2 控制系統結構及控制原理

    YL25C全液壓輪胎壓路機控制系統要對壓路機的動(dòng)力系統、行走系統和灑水系統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(chē)，確保系統的高效安全運轉，具備一定遠程監控的功能擴展平臺。

    2.1 動(dòng)力系統

    對啟動(dòng)馬達、油門(mén)步進(jìn)電機及斷油電磁鐵進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)監控發(fā)動(dòng)機機轉速、機油壓力及冷卻水溫度。

    啟動(dòng)控制：在啟動(dòng)條件滿(mǎn)足時(shí)（行走泵斜盤(pán)歸零位），啟動(dòng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，由蓄電池為啟動(dòng)馬達及斷油電磁鐵供電，當系統檢測到發(fā)動(dòng)機轉速達到預置值時(shí)，斷開(kāi)啟動(dòng)馬達電源。

    轉速控制：傳統的發(fā)動(dòng)機轉速調節是利用機械軟軸直接施力于節氣門(mén)來(lái)調速，其缺陷是發(fā)動(dòng)機怠速不穩，導致燃油不完全燃燒，其次，調速的快慢也受限于操作員的經(jīng)驗。本控制系統，直接通過(guò)開(kāi)關(guān)設定轉速值，同時(shí)由飛輪轉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(guò)某種運算后，按一定的斜坡值輸出高速脈沖（PTO）驅動(dòng)步進(jìn)電機，進(jìn)而平穩調節發(fā)動(dòng)機轉速，自動(dòng)調整電機進(jìn)給量，達到電機的精確定位及在怠速狀態(tài)下的恒轉速控制要求，控制轉速偏差△n<±20 r/min。

    2.2 行走系統

    在國內同類(lèi)產(chǎn)品首創(chuàng )全液壓驅動(dòng)，速度快、行駛平穩，可達18Km/h，滿(mǎn)足快速轉場(chǎng)的要求；雙操作手柄電控無(wú)級調速，實(shí)現機電液一體化控制，調速及換向便捷，制動(dòng)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定，同時(shí)可以通過(guò)顯示器的顯示窗口讀取所設定的行駛速度值，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定值（模擬量）作為系統的初始給定值，經(jīng)A/D轉換后送入PID調節器進(jìn)行運算，通過(guò)PID的參數調節可以讓機器獲得一個(gè)較好的動(dòng)態(tài)響應曲線(xiàn)，機器動(dòng)作以后，由設置在行走馬達上的測速傳感器將實(shí)時(shí)轉速值（高速脈沖值）通過(guò)PLC的高速計數器送入PLC，該傳感器提供的反饋信號在進(jìn)入閉環(huán)運算之前，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調節器，最終由PID輸出一個(gè)PWM調節值給行走電比例泵，通過(guò)液壓系統和相應的液壓行走馬達驅動(dòng)壓路機跟隨速度設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試過(guò)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(gè)較好的動(dòng)態(tài)響應曲線(xiàn)，須對PID輸出調節值限幅，并且依據不同的設定值區間（兩級以上）進(jìn)行適當調整。

    行駛制動(dòng)：在行駛手柄回中時(shí)，PLC便得到停車(chē)指令，立即將PID調節值置零，同時(shí)，輸出PWM調節值（脈寬）自動(dòng)按某一斜坡值遞減至零，達到系統平穩停車(chē)的目的。

    緊急制動(dòng)：在按下緊停按鈕后，一方面，通過(guò)外部的物理開(kāi)關(guān)關(guān)閉所有電磁閥電源；另一方面，將開(kāi)關(guān)量送入PLC，PLC得到指令后，立即關(guān)閉PID調節器，同時(shí)將其輸入/輸出值清零，并輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號給報警指示燈進(jìn)行警示，系統進(jìn)入緊急停車(chē)狀態(tài)。

    2.3  灑水系統

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

    手動(dòng)調節：在施工階段對灑水流量要求不是很?chē)栏窕虍a(chǎn)品調試時(shí)，可以選擇手動(dòng)功能。直接通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行流量值設定，PLC根據開(kāi)關(guān)接通的時(shí)間或次數換算成對應的流量值，經(jīng)過(guò)D/A轉換控制比例放大器，轉化為PWM信號直接驅動(dòng)水泵電機，線(xiàn)性控制灑水流量。

