【正文】 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。本系統(tǒng)中我們采用三菱FX2N系列的PLC，和三菱FRA740變頻器，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，電動(dòng)機(jī)選用Y315L18 90KW三相異步電動(dòng)機(jī)。通過選擇比較，最終選擇三菱的FX2N系列PLC[3]。三菱變頻器[4]有幾大特點(diǎn)。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/2000/xp等操作系統(tǒng)。通過與其他相關(guān)的硬件設(shè)備結(jié)合，可以快速、方便地開發(fā)各種用于現(xiàn)場(chǎng)采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。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。圖41系統(tǒng)控制方案 輸出電壓與轉(zhuǎn)速差的轉(zhuǎn)換模型輸出電壓與轉(zhuǎn)速差一般承線性關(guān)系，設(shè)為K1 （41） 變頻器模型建立在工程實(shí)踐中，可以針對(duì)具體情況，將變頻器的傳遞函數(shù)設(shè)定為一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)或一個(gè)比例環(huán)節(jié)，本文將其處理為慣性環(huán)節(jié)，則控制電壓和輸出電壓,之間的傳遞函數(shù)為：取Ts= , (42) 電動(dòng)機(jī)模型建立電機(jī)中電流和電壓間的傳遞函數(shù)：TL和TC均為小時(shí)間常數(shù)。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。一般可以通過理論計(jì)算來確定，但誤差太大。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)。 (1)整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。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)。第5章 硬件設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì) 變頻器和PLC的相關(guān)接口電路變頻器和PLC的相關(guān)接口電路設(shè)計(jì)作為本設(shè)計(jì)的核心部分，其合理程度直接關(guān)乎到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的成敗，所以對(duì)于這部分一定要廣泛收集資料，認(rèn)真考慮每一個(gè)細(xì)節(jié)問題。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。再生制動(dòng)一般是和傳統(tǒng)液壓制動(dòng)協(xié)調(diào)配合提供制動(dòng)力的，再生制動(dòng)力是為了回收能量，再生制動(dòng)力越大，回收的能量越多，具體再生制動(dòng)力大小是受速度、電池容量、電機(jī)等因素約束的。(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。 變量泵轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路變量泵的轉(zhuǎn)速檢測(cè)是否精準(zhǔn)決定著PLC給變頻器的輸出值是否妥當(dāng)，所以對(duì)于信號(hào)的采集和處理要認(rèn)真對(duì)待。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。因?yàn)镕X 2N4AD接受的是電壓值，所以我們必須將頻率值轉(zhuǎn)化為電壓值，很幸運(yùn)我們?cè)谑忻嫔险业搅薒M331芯片，此芯片可以將頻率值轉(zhuǎn)化為電壓值，并且頻率值和電壓值承線性關(guān)系，剛好滿足我們實(shí)驗(yàn)中的需要。根據(jù)式(51)可計(jì)算出放大倍數(shù)約為5。LM331 采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路, 在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到 電源電壓下都有極高的精度。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1Current Output電流輸出2Ref Current基準(zhǔn)電流3Frequency Output頻率輸出4GND接地5R/C接 RC 定時(shí)電路6Thresholod閾值7Comparator Input比較輸入8VS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。 供電電路設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)的動(dòng)力電源為交流380V，而PLC所需要的電源為直流24V，搭載MCGS的PC機(jī)所需電源為220V，為了節(jié)約空間和能源我們將從380V交流電源著手，變換成各部件所需的電源。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]。下圖為交流電源抗干擾的綜合方案。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。觸摸屏、控制板、USB線之間的連接圖如下：圖56觸摸屏的相關(guān)電路設(shè)計(jì)下面是LTN141AT08觸摸屏的相關(guān)參數(shù)：(1)操作電壓：10V(2)操作溫度：10176。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。C(8)表面硬度：3H(9)操作力度：20g到80g上圖為線路圖的連接，按照?qǐng)D中連接好了之后，還要進(jìn)行相應(yīng)的軟件安裝，軟件安裝的作用除了驅(qū)動(dòng)觸摸屏之外，還要對(duì)觸摸屏進(jìn)行校準(zhǔn)。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。 硬件選型 PLC選型在PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC設(shè)計(jì)選型。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)。選擇CPU首先要考慮所需的存儲(chǔ)器容量，必須確保CPU存儲(chǔ)器容量大于所需。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。 