畢業(yè)論文--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)

1、<p>　　石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)</p><p>　　基于PLC的電動(dòng)挖掘機(jī)變頻調(diào)速控制</p><p><b>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　Design of the Variable Frequency Control System of the Electric Excavator Based on PLC<

2、;/p><p>　　2013 屆 機(jī)械工程 學(xué)院</p><p>　　專 業(yè) 測控技術(shù)與儀器 </p><p>　　學(xué) 號(hào) 20090822 </p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　指導(dǎo)教師

3、</p><p>　　完成日期 2013年 6 月11 日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　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)場施工中應(yīng)用廣泛。隨著國家各項(xiàng)重點(diǎn)工程的的相繼開工，電動(dòng)挖掘機(jī)的需求量將迅速增漲。變頻調(diào)速系統(tǒng)作為挖掘機(jī)的“心臟”，直接影響挖掘機(jī)的工作效率，所以研究電動(dòng)

4、挖掘機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)節(jié)能和環(huán)保具有重要意義。</p><p>　　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。由PLC輸出控制信號(hào)到變頻器，變頻器將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整到相應(yīng)的數(shù)值，轉(zhuǎn)速傳感器反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)給PLC，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用GX Developer軟件設(shè)計(jì)了：手動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)怠速、PID調(diào)節(jié)、AD、DA、

5、看門狗等模塊。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)速測量電路、抗干擾電路。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。使用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，操作和維護(hù)方便。</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)室搭建了控制系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)部分硬軟件進(jìn)行了調(diào)試，效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電動(dòng)挖掘機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、變頻器、PLC、

6、組態(tài)軟件。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Electric excavators have many advantages：Low cost, low power consumption and less pollution. It is widely used in mining, transportation, cons

7、truction, especially in urban construction. With the state's key projects have been started, the demand of electric excavator will rise rapidly. As the "heart" of the excavator, Frequency control system dir

8、ectly affects the efficiency of the excavator, so it is important for energy-saving and environmental protection to study the frequency control system o</p><p>　　In this paper we analyzed the traditional con

9、trol system in which engine is the power, an overall program is designed that motor and converter replace traditional engine-powered speed control system. Systematic modeling and PID parameter tuning are conducted. PLC o

10、utput control signals to the inverter, the inverter will adjust the motor’s speed to an appropriate value, the speed ??sensor feedbacks speed signal to the PLC, a closed loop control system is formed. We designed a few b

11、locks with the </p><p>　　A control system platform is built in the laboratory, a debugging is carried out on part of hardware and software, design requirements are achieve with good effect.</p><p&

12、gt;　　Key words: electric excavator、stepper motor、inverter、PLC、configuration software.</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題來源以及重要意義1&l

13、t;/p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1 國內(nèi)發(fā)展及現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2 國外發(fā)展及現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 關(guān)鍵技術(shù)與技術(shù)難點(diǎn)3</p><p>　　第2章 主要技術(shù)指標(biāo)和主要功能5</p><p>　　2.1 技術(shù)指標(biāo)

14、5</p><p>　　2.2 主要功能5</p><p>　　2.3 預(yù)期達(dá)到的成果及其形式6</p><p>　　第3章 總體設(shè)計(jì)方案7</p><p>　　3.1 設(shè)計(jì)思想7</p><p>　　3.2 技術(shù)路線7</p><p>　　3.3 設(shè)計(jì)原理7</p>

15、<p>　　第4章 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立和PID參數(shù)整定10</p><p>　　4.1 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立10</p><p>　　4.1.1 輸出電壓與轉(zhuǎn)速差的轉(zhuǎn)換模型10</p><p>　　4.1.2 變頻器模型建立10</p><p>　　4.1.3 電動(dòng)機(jī)模型建立10</p><p>

16、　　4.1.4 系統(tǒng)傳遞函數(shù)11</p><p>　　4.2 PID 參數(shù)整定12</p><p>　　第5章 硬件設(shè)計(jì)13</p><p>　　5.1 電路設(shè)計(jì)13</p><p>　　5.1.1 變頻器和PLC的相關(guān)接口電路13</p><p>　　5.1.2 變量泵轉(zhuǎn)速檢測電路14</p>

17、<p>　　5.1.3 供電電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　5.1.4 抗干擾設(shè)計(jì)16</p><p>　　5.1.5 觸摸屏設(shè)計(jì)16</p><p>　　5.2 硬件選型17</p><p>　　5.2.1 PLC選型17</p><p>　　5.2.2 電動(dòng)機(jī)的選型19</p>

