸入。傳感器接口電路下圖所示。先將輸出的正弦波信號通過二極管進行整流，在轉(zhuǎn)速比較低的時候傳感器輸出的電壓信號幅值比較小，為了提高靈敏度，還要對輸出信號進行放大。在信號放大部分，選取R0和R1的阻值分別為10 K、 K。 (51) LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價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)、長時間積分器及其他相關(guān)器件。LM331 的動態(tài)范圍寬，可達 100dB； 線性度好, 最大非線性失真小于 % ，；變換精度高，數(shù)字分辨率可達12位； 外接電路簡單,只需接入幾個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。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 40V，而且可以防止 Vcc 短路。380V交流電轉(zhuǎn)24V直流電的電路圖如下圖所示：圖54 供電電路設(shè)計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到直流輸出的效果。 抗干擾設(shè)計為了將電控系統(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，減少負載波動的影響，同時也為了安全，常常在電源變壓器之前增加一個1：1隔離變壓器。圖55交流電源的抗干擾設(shè)計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。 觸摸屏設(shè)計綜合價格和性能的考慮，最終選擇LTN141AT08型號的觸摸屏來替代原來電腦上的普通液晶屏幕。C到60176。C到70176。校準(zhǔn)的作用是使觸摸屏的有效區(qū)正確對應(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)。將USB公頭插入到電腦的USB接口，即可實現(xiàn)用觸摸屏控制電腦。工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)輸入輸出表計算所需點數(shù)，表如下所示：表52 系統(tǒng)的輸入和輸出表軟元件號功能軟元件號功能X000前進Y0前進電機X001后退Y1后退電機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自動模式D1轉(zhuǎn)速瞬時值X010手動模式D2轉(zhuǎn)速輸出值Y2快速Y3中速Y4慢速系統(tǒng)輸入輸出點數(shù)不超過20，F(xiàn)X2N48MT所提供的點數(shù)為48，在有一定預(yù)留量的前提下滿足要求。其次，對于一些大型設(shè)備，在軟件的設(shè)計上需要CPU有足夠的運算速度和處理能力，比如做防搖系統(tǒng)，這時需要考慮采用雙CPU冗余系統(tǒng)。最后，還需考慮到整機PLC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)布置，確保主站和各個分站能可靠對接。設(shè)計階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。FX2N48MT也符合要求。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)時間：10ms(4)輸入信號形式：無電壓觸點，或NPN集電極開路輸出晶體管(5)輸入電路絕緣：光耦合絕緣實物圖如下：圖57 三菱FX2N48MT PLC 電動機的選型根據(jù)實際需要，發(fā)動機的功率應(yīng)該在90KW上下，所以我們選擇了Y315L18 90KW三相異步電動機。技術(shù)指標(biāo)：(1)額定電壓：380V。(5)濕度：最濕月月平均最高相對濕度為90%。合理的容量選擇本身就是一種節(jié)能降耗措施。因為本設(shè)計中選用的電動機功率為90KW，,所以我們最終選擇了三菱FR—A740變頻器。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）。變頻調(diào)速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調(diào)速的目的。 AD/ DA模塊選型綜合對輸入通道個數(shù)、兼容性以及預(yù)留升級的考慮最終的AD模塊我們選擇了三菱FX2N4AD，DA模塊選擇了三菱FX2N4DA。圖510三菱FX2N4DA和三菱FX2N4AD性能指標(biāo)：(1)4個輸入點可同時使用。(3)12位轉(zhuǎn)換結(jié)果以二進制補碼形式存放。(4)分辨率電壓為1/2000，5mV，電流為1/1000，20uA。(6)轉(zhuǎn)換速度6~15ms。FX2N4AD模擬特殊模塊有四個輸入通道。FX2N4AD最大分辨率是12位。FX2N4AD和FX2N主單元之間通過緩沖存儲器交換數(shù)據(jù)，F(xiàn)X2N4AD共有32個緩沖存儲器(每個16位)。三菱FX2N4DA是一款模擬量模塊。模擬量模塊是將壓力、液位、溫度等信號轉(zhuǎn)化為 15V，420mA（也有別的信號的，如010V，05V等）然后交給PLC進行處理的。所以，我們要用一個數(shù)字來表示它的大小，然后告訴PLC，PLC才能知道輸入的電壓、電流信號具體有多大。模擬量信號有2種，電壓或者電流信號 ，一般是變送器傳過來的信號，比如用壓力變送器檢測水管壓力，它會輸出一個模擬信號420ma或者010v的信號給PLC，PLC來進行數(shù)據(jù)處理。本設(shè)計中我們采用了JX71C磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。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，測量對象轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)速傳感器的線圈會產(chǎn)生磁力線，齒輪轉(zhuǎn)動會切割磁力線，磁路由于磁阻變化，在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生電動勢。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，磁路損耗會過大，使得輸出電勢銳減。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號強，測量范圍廣，齒輪、曲軸、輪輻等部件，及表面有縫隙的轉(zhuǎn)動體都可測量。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）和相對靜止的感應(yīng)線