S7-200在全液壓輪胎壓路機控制中的應用

0 概 述

在現(xiàn)代各類建筑基礎、路面和路基的壓實中，輪胎壓路機具有不可代替的優(yōu)越性，其充氣輪胎除有垂直壓實力外，還有水平壓實力，這些力的作用加上膠輪彈性所產(chǎn)生的一種“揉搓作用”結果就產(chǎn)生了極好的壓實效果。同時，輪胎間的相互重疊能產(chǎn)生平整、致密的表面質量。而傳統(tǒng)的以機械式傳動為主的輪胎壓路機因其結構笨重、機械換檔在機群式作業(yè)、頻繁換向工作中顯得力不從心，無法滿足現(xiàn)代自動控制、遠程監(jiān)控的要求，其操作的安全性、舒適性也因此受到局限。

三一重工2005年推出的新型YL25C全液壓輪胎壓路機具有電控油門、電控無級調速和恒速控制、智能灑水控制等功能，可滿足高標準路面施工工藝要求。其控制系統(tǒng)采用西門子公司的S7-200 PLC模塊及擴展模塊作為控制核心，同時采用新一代文本顯示器OP73Micro對設備進行實時顯示和監(jiān)控，并提供故障診斷功能。

1 控制系統(tǒng)結構及控制原理

YL25C全液壓輪胎壓路機控制系統(tǒng)要對壓路機的動力系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和灑水系統(tǒng)提供相應的控制及保護，恒轉速、恒速行走，按一定斜坡值要求起步和停車，確保系統(tǒng)的高效安全運轉，具備一定遠程監(jiān)控的功能擴展平臺。控制系統(tǒng)結構框圖見圖1.

① T=τlnK/Rt

② Rt=U/I

將①、②式歸并可得出公式③

③ T=τlnk/U 其中k=K·I

圖2

式中：T為傳感器檢測的溫度；Rt為傳感器電阻；τ和K為常數(shù)（可以事先利用溫度計和萬用表測出兩組T、U值求出）。

將電壓信號送入PLC模塊（模擬量輸入點），經(jīng)A/D轉換及相關函數(shù)運算、標定，利用公式③即可計算出對應的傳感器檢測的溫度值。

2 控制系統(tǒng)硬件

2.1控制器

由西門子S7-200主模塊CPU224及擴展模塊EM223、EM235組成。其中CPU224為西門子小型PLC主模塊，設計緊湊、良好擴展性及強大的指令可以近乎完美滿足小規(guī)?？刂埔螅?/SPAN>EM223為4DI/4DO數(shù)字量擴展模塊，EM235為4AI/1AO模擬量擴展模塊。

（1） 18路數(shù)字量輸入14路數(shù)字量輸出，4路模擬量輸入1路模擬量輸出

（2） 工作電壓20.4~28.8VDC，工作環(huán)境溫度0~55℃；

（3） 高速計數(shù)輸入點響應頻率20 kHz，邏輯1電平15~30 VDC；

（4） 高速脈沖輸出頻率20 kHz，輸出驅動電流750 mA；

2.2顯示器

西門子文本顯示器OP73Micro，可顯示3行每行達12字中文信息，4功能鍵/7系統(tǒng)鍵，前面板尺寸148×76mm，開孔尺寸138×68mm；

2.3測速傳感器

REXROTH霍爾轉速傳感器HDK18，工作電壓8~36V；

2.4行駛手柄

選用帶行程開關及中位鎖GESSMAN產(chǎn)的工程機械專用行駛手柄S22M-02RP-X

（1） 手柄機械運動角度±37.5°；

（2） 壽命> 1000 萬次，工作環(huán)境溫度-40~60℃；

（3） 電阻及功率2×5 kΩ/1.5 W。

2.5比例放大器

工作電壓18~32 V，輸入電壓0~5 VDC， PWM輸出電流3.5 A/10 kHz；

3 控制程序設計

程序編制采用模塊化結構，包括主程序、子程序和中斷程序等。主程序主要完成程序初始化、輸入點濾波、系統(tǒng)報警信號處理、行走及制動控制和實現(xiàn)各子程序的調用等核心功能。子程序主要實現(xiàn)記錄機器連續(xù)工作時間并保存在永久存儲器中、高速計數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器程序初始化、速度PID調節(jié)和發(fā)動機轉速控制。中斷程序則用來通過定時中斷完成發(fā)動機轉速及行走速度信號的采集，計算出相應的轉速值及速度值。

高速計數(shù)：本產(chǎn)品設計應用了兩路高速計數(shù)，一路是發(fā)動機轉速檢測，另一路是行走速度檢測。通過安裝在發(fā)動機或行走馬達飛輪殼體上的傳感器可以接受電磁脈沖信號，每一個飛輪齒經(jīng)過傳感器時，傳感器即輸出一個波形，設該波形的頻率為f，飛輪齒數(shù)為Z，發(fā)動機或馬達轉速為n，則它們滿足以下公式：

④ n=f*60/Z（單位RPM）

PLC高速計數(shù)是采用定時中斷的方式累計單位時間里（如100mS）所采集的脈沖數(shù)，那么所累計1秒時間所采集的脈沖數(shù)就是我們要知道的頻率f，而飛輪齒數(shù)Z也已知，利用公式④就可以計算出發(fā)動機的轉速n了。

在測得行走馬達轉速n后，已知減速機減速比為i，輪胎直徑為D，則利用公式⑤就可以計算出機器行走速度v了：

⑤v=n* *D/i（單位m/min）

PWM功能：PWM功能在工程機械中具有廣泛的應用，如直流電機調速，電磁閥流量或壓力調節(jié)等。而本產(chǎn)品則應用于行走主泵流量控制的比例電磁閥，該電磁閥對驅動電流要求是一個振顫信號，響應頻率為100~200Hz，且線性好，重復精度高。而PWM功能提供的是占空比線性可調的脈沖輸出，最高頻率可達20kHz，占空比可在0%~100%自由調整，設占空比為τ，PLC輸出PWM波的電壓為U，電流為I，電磁閥的電阻為R，則它們滿足以下公式：

⑥ I=U* /R

因此，通過調整占空比τ，就可以比例控制電磁閥的驅動電流了，間而達到調速的目的。

文本顯示器OP73Micro需要采用組態(tài)軟件SIMATIC WinCCflexible進行編程。是基于Windows2000/XP的應用軟件，支持中文字符和位圖文件，編程界面友好，提供在線幫助功能，支持剪切/復制及粘帖等編輯功能，只是對編程電腦硬件配置要求較高。

軟件主程序及調速子程序結構流程圖見圖3和圖4所示。

圖3 主程序流程

圖4 調速子程序流程圖