存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量應(yīng)小于存儲(chǔ)器容量。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。綜上所述，我們選擇三菱公司PLC系列中的FX2N48MT。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)。(2)額定頻率為：50Hz.(3)功率：90kw(4)環(huán)境溫度：不超過40℃，最低環(huán)境空氣溫度為15℃。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。本課題中我們采用電機(jī)實(shí)際功率確定法，首先測(cè)定電機(jī)的實(shí)際功率,以此來選用變頻器的容量。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。通過改變電壓的頻率從而改變了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 (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。因?yàn)镻LC、變頻器同為三菱品牌，所以系統(tǒng)會(huì)有良好的兼容性。(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。最大值2047，最小值2048。(5)總體精度1%。(7)外接電源為24V，,電流為55mA。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?；陔妷夯螂娏鞯妮斎?輸出的選擇通過用戶配線來完成，可選用的模擬值范圍是10V到10V DC(分辨率5mV), 20到20mA(分辨率：20μA)。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。首先給大家介紹一下模擬量模塊的工作原理。PLC是不知道具體電壓或者電流信號(hào)的大小的。數(shù)字量輸入輸出信號(hào)就是開關(guān)量信號(hào)，1或者0。 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(wú)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(wú)需潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)物圖如下：圖511 JX71C磁電式轉(zhuǎn)速傳感器技術(shù)指標(biāo)：(1)輸出電壓： 在齒輪模數(shù)齒數(shù)60、材料為G間隙為1mm時(shí) 轉(zhuǎn)速為 1000轉(zhuǎn)/分 輸出有效值大于5V 轉(zhuǎn)速為 2000轉(zhuǎn)/分 輸出有效值大于10V 轉(zhuǎn)速為 3000轉(zhuǎn)/分 輸出有效值大于15V(2)直流電阻：低阻200～250Ω；高阻500～600Ω(3)絕緣阻抗：在500V直流時(shí)大于50MΩ(4)工作溫度：20℃～120℃(5)重量：約100g（不包括尾部引出線）JX71C磁電式轉(zhuǎn)速傳感器以磁電感應(yīng)為基本原理來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的。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。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的工作方式?jīng)Q定了它有很強(qiáng)的抗干擾性，能夠在煙霧、油氣、水汽等環(huán)境中工作。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(wú)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(wú)需潤(rùn)滑。當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，觸發(fā)輪與傳感器之間的間隙周期性變化，磁通量也會(huì)以同樣的周期變化，從而在線圈中感應(yīng)出近似正弦波的電壓信號(hào)。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 (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。GX Developer是三菱PLC的編程軟件。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PLC程序功能。用戶編程界面左右兩端為母線，在母線中間編寫PLC程序，事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結(jié)果在右面，為了便于檢查和日后的修改，可以對(duì)程序添加注釋以便日后的更改和調(diào)試。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(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； ④PLC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。還包括為了聯(lián)鎖非聯(lián)鎖等切換處理的有關(guān)信號(hào)。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。表61 軟元件使用列表軟元件號(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)速過小X004高速M(fèi)4轉(zhuǎn)速適中X005中速M(fèi)5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 程序模塊 轉(zhuǎn)速控制本課題中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)涉及到了自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同條件下駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)速的自由控制，手動(dòng)調(diào)節(jié)主要是調(diào)節(jié)變頻器的相關(guān)參數(shù)給高速、中速、低速賦予相應(yīng)的數(shù)值，而自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)用到了區(qū)間比較和PID的相關(guān)知識(shí)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制有著更加良好的控制效果。、來完成對(duì)高速、中