18、;<p>　　5.2.3 變頻器的選型19</p><p>　　5.2.4 AD/ DA模塊選型20</p><p>　　5.2.5 轉(zhuǎn)速傳感器的選型21</p><p>　　第6章 軟件設(shè)計(jì)24</p><p>　　6.1 軟件設(shè)計(jì)語言和準(zhǔn)備工作24</p><p>　　6.2 程序模塊25

19、</p><p>　　6.2.1 轉(zhuǎn)速控制25</p><p>　　6.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)怠速27</p><p>　　6.2.3 行進(jìn)控制28</p><p>　　6.2.4 AD轉(zhuǎn)換29</p><p>　　6.2.5 DA轉(zhuǎn)換29</p><p>　　6.2.6 軟件抗干擾設(shè)計(jì)

20、30</p><p>　　6.2.7 MCGS程序設(shè)計(jì)30</p><p>　　6.3 MCGS操作界面設(shè)置31</p><p>　　6.4 MCGS軟件與PLC的通信32</p><p>　　6.4.1 PLC設(shè)置32</p><p>　　6.4.2 串口父設(shè)備設(shè)置32</p><p&g

21、t;　　6.4.3 本設(shè)備屬性和內(nèi)部屬性設(shè)置32</p><p>　　6.4.4 通信故障分析33</p><p>　　第7章 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析34</p><p>　　7.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建34</p><p>　　7.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析34</p><p>　　第8章 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)效益分析35</p

22、><p>　　8.1 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)35</p><p>　　8.2 經(jīng)濟(jì)效益分析35</p><p>　　8.2.1 能源分析35</p><p>　　8.2.2 維護(hù)分析35</p><p>　　8.2.3 運(yùn)行效率分析36</p><p>　　第9章 結(jié)論與展望37</p>

23、<p><b>　　9.1結(jié)論37</b></p><p><b>　　9.2展望37</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)38</b></p><p><b>　　致謝39</b></p><p><b>　　附錄

24、40</b></p><p>　　附錄A： 外文資料翻譯。40</p><p>　　附錄B： PLC程序54</p><p>　　附錄C： 電氣原理圖57</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題來源以及重要意義</p>

25、<p>　　挖掘機(jī)作為施工機(jī)械中的中流砥柱多年來為施工單位所依賴，挖掘機(jī)馬力強(qiáng)勁，功能多樣，有著較強(qiáng)的不可替代性。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。還好有一直在進(jìn)步的科技基礎(chǔ)作為支撐，使人們對(duì)挖掘機(jī)的改造和創(chuàng)新進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。</p><p>　　在世界資源嚴(yán)重匱乏、石油天然氣價(jià)格猛增的今天，

26、對(duì)機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力來源改造越來越多地被提上課題，人們在努力尋找一種可再生的新型能源替代石油天然氣等不可再生而且會(huì)造成環(huán)境污染的能源，于是我們看到了大街上的出租車公交車的動(dòng)力都由傳統(tǒng)的石油燃料轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏推渌稍偕茉?，這樣不僅大大提高了能源利用率而且減輕了環(huán)境的負(fù)擔(dān)。挖掘機(jī)也不例外，國內(nèi)已經(jīng)有很多公司注意到了電動(dòng)挖掘機(jī)的商機(jī)，開始努力研究并且批量生產(chǎn)以電力為動(dòng)力來源的挖掘機(jī)，在這篇論文中，我們也將對(duì)電動(dòng)挖掘機(jī)進(jìn)行深入的研究和探索。<

27、/p><p>　　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)。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　挖掘機(jī)從發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)走過178年的歷史，期間經(jīng)歷過從人力到蒸汽再到液壓驅(qū)動(dòng)。作為工程機(jī)械

28、行業(yè)里的“明珠”，挖掘機(jī)的發(fā)明和發(fā)展對(duì)節(jié)省人力提高工作效率發(fā)揮了巨大作用。</p><p>　　1.2.1 國內(nèi)發(fā)展及現(xiàn)狀</p><p>　　我國挖掘機(jī)發(fā)展起步較晚。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W4-60；合肥礦山機(jī)器廠

