0   概  述

        在現(xiàn)代各類建筑基礎(chǔ)、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(jié)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(zhì)量,。而傳統(tǒng)的以機械式傳動為主的輪胎壓路機因其結(jié)構(gòu)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(yuǎn)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?zé)o級調(diào)速和恒速控制,、智能灑水控制等功能，可滿足高標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)的控制及保護，恒轉(zhuǎn)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(zhuǎn),，具備一定遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能擴展平臺,。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1.

                                    圖0   產(chǎn)品實物圖片        

                                       圖1   控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 動力系統(tǒng)

        對啟動馬達,、油門步進電機及斷油電磁鐵進行控制,，實時監(jiān)控發(fā)動機機轉(zhuǎn)速、機油壓力及冷卻水溫度,。

        啟動控制：在啟動條件滿足時（行走泵斜盤歸零位）,，啟動點火開關(guān)，由蓄電池為啟動馬達及斷油電磁鐵供電,，當(dāng)系統(tǒng)檢測到發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到預(yù)置值時,，斷開啟動馬達電源。

        轉(zhuǎn)速控制：傳統(tǒng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是利用機械軟軸直接施力于節(jié)氣門來調(diào)速，其缺陷是發(fā)動機怠速不穩(wěn),，導(dǎo)致燃油不完全燃燒,，其次，調(diào)速的快慢也受限于操作員的經(jīng)驗,。本控制系統(tǒng),，直接通過開關(guān)設(shè)定轉(zhuǎn)速值，同時由飛輪轉(zhuǎn)速傳感器測得脈沖信號作為反饋值,，形成閉環(huán)控制回路,，經(jīng)過某種運算后，按一定的斜坡值輸出高速脈沖（PTO）驅(qū)動步進電機,，進而平穩(wěn)調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速,，自動調(diào)整電機進給量，達到電機的精確定位及在怠速狀態(tài)下的恒轉(zhuǎn)速控制要求,，控制轉(zhuǎn)速偏差△n<±20 r/min,。

1.2        行走系統(tǒng)

        在國內(nèi)同類產(chǎn)品首創(chuàng)全液壓驅(qū)動，速度快,、行駛平穩(wěn),，可達18Km/h，滿足快速轉(zhuǎn)場的要求,；雙操作手柄電控?zé)o級調(diào)速,，實現(xiàn)機電液一體化控制，調(diào)速及換向便捷,，制動迅速,，大大提高操作舒適性和安全性。

        恒速控制：首先由行駛手柄進行行走速度值及方向設(shè)定,，同時可以通過顯示器的顯示窗口讀取所設(shè)定的行駛速度值,，PLC便得到行走恒速控制的指令，行走電控系統(tǒng)此時處于PID的閉環(huán)控制之中,。行駛手柄中的電位器所輸入的設(shè)定值（模擬量）作為系統(tǒng)的初始給定值,，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入PID調(diào)節(jié)器進行運算，通過PID的參數(shù)調(diào)節(jié)可以讓機器獲得一個較好的動態(tài)響應(yīng)曲線,，機器動作以后,，由設(shè)置在行走馬達上的測速傳感器將實時轉(zhuǎn)速值（高速脈沖值）通過PLC的高速計數(shù)器送入PLC，該傳感器提供的反饋信號在進入閉環(huán)運算之前,，先進行算術(shù)平均值取樣處理,，合成為一個總的反饋信號提供給PID調(diào)節(jié)器，最終由PID輸出一個PWM調(diào)節(jié)值給行走電比例泵,，通過液壓系統(tǒng)和相應(yīng)的液壓行走馬達驅(qū)動壓路機跟隨速度設(shè)定值以恒定的速度作業(yè),，其偏差值δ≤2 m/min。

        在以上恒速控制程序調(diào)試過程中,，由于輪胎壓路機本身質(zhì)量大,，達25噸，行走慣量大,，為使機器獲得一個較好的動態(tài)響應(yīng)曲線,，須對PID輸出調(diào)節(jié)值限幅，并且依據(jù)不同的設(shè)定值區(qū)間（兩級以上）進行適當(dāng)調(diào)整,。

            行駛制動：在行駛手柄回中時,，PLC便得到停車指令，立即將PID調(diào)節(jié)值置零,，同時,，輸出PWM調(diào)節(jié)值（脈寬）自動按某一斜坡值遞減至零，達到系統(tǒng)平穩(wěn)停車的目的,。

