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1 概 述
在現(xiàn)代各類建筑基礎(chǔ)、路面和路基的壓實(shí)中，輪胎壓路機(jī)具有不可代替的優(yōu)越性，其充氣輪胎除有垂直壓實(shí)力外，還有水平壓實(shí)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(shí)效果。同時(shí)，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(jī)械式傳動為主的輪胎壓路機(jī)因其結(jié)構(gòu)笨重、機(jī)械換檔在機(jī)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(jī)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(kuò)展模塊作為控制核心，同時(shí)采用新一代文本顯示器OP73Micro對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控，并提供故障診斷功能。
2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理
YL25C全液壓輪胎壓路機(jī)控制系統(tǒng)要對壓路機(jī)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(hù)，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(yùn)轉(zhuǎn)，具備一定遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能擴(kuò)展平臺�？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1.
1.1 動力系統(tǒng)
對啟動馬達(dá)、油門步進(jìn)電機(jī)及斷油電磁鐵進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力及冷卻水溫度。
啟動控制：在啟動條件滿足時(shí)（行走泵斜盤歸零位），啟動點(diǎn)火開關(guān)，由蓄電池為啟動馬達(dá)及斷油電磁鐵供電，當(dāng)系統(tǒng)檢測到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)置值時(shí)，斷開啟動馬達(dá)電源。
轉(zhuǎn)速控制：傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是利用機(jī)械軟軸直接施力于節(jié)氣門來調(diào)速，其缺陷是發(fā)動機(jī)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(yàn)。本控制系統(tǒng)，直接通過開關(guān)設(shè)定轉(zhuǎn)速值，同時(shí)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(yùn)算后，按一定的斜坡值輸出高速脈沖（PTO）驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而平穩(wěn)調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，自動調(diào)整電機(jī)進(jìn)給量，達(dá)到電機(jī)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(dá)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(shí)現(xiàn)機(jī)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(jìn)行行走速度值及方向設(shè)定，同時(shí)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(shí)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(jìn)行運(yùn)算，通過PID的參數(shù)調(diào)節(jié)可以讓機(jī)器獲得一個(gè)較好的動態(tài)響應(yīng)曲線，機(jī)器動作以后，由設(shè)置在行走馬達(dá)上的測速傳感器將實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值（高速脈沖值）通過PLC的高速計(jì)數(shù)器送入PLC，該傳感器提供的反饋信號在進(jìn)入閉環(huán)運(yùn)算之前，先進(jìn)行算術(shù)平均值取樣處理，合成為一個(gè)總的反饋信號提供給PID調(diào)節(jié)器，最終由PID輸出一個(gè)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(dá)驅(qū)動壓路機(jī)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(jī)本身質(zhì)量大，達(dá)25噸，行走慣量大，為使機(jī)器獲得一個(gè)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(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
行駛制動：在行駛手柄回中時(shí)，PLC便得到停車指令，立即將PID調(diào)節(jié)值置零，同時(shí)，輸出PWM調(diào)節(jié)值（脈寬）自動按某一斜坡值遞減至零，達(dá)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(shí)將其輸入/輸出值清零，并輸出一個(gè)開關(guān)量信號給報(bào)警指示燈進(jìn)行警示，系統(tǒng)進(jìn)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(shí)，可以選擇手動功能。直接通過開關(guān)進(jìn)行流量值設(shè)定，PLC根據(jù)開關(guān)接通的時(shí)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(jī)，線性控制灑水流量。
自動調(diào)節(jié)：基于壓路機(jī)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(jī)，以達(dá)到最佳灑水流量，既不會因?yàn)樗鬟^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(jī)累計(jì)工作小時(shí)、轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度和機(jī)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(jī)油壓力低、制動壓力低及水箱缺水提供圖文報(bào)警，此外，還可以對機(jī)器一些功能選擇及時(shí)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(bào)警等進(jìn)行報(bào)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(yàn)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
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(jì)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(diǎn)），經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換及相關(guān)函數(shù)運(yùn)算、標(biāo)定，利用公式③即可計(jì)算出對應(yīng)的傳感器檢測的溫度值。
3 控制系統(tǒng)硬件
2.1 控制器
由西門子S7-200主模塊CPU224及擴(kuò)展模塊EM223、EM235組成。其中CPU224為西門子小型PLC主模塊，設(shè)計(jì)緊湊、良好擴(kuò)展性及強(qiáng)大的指令可以近乎完美滿足小規(guī)�？刂埔螅�EM223為4DI/4DO數(shù)字量擴(kuò)展模塊，EM235為4AI/1AO模擬量擴(kuò)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(jì)數(shù)輸入點(diǎn)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(dá)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(jī)械專用行駛手柄S22M-02RP-X
（1） 手柄機(jī)械運(yùn)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；
4 控制程序設(shè)計(jì)
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(diǎn)濾波、系統(tǒng)報(bào)警信號處理、行走及制動控制和實(shí)現(xiàn)各子程序的調(diào)用等核心功能。子程序主要實(shí)現(xiàn)記錄機(jī)器連續(xù)工作時(shí)間并保存在永久存儲器中、高速計(jì)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(jī)轉(zhuǎn)速控制。中斷程序則用來通過定時(shí)中斷完成發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及行走速度信號的采集，計(jì)算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速值及速度值。
高速計(jì)數(shù)：本產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用了兩路高速計(jì)數(shù)，一路是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速檢測，另一路是行走速度檢測。通過安裝在發(fā)動機(jī)或行走馬達(dá)飛輪殼體上的傳感器可以接受電磁脈沖信號，每一個(gè)飛輪齒經(jīng)過傳感器時(shí)，傳感器即輸出一個(gè)波形，設(shè)該波形的頻率為f，飛輪齒數(shù)為Z，發(fā)動機(jī)或馬達(dá)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(jì)數(shù)是采用定時(shí)中斷的方式累計(jì)單位時(shí)間里（如100mS）所采集的脈沖數(shù)，那么所累計(jì)1秒時(shí)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(jì)算出發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速n了。
在測得行走馬達(dá)轉(zhuǎn)速n后，已知減速機(jī)減速比為i，輪胎直徑為D，則利用公式⑤就可以計(jì)算出機(jī)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(jī)械中具有廣泛的應(yīng)用，如直流電機(jī)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(gè)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(dá)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(dá)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(jìn)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。
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