29、的WY60；長江挖掘機(jī)廠的WY160和杭州重型機(jī)械廠的WY250等。這為我國液壓挖掘機(jī)行業(yè)的形成邁出了重要的一步。在此同時(shí)，涌現(xiàn)出幾十位我國第一代液壓挖掘機(jī)的研究、開發(fā)人員。近年來國內(nèi)一批工程機(jī)械零部件企業(yè)正在快速成長，部分企業(yè)已經(jīng)研究出具有高精尖技術(shù)的變速器、驅(qū)動(dòng)橋及液壓閥等產(chǎn)品，并且一部分國內(nèi)工程機(jī)械主機(jī)生產(chǎn)商開始投資建立自己的配套件工廠，依靠自身雄厚實(shí)力共同推進(jìn)配套件行業(yè)的發(fā)展。在2009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

30、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)。</p><p>　　目前我國的電動(dòng)挖掘機(jī)市場如雨后春筍，百家爭鳴。比較有代表性的有：洛陽聚科特種工程機(jī)械有限公司生產(chǎn)的中小型電動(dòng)挖掘機(jī)；四川邦立重機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的CED260-6型電動(dòng)液壓挖掘機(jī)；山東山特重工機(jī)械有限公司生產(chǎn)的HXB-55型礦用電動(dòng)挖

31、掘機(jī)。國內(nèi)電動(dòng)挖掘機(jī)生產(chǎn)廠商通過不懈努力，正在一步步掌握電動(dòng)挖掘機(jī)的核心科技。</p><p>　　1.2.2 國外發(fā)展及現(xiàn)狀</p><p>　　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。</p><p>　　20世紀(jì)40年代，有了在拖拉機(jī)上裝配液壓反鏟

32、的懸掛式挖掘機(jī)。 </p><p>　　20世紀(jì)50年代初期和中期相繼研發(fā)出拖式全回轉(zhuǎn)液壓挖掘機(jī)和履帶式全液壓挖掘機(jī)。</p><p>　　20世紀(jì)80年代開始生產(chǎn)特大型挖掘機(jī)。例如，美國馬利昂公司生產(chǎn)的斗容量為50-150 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)；B-E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。</p

33、><p>　　國外挖掘機(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。例如，德國阿特拉斯公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)裝有新型的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，使挖掘機(jī)按最適合其作業(yè)要求的速度來工作；美國林肯貝爾特公司C系列LS-5800型液壓挖掘機(jī)安裝了全自動(dòng)控制液壓系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)；還安裝了CAPS(計(jì)算機(jī)輔助功率系統(tǒng))，提高挖掘機(jī)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

34、產(chǎn)的FJ系列五種新型號(hào)挖掘機(jī)配有與液壓回路連接的計(jì)算機(jī)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(dòng)機(jī)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(O&K)公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)的油泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神鋼公司在新型的904、905、907、909型液壓挖掘機(jī)上采用智能型控制系統(tǒng)，即使無經(jīng)驗(yàn)的駕駛員也能進(jìn)行復(fù)雜的作業(yè)操作;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

35、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</p><p>　　1.3 關(guān)鍵技術(shù)與技術(shù)難點(diǎn)</p><p>　　(1)MCGS對(duì)PLC的通信和控制。</p><p>　　MCGS設(shè)備窗口是 MCGS 系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的

36、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(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。</p><p>　　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。運(yùn)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(shí)數(shù)據(jù)庫提供從外部設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，從實(shí)

37、時(shí)數(shù)據(jù)庫查詢控制參數(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)檢測和過程的自動(dòng)控制。MCGS 的這種結(jié)構(gòu)形式使其成為一個(gè)與設(shè)備無關(guān)的系統(tǒng)，對(duì)于不同的硬件設(shè)備，只需定制相應(yīng)的設(shè)備構(gòu)件，放置到設(shè)備窗口中，并設(shè)置相關(guān)的屬性，系統(tǒng)就可對(duì)這一設(shè)備進(jìn)行操作，而不需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作任何改動(dòng)。最后用SC-09 編程電纜連接PLC和電腦。</p><p><b>　　(2)PID控制<

38、/b></p><p>　　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。</p><p>　　常規(guī)的PID控制器設(shè)計(jì)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(duì)于參數(shù)固定并且非線性不嚴(yán)重的被控對(duì)象有很好的控制效果。但是本設(shè)計(jì)中的挖掘機(jī)，在不同的作業(yè)環(huán)境、負(fù)荷、干擾因素下，其參數(shù)是不斷變化的。必須對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，才能使控制效果達(dá)到最