   自動(dòng)調節：基于壓路機行走速度值，經(jīng)過(guò)D/A轉換控制比例放大器，最終轉化為PWM信號直接驅動(dòng)水泵電機，以達到最佳灑水流量，既不會(huì )因為水流過(guò)小使輪胎粘瀝青，也不致水流過(guò)大影響瀝青溫度。

    2.4  監控系統

    由文本顯示器及指示燈組成，主要用來(lái)監控發(fā)動(dòng)機累計工作小時(shí)、轉速、冷卻液溫度和機油壓力、燃油液位、行走速度等系統參數，對如冷卻液溫度過(guò)高、機油壓力低、制動(dòng)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(shí)鐘編輯通過(guò)文本顯示功能鍵來(lái)設置完成；指示燈則用來(lái)對充電狀態(tài)、PLC工作狀態(tài)、系統報警等進(jìn)行報警指示。

    溫度傳感器溫度特性（溫度與電阻的函數關(guān)系）并不是線(xiàn)性的，按圖2線(xiàn)路連接，V+為工作電壓，R＊為分壓電阻，經(jīng)過(guò)經(jīng)驗值測定，溫度傳感器（負溫敏電阻）滿(mǎn)足以下函數關(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（可以事先利用溫度計和萬(wàn)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轉換及相關(guān)函數運算、標定，利用公式③即可計算出對應的傳感器檢測的溫度值。

    3   控制系統硬件

    3.1  控制器

    由西門(mén)子S7-200主模塊CPU224及擴展模塊EM223、EM235組成。其中CPU224為西門(mén)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(mǎn)足小規?？刂埔?，EM223為4DI/4DO數字量擴展模塊，EM235為4AI/1AO模擬量擴展模塊。

    （1） 18路數字量輸入14路數字量輸出，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） 高速計數輸入點(diǎn)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(dòng)電流<750 mA；

    3.2  顯示器

    西門(mén)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系統鍵，前面板尺寸148×76mm，開(kāi)孔尺寸138×68mm； 

    3.3  測速傳感器

    REXROTH霍爾轉速傳感器HDK18，工作電壓8～36V；

    3.4  行駛手柄

    選用帶行程開(kāi)關(guān)及中位鎖GESSMAN產(chǎn)的工程機械專(zhuān)用行駛手柄S22M-02RP-X

    （1） 手柄機械運動(dòng)角度±37.5°；

    （2） 壽命> 1000 萬(wàn)次，工作環(huán)境溫度-40～60℃；

    （3） 電阻及功率2×5 kΩ/1.5 W。

    3.5  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(diǎn)濾波、系統報警信號處理、行走及制動(dòng)控制和實(shí)現各子程序的調用等核心功能。子程序主要實(shí)現記錄機器連續工作時(shí)間并保存在永久存儲器中、高速計數器和高速脈沖發(fā)生器程序初始化、速度PID調節和發(fā)動(dòng)機轉速控制。中斷程序則用來(lái)通過(guò)定時(shí)中斷完成發(fā)動(dòng)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：本產(chǎn)品設計應用了兩路高速計數，一路是發(fā)動(dòng)機轉速檢測，另一路是行走速度檢測。通過(guò)安裝在發(fā)動(dòng)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(gè)飛輪齒經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，傳感器即輸出一個(gè)波形，設該波形的頻率為f，飛輪齒數為Z，發(fā)動(dòng)機或馬達轉速為n，則它們滿(mǎn)足以下公式：④ n=f＊60/Z（單位RPM）

    PLC高速計數是采用定時(shí)中斷的方式累計單位時(shí)間里（如100mS）所采集的脈沖數，那么所累計1秒時(shí)間所采集的脈沖數就是我們要知道的頻率f，而飛輪齒數Z也已知，利用公式④就可以計算出發(fā)動(dòng)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：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用，如直流電機調速，電磁閥流量或壓力調節等。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(dòng)電流要求是一個(gè)振顫信號，響應頻率為100～200Hz，且線(xiàn)性好，重復精度高。而PWM功能提供的是占空比線(xiàn)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(mǎn)足以下公式：⑥ I=U＊ /R

    因此，通過(guò)調整占空比τ，就可以比例控制電磁閥的驅動(dòng)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(jìn)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(xiàn)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。