        緊急制動：在按下緊停按鈕后,，一方面，通過外部的物理開關(guān)關(guān)閉所有電磁閥電源,；另一方面,，將開關(guān)量送入PLC,，PLC得到指令后，立即關(guān)閉PID調(diào)節(jié)器,，同時將其輸入/輸出值清零,，并輸出一個開關(guān)量信號給報警指示燈進行警示,，系統(tǒng)進入緊急停車狀態(tài),。

1.3  灑水系統(tǒng)

        灑水系統(tǒng)對施工質(zhì)量的好壞有著直接影響,，因此,，在控制方面既要保證灑水流量的線性可調(diào),，又要保證在最小流量水噴灑的霧化效果。

        手動調(diào)節(jié)：在施工階段對灑水流量要求不是很嚴(yán)格或產(chǎn)品調(diào)試時,，可以選擇手動功能。直接通過開關(guān)進行流量值設(shè)定,，PLC根據(jù)開關(guān)接通的時間或次數(shù)換算成對應(yīng)的流量值，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換控制比例放大器,，轉(zhuǎn)化為PWM信號直接驅(qū)動水泵電機，線性控制灑水流量,。

        自動調(diào)節(jié)：基于壓路機行走速度值，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換控制比例放大器,，最終轉(zhuǎn)化為PWM信號直接驅(qū)動水泵電機,，以達到最佳灑水流量，既不會因為水流過小使輪胎粘瀝青,，也不致水流過大影響瀝青溫度。

1.4  監(jiān)控系統(tǒng)

        由文本顯示器及指示燈組成,，主要用來監(jiān)控發(fā)動機累計工作小時,、轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度和機油壓力,、燃油液位、行走速度等系統(tǒng)參數(shù),，對如冷卻液溫度過高、機油壓力低,、制動壓力低及水箱缺水提供圖文報警，此外,，還可以對機器一些功能選擇及時鐘編輯通過文本顯示功能鍵來設(shè)置完成,；指示燈則用來對充電狀態(tài),、PLC工作狀態(tài),、系統(tǒng)報警等進行報警指示。

        溫度傳感器溫度特性（溫度與電阻的函數(shù)關(guān)系）并不是線性的,，按圖2線路連接，V+為工作電壓,，R*為分壓電阻,，經(jīng)過經(jīng)驗值測定，溫度傳感器（負(fù)溫敏電阻）滿足以下函數(shù)關(guān)系：

                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(zhuǎn)換及相關(guān)函數(shù)運算,、標(biāo)定，利用公式③即可計算出對應(yīng)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(shè)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(yīng)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(qū)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(zhuǎn)速傳感器HDK18,，工作電壓8~36V；

2.4  行駛手柄

        選用帶行程開關(guān)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(shè)計

        程序編制采用模塊化結(jié)構(gòu),，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(diào)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(diào)節(jié)和發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制,。中斷程序則用來通過定時中斷完成發(fā)動機轉(zhuǎn)速及行走速度信號的采集，計算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速值及速度值,。

        高速計數(shù)：本產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用了兩路高速計數(shù)，一路是發(fā)動機轉(zhuǎn)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(shè)該波形的頻率為f,，飛輪齒數(shù)為Z,，發(fā)動機或馬達轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速n了。

        在測得行走馬達轉(zhuǎn)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：

                            ⑤ v=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(yīng)用,，如直流電機調(diào)速，電磁閥流量或壓力調(diào)節(jié)等,。而本產(chǎn)品則應(yīng)用于行走主泵流量控制的比例電磁閥，該電磁閥對驅(qū)動電流要求是一個振顫信號,，響應(yīng)頻率為100~200Hz，且線性好,，重復(fù)精度高,。而PWM功能提供的是占空比線性可調(diào)的脈沖輸出，最高頻率可達20kHz,，占空比可在0%~100%自由調(diào)整,，設(shè)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(diào)整占空比τ,，就可以比例控制電磁閥的驅(qū)動電流了,，間而達到調(diào)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(yīng)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(fù)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(diào)速子程序結(jié)構(gòu)流程圖見圖3和圖4所示。

 圖3  主程序流程

                                                                                                         圖4  調(diào)速子程序流程圖

參考文獻

[1]    SIMATIC S-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊[R].  西門子（中國）有限公司.

[2]    鐘肇新. 可編程控制器原理及應(yīng)用[M]. 廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 1992.