39、優(yōu)。</p><p>　　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。</p><p>　　比例控制是一種簡單的控制方式。其輸入和輸出誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　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)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在

40、穩(wěn)態(tài)誤差，則這個(gè)系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入積分項(xiàng)。誤差取決于對(duì)時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加誤差會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而增大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。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。</p><p>　　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。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能出現(xiàn)震

41、蕩甚至失穩(wěn)。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。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。這就是說，在控制器中引入比例項(xiàng)是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅僅是放大誤差的幅值，目前需要引入的是積分項(xiàng)，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(yán)重超調(diào)。</p><p><b>　　(3)轉(zhuǎn)速的測量&l

42、t;/b></p><p>　　轉(zhuǎn)速的測量作為整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中的重要一環(huán)，其準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性直接影響到了PLC對(duì)后續(xù)變頻器的控制。實(shí)驗(yàn)中要求測量實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速并且輸入到PLC進(jìn)行處理，但是這一過程并不簡單。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FX-2N-4AD模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。</p>

43、<p><b>　　(4)抗干擾設(shè)計(jì)</b></p><p>　　在工業(yè)現(xiàn)場，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。變頻器輸入的動(dòng)力電源為三相交流380V電源，而PLC的供電電源為直流24V，兩者之間差距巨大，電動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)很容易被動(dòng)力電源所影響。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

44、起的耦合，減少負(fù)載波動(dòng)的影響，同時(shí)也為了安全，常常加入適當(dāng)?shù)目垢蓴_設(shè)計(jì)。</p><p>　　第2章 主要技術(shù)指標(biāo)和主要功能</p><p><b>　　2.1 技術(shù)指標(biāo)</b></p><p>　　(1)電動(dòng)機(jī)電源[2]：交流380V</p><p>　　(2)控制系統(tǒng)電源：直流24V，負(fù)極搭鐵，主體單線制</p

45、><p>　　(3)溫度：環(huán)境溫度</p><p>　　(4)電動(dòng)機(jī)：90kW</p><p>　　(5)起動(dòng)機(jī)：由發(fā)動(dòng)機(jī)確定</p><p>　　(6)鏟斗容量：27m3</p><p>　　(7)起重臂傾角：45°</p><p>　　(8)起重臂長度：17.68m</p>

46、<p>　　(9)斗桿有效長度：14.30m</p><p><b>　　2.2 主要功能</b></p><p><b>　　(1)轉(zhuǎn)速控制。</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速控制是本設(shè)計(jì)的核心部分，通過硬件和軟件的結(jié)合設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)可以大大提高挖掘機(jī)的工作效率。</p><p

47、>　　本設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)速控制分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。</p><p>　　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。自動(dòng)模式則是根據(jù)轉(zhuǎn)速輸入值和轉(zhuǎn)速的測量值自動(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。<

48、;/p><p><b>　　(2)怠速功能。</b></p><p>　　挖掘機(jī)工作的時(shí)候，常常需要短暫停機(jī)，處于待命狀態(tài)，例如等待自卸卡車或需進(jìn)行某種準(zhǔn)備工作等。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)。而且減少燃耗、降低噪音，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命也有好處。</p><p>　　通過檢測油門踏板和操作桿是否長時(shí)

49、間沒有動(dòng)作而作出是否怠速的命令，很智能化地解決了這個(gè)問題。</p><p>　　設(shè)計(jì)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(jī)器。</p><p>　　(3)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)顯示。</p><p>　　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。</p><p>　　通

50、過轉(zhuǎn)速傳感器來測量電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，然后經(jīng)過相關(guān)芯片將傳感器采集的頻率值轉(zhuǎn)換成電壓值，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入到PLC中進(jìn)行處理和運(yùn)算，并且顯示在人機(jī)交互界面上。</p><p><b>　　(4)行進(jìn)控制。</b></p><p>　　對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、停止、前進(jìn)、后退的控制。這些都是對(duì)挖掘機(jī)行進(jìn)的最基本控制，由于本設(shè)計(jì)是基于PLC的，相信比傳統(tǒng)的控制方案效果更

51、好。</p><p>　　2.3 預(yù)期達(dá)到的成果及其形式</p><p>　　(1)基于Protel的電路設(shè)計(jì)圖。包括：變量泵轉(zhuǎn)速電路設(shè)計(jì)、供電電路設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)、PLC和變頻器的相關(guān)接口電路、觸摸屏電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　(2)PLC程序。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。</p>

52、<p>　　(3)總體方案設(shè)計(jì)圖。</p><p>　　(4)MCGS文件。</p><p>　　(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)。</p><p>　　第3章 總體設(shè)計(jì)方案</p><p><b>　　3.1 設(shè)計(jì)思想</b></p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，我們對(duì)挖掘

53、機(jī)基于PLC的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，致力于將PLC、變頻器、電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢有機(jī)結(jié)合，從而達(dá)到耗能更少，控制更方便的目的。PLC作為整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的“司令部”擔(dān)負(fù)著重要的責(zé)任，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)都是圍繞PLC展開的，首先PLC接收轉(zhuǎn)速傳感器采集來的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過分析計(jì)算后輸出合適的參數(shù)信息給變頻器，變頻器根據(jù)PLC傳遞來的信息對(duì)輸入380V的電源進(jìn)行頻率變換，而輸出電壓的頻率直接影響到了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵進(jìn)行作業(yè)，轉(zhuǎn)速傳感器通過對(duì)轉(zhuǎn)

54、速的采集又反饋給PLC，這樣就形成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制更加精準(zhǔn)。</p><p><b>　　3.2 技術(shù)路線</b></p><p>　　(1)通過去圖書館查閱關(guān)于電動(dòng)挖掘機(jī)的相關(guān)資料，上網(wǎng)收集國內(nèi)外電動(dòng)挖掘機(jī)轉(zhuǎn)速控制的最新資訊，對(duì)國內(nèi)外電動(dòng)挖掘機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)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(jìn)步空間。</p><p>　

55、　(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)。</p><p>　　(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。</p><p>　　(4)用Protel軟件進(jìn)行各部分電路圖的設(shè)計(jì)。</p><p>　　(5)用GX Developer Version 8.0編程軟件對(duì)系統(tǒng)的幾大功能模塊進(jìn)行程序編寫，并且進(jìn)行認(rèn)真地調(diào)試。</p><

56、;p>　　(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。</p><p><b>　　3.3 設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　以下為挖掘機(jī)的控制系統(tǒng)示意圖。本系統(tǒng)中我們采用三菱FX-2N系列的PLC，和三菱FR-A740變頻器，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊選用三菱FX 2N-4AD，數(shù)模轉(zhuǎn)換用三菱FX 2N-4DA，電動(dòng)機(jī)選用Y315L1-8 9

57、0KW三相異步電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　相對(duì)于傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，用PLC實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制更有優(yōu)越性：價(jià)格更低、速度更快、體積更小、操作更方便。通過選擇比較，最終選擇三菱的FX2N系列PLC[3]。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(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，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的PL

58、C，并且具有高速處理及大量滿足單個(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。</p><p>　　三菱變頻器[4]有幾大特點(diǎn)。節(jié)能，當(dāng)頻率超過需求時(shí)降低頻率，電機(jī)用不完的能量就節(jié)省下來了；無極調(diào)速，電機(jī)都有一個(gè)固定的轉(zhuǎn)速，沒有其他調(diào)速裝置，這個(gè)轉(zhuǎn)速固定不變，而有的工況需要電機(jī)改變速度，沒有三菱變頻器，只能通過滑差電機(jī)或齒輪變速來實(shí)現(xiàn)，很復(fù)雜，很笨重，有了三菱變頻器，就使一切變速的

59、需要變的輕而易舉，隨心所欲；啟動(dòng)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(hào)輸入輸出端口，接收和輸出模擬信號(hào)，電流、電壓信號(hào)，與工控機(jī)、編程器配合，就能形成自動(dòng)化控制系統(tǒng)。</p><p>　　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)

60、監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、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)。具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。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)場采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。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

61、集站、人機(jī)界面等專用設(shè)備。</p><p>　　模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊選用三菱FX 2N-4AD，數(shù)模轉(zhuǎn)換用三菱FX 2N-4DA，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。</p><p>　　挖掘機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)示意圖如下圖所示：</p><p>　　圖3-1挖掘機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)示意圖</p

62、><p>　　系統(tǒng)總體控制方案如下圖所示：</p><p>　　圖3-2系統(tǒng)總體控制框圖</p><p>　　第4章 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立和PID參數(shù)整定</p><p>　　4.1 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立</p><p>　　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

63、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]。</p><p>　　圖4-1系統(tǒng)控制方案</p><p>　　4.1.1 輸出電壓與轉(zhuǎn)速差的轉(zhuǎn)換模型</p><p>　　輸出電壓與轉(zhuǎn)速差一般承線性關(guān)系，設(shè)為K1</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　4

64、.1.2 變頻器模型建立</p><p>　　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：</p><p>　　取Ts=0.1s ,</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　4.1.3 電

65、動(dòng)機(jī)模型建立</p><p>　　電機(jī)中電流和電壓間的傳遞函數(shù)：</p><p>　　TL和TC均為小時(shí)間常數(shù)。所以電機(jī)中電流和電壓間的傳遞函數(shù)可以簡化為：</p><p>　　因?yàn)檩敵鲛D(zhuǎn)速和輸出電流承線性關(guān)系：</p><p>　　其中的參數(shù)分別?。?R=7.875Ω，L=27.7mH，C=600μF</p><p>

66、;　　則有：TL=L/R=0.0035s Tc=RC=0.0047s</p><p>　　G3(s)= (4-3)</p><p>　　4.1.4 系統(tǒng)傳遞函數(shù)</p><p>　　本文采用單位負(fù)反饋，即Kf =1。由圖3-5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。</p><p

67、><b>　　圖4-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　由以上關(guān)系可得，系統(tǒng)總閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　為了計(jì)算簡單不妨將K1、K2的值取成1，最終得到：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　4.2 PID 參數(shù)整定</p>&

68、lt;p>　　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。一般可以通過理論計(jì)算來確定，但誤差太大。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。</p><p>　　經(jīng)驗(yàn)法又叫現(xiàn)場湊試法，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

69、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)。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為"先比例，再積分，最后微分"。 </p><p><b>　　(1)整定比例控制</b></p><p>　　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。</p><p&

70、gt;<b>　　(2)整定積分環(huán)節(jié)</b></p><p>　　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。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)。</p><p><b>　　(3)整定微分環(huán)節(jié)</b></p>&l

71、t;p>　　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)。</p><p><b>　　第5章 硬件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　5.1 電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　5.1.1 變頻器和PLC的相關(guān)接口電路</p>

72、<p>　　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。實(shí)驗(yàn)采用三菱FX 2N-48MT的PLC，以及三菱FR-A740的變頻器，相關(guān)電路連接如下圖所示。</p><p>　　圖5-1 PLC和變頻器相關(guān)接口連接電路</p><p>　　在變頻器的缺省設(shè)置基礎(chǔ)上，做如下修

73、改：</p><p>　　(1)Pr30=1 </p><p>　　表示再生功能制動(dòng)選擇。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。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。</p><p>　　(2)Pr7

74、3=1 </p><p>　　表示選擇了模擬量輸入模式。</p><p>　　(3)Pr79=4 </p><p>　　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。</p><p>　　(4)Pr.4=900；Pr.5=1600；Pr.6=2400</p><p>　　僅RH為ON時(shí) 頻率為Pr

75、.4所設(shè)置的值決定RH的值</p><p>　　僅RM為ON時(shí) 頻率為Pr.5所設(shè)置的值決定RM的值</p><p>　　僅RL為ON時(shí) 頻率為Pr.6所設(shè)置的值決定RL的值</p><p>　　以上參數(shù)均通過變頻器的PU面板輸入。</p><p>　　5.1.2 變量泵轉(zhuǎn)速檢測電路</p><p>　　變量泵的轉(zhuǎn)速檢

76、測是否精準(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。傳感器接口電路下圖所示。</p><p>　　圖5-2變量泵轉(zhuǎn)速檢測電路</p><p>　　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。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

77、大。因?yàn)镕X 2N-4AD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)我們在市面上找到了LM331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。</p><p>　　在信號(hào)放大部分，選取R0和R1的阻值分別為10 K、2.7 K。根據(jù)式(5-1)可計(jì)算出放大倍數(shù)約為5。</p><p>　　(5-1) </

78、p><p>　　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。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 4.0V 電源電壓下都有極高的精度。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 0.01% ，工作頻率低到0.1Hz有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨

79、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。</p><p>　　LM331 器件管腳圖及管腳功能</p><p>　　圖5-3 LM331 器件管腳及管腳功能圖</p><p>　　LM331 器件管腳名稱及管腳功能如下所示：</p><p>　　表5-1 LM33

80、1 器件管腳名及管腳功能</p><p>　　LM331 的內(nèi)部電路組成由輸入比較器、定時(shí)比較器、R-S 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。LM331 可采用雙電源或單電源供電，可工作在 4.0～40V 之間，輸出可高達(dá) 40V，而且可

81、以防止 Vcc 短路。</p><p>　　5.1.3 供電電路設(shè)計(jì)</p><p>　　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。380V交流電轉(zhuǎn)24V直流電的電路圖如下圖所示：</p><p>　　圖5-4 供電電路設(shè)計(jì)<

82、/p><p>　　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。</p><p>　　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]。</p><p>　　5.1.4 抗干擾設(shè)計(jì)</p><p>　　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

83、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。下圖為交流電源抗干擾的綜合方案。</p><p>　　圖5-5交流電源的抗干擾設(shè)計(jì)</p><p>　　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。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

84、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。</p><p>　　5.1.5 觸摸屏設(shè)計(jì)</p><p>　　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。</p><p>　　觸摸屏、控制板、USB線之間的連接圖如下：</p><p&

85、gt;　　圖5-6觸摸屏的相關(guān)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　下面是LTN141AT08觸摸屏的相關(guān)參數(shù)：</p><p>　　(1)操作電壓：<10V</p><p>　　(2)操作溫度：-10°C到60°C</p><p>　　(3)使用壽命：>一百萬次</p><p>　　(4)連接

86、材質(zhì)：FPC</p><p>　　(5)反應(yīng)時(shí)間<10毫秒</p><p>　　(6)透光度：>80%</p><p>　　(7)儲(chǔ)藏溫度：-20°C到70°C</p><p>　　(8)表面硬度：3H</p><p>　　(9)操作力度：20g到80g</p><p

87、>　　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)。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)。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。</p><p>　　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。</p>

88、<p><b>　　5.2 硬件選型</b></p><p>　　5.2.1 PLC選型</p><p>　　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。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

89、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)。</p><p>　　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)。</p><p>　　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：</p><p>　　表5-2 系統(tǒng)的輸入和輸出表</p><p>

90、　　系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)數(shù)不超過20，F(xiàn)X2N-48MT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。</p><p>　　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。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)。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

91、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。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。</p><p>　　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。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。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有

92、一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來替代。FX2N-48MT也符合要求。</p><p>　　綜上所述，我們選擇三菱公司PLC系列中的FX2N-48MT。</p><p>　　FX2N-48MT技術(shù)指標(biāo)：</p><p>　　(1)輸入電壓：DC24V（10%范圍內(nèi)）</p><p>　　(2)輸入電流：DC24V,7mA</p>

93、<p>　　(3)響應(yīng)時(shí)間：10ms</p><p>　　(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</p><p>　　(5)輸入電路絕緣：光耦合絕緣</p><p><b>　　實(shí)物圖如下：</b></p><p>　　圖5-7 三菱FX2N-48MT PLC</p>&

94、lt;p>　　5.2.2 電動(dòng)機(jī)的選型</p><p>　　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Y315L1-8 90KW三相異步電動(dòng)機(jī)。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)。</p><p><b>　　技術(shù)指標(biāo)：</b></p><p>　　(1)

95、額定電壓：380V。</p><p>　　(2)額定頻率為：50Hz.</p><p>　　(3)功率：90kw</p><p>　　(4)環(huán)境溫度：不超過40℃，最低環(huán)境空氣溫度為-15℃。</p><p>　　(5)濕度：最濕月月平均最高相對(duì)濕度為90%。</p><p><b>　　實(shí)物圖如下：<

96、/b></p><p>　　圖5-8 Y315L1-8 90KW三相異步電動(dòng)機(jī)</p><p>　　5.2.3 變頻器的選型</p><p>　　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。合理的容量選擇本身就是一種節(jié)能降耗措施。本課題中我們采用電機(jī)實(shí)際

97、功率確定法，首先測定電機(jī)的實(shí)際功率,以此來選用變頻器的容量。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中選用的電動(dòng)機(jī)功率為90KW，而FR-A740變頻器的功率范圍是0.4-500KW,所以我們最終選擇了三菱FR—A740變頻器。</p><p><b>　　圖5-9三菱變頻器</b></p><p>　　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。為了產(chǎn)生可變的電壓

98、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）。通過改變電壓的頻率從而改變了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　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。</p><p><b>　　(5-2)</b></p><p>　　對(duì)于電機(jī)而言，其磁極對(duì)數(shù)p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差

99、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。</p><p>　　5.2.4 AD/ DA模塊選型</p><p>　　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FX2N-4AD，DA模塊選擇了三菱FX2N-4DA。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。<

100、;/p><p>　　圖5-10三菱FX2N-4DA和三菱FX2N-4AD</p><p><b>　　性能指標(biāo)：</b></p><p>　　(1)4個(gè)輸入點(diǎn)可同時(shí)使用。</p><p>　　(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。</p><p>　　(3)12

101、位轉(zhuǎn)換結(jié)果以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存放。最大值2047，最小值-2048。</p><p>　　(4)分辨率電壓為1/2000，5mV，電流為1/1000，20uA。</p><p>　　(5)總體精度1%。</p><p>　　(6)轉(zhuǎn)換速度6~15ms。</p><p>　　(7)外接電源為24V，上下波動(dòng)不得超過2.4V,電流為55mA。<

102、;/p><p>　　FX2N-4AD模擬特殊模塊有四個(gè)輸入通道。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。FX2N-4AD最大分辨率是12位。基于電壓或電流的輸入/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)。FX2N-4AD和FX2N主單元之間通過緩沖存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)，F(xiàn)X2N-4AD共有32個(gè)緩沖存儲(chǔ)器(每個(gè)16位)

103、。FX2N-4AD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。</p><p>　　三菱FX2N-4DA是一款模擬量模塊。首先給大家介紹一下模擬量模塊的工作原理。模擬量模塊是將壓力、液位、溫度等信號(hào)轉(zhuǎn)化為 1-5V，4-20mA（也有別的信號(hào)的，如0-10V，0-5V等）然后交給PLC進(jìn)行處理的。PLC是不知道具體電壓或者電流信號(hào)的大小的。所以，我們要用一個(gè)數(shù)字來表示它的大小，然后告訴PLC，PL

104、C才能知道輸入的電壓、電流信號(hào)具體有多大。數(shù)字量輸入輸出信號(hào)就是開關(guān)量信號(hào)，1或者0。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)4-20ma或者0-10v的信號(hào)給PLC，PLC來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。</p><p>　　5.2.5 轉(zhuǎn)速傳感器的選型</p><p>　　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量，必

105、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)。本設(shè)計(jì)中我們采用了JX71C磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。</p><p><b>　　實(shí)物圖如下：</b></p>

106、<p>　　圖5-11 JX71C磁電式轉(zhuǎn)速傳感器</p><p><b>　　技術(shù)指標(biāo)：</b></p><p><b>　　(1)輸出電壓：</b></p><p>　　在齒輪模數(shù)4、齒數(shù)60、材料為G3、間隙為1mm時(shí)</p><p>　　轉(zhuǎn)速為 1000轉(zhuǎn)/分 輸出

107、有效值大于5V</p><p>　　轉(zhuǎn)速為 2000轉(zhuǎn)/分 輸出有效值大于10V</p><p>　　轉(zhuǎn)速為 3000轉(zhuǎn)/分 輸出有效值大于15V</p><p>　　(2)直流電阻：低阻200～250Ω；高阻500～600Ω</p><p>　　(3)絕緣阻抗：在500V直流時(shí)大于50MΩ</p>

108、<p>　　(4)工作溫度：-20℃～120℃</p><p>　　(5)重量：約100g（不包括尾部引出線）</p><p>　　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)速測量的。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。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的感

109、應(yīng)電勢產(chǎn)生的電壓大小，和被測對(duì)象轉(zhuǎn)速有關(guān)，被測物體的轉(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。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。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

110、是靠磁電感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)測量，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。</p><p>　　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。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)。</p><p>　　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

111、信號(hào)的頻率與齒輪轉(zhuǎn)速和齒數(shù)成正比。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</p><p><b>　　(5-3)</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　第6章 軟件設(shè)計(jì)</b></p>

112、;<p>　　6.1 軟件設(shè)計(jì)語言和準(zhǔn)備工作 </p><p>　　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)。</p><p>　　GX Developer是三菱P

113、LC的編程軟件。適用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可編程控制器。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。</p><p><b>　　(1)程序設(shè)計(jì)語言</b></p><p>　　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

114、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。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。</p><p>　　(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則</p><p>　　任