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1、石家庄铁道大学毕业设计基于PLC的电动挖掘机变频调速控制系统设计Design of the Variable Frequency Control System of the Electric Excavator Based on PLC 2013 届 机械工程 学院专 业 测控技术与仪器 完成日期 2013年 6 月11 日摘要电动挖掘机价格低，耗能少，无污染，在矿山、交通、建筑尤其是城建市政现场施工中应用广泛。随着国家各项重点工程的的相继开工，电动挖掘机的需求量将迅速增涨。变频调速系统作为挖掘机的“心脏”，直接影响挖掘机的工作效率，所以研究电动挖掘机的变频调速系统对节能和环保具有重要意义。论
2、文分析了传统发动机作为动力的调速系统，设计了用电动机和变频器替代传统发动机作动力的调速控制系统总体方案。进行了系统建模和PID参数整定。由PLC输出控制信号到变频器，变频器将电动机转速调整到相应的数值，转速传感器反馈转速信号给PLC，构成闭环控制系统。利用GX Developer软件设计了：手动调速、自动调速、自动怠速、PID调节、AD、DA、看门狗等模块。用Protel软件设计了PLC和变频器的相关接口电路、电源电路、转速测量电路、抗干扰电路。进行了PLC、AD和DA模块、变频器、电动机、转速传感器的选型。使用MCGS组态软件设计了人机交互界面，操作和维护方便。在实验室搭建了控制系统平台，对
3、部分硬软件进行了调试，效果良好，达到了设计要求。关键词：电动挖掘机、步进电机、变频器、PLC、组态软件。AbstractElectric excavators have many advantages：Low cost, low power consumption and less pollution. It is widely used in mining, transportation, construction, especially in urban construction. With the states key projects have been started, the de
4、mand of electric excavator will rise rapidly. As the heart of the excavator, Frequency control system directly affects the efficiency of the excavator, so it is important for energy-saving and environmental protection to study the frequency control system of electric excavator.In this paper we analy
5、zed the traditional control 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 output control signals to the inverter, the inverter will
6、adjust the motors 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 blocks with the GX Developer programming software: Manual control, automatic control, automatic idle speed, PID regulation, AD, DA, watchdog
7、modules. With Protel software we designed the PLC and inverter relevant interface circuit, power circuit, speed measuring circuit, anti-jamming circuit. A selection of PLC, AD and DA modules, inverter, motor, speed sensor is conducted. A Human Machine Interface is designed with MCGS configuration so
8、ftware, operation and maintenance are easy.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.Key words: electric excavator、stepper motor、inverter、PLC、configuration software.目录第1章 绪论11.1
9、课题来源以及重要意义11.2 国内外研究现状11.2.1 国内发展及现状11.2.2 国外发展及现状21.3 关键技术与技术难点3第2章 主要技术指标和主要功能52.1 技术指标52.2 主要功能52.3 预期达到的成果及其形式6第3章 总体设计方案73.1 设计思想73.2 技术路线73.3 设计原理7第4章 控制系统数学模型建立和PID参数整定104.1 控制系统数学模型建立104.1.1 输出电压与转速差的转换模型104.1.2 变频器模型建立104.1.3 电动机模型建立104.1.4 系统传递函数114.2 PID 参数整定12第5章 硬件设计135.1 电路设计135.1.1 变频
10、器和PLC的相关接口电路135.1.2 变量泵转速检测电路145.1.3 供电电路设计155.1.4 抗干扰设计165.1.5 触摸屏设计165.2 硬件选型175.2.1 PLC选型175.2.2 电动机的选型195.2.3 变频器的选型195.2.4 AD/ DA模块选型205.2.5 转速传感器的选型21第6章 软件设计246.1 软件设计语言和准备工作246.2 程序模块256.2.1 转速控制256.2.2 发动机自动怠速276.2.3 行进控制286.2.4 AD转换296.2.5 DA转换296.2.6 软件抗干扰设计306.2.7 MCGS程序设计306.3 MCGS操作界面设
11、置316.4 MCGS软件与PLC的通信326.4.1 PLC设置326.4.2 串口父设备设置326.4.3 本设备属性和内部属性设置326.4.4 通信故障分析33第7章 实验与结果分析347.1 实验系统搭建347.2 实验结果分析34第8章 技术创新点及经济效益分析358.1 技术创新点358.2 经济效益分析358.2.1 能源分析358.2.2 维护分析358.2.3 运行效率分析36第9章 结论与展望379.1结论379.2展望37参考文献38致谢39附录40附录A： 外文资料翻译。40附录B： PLC程序54附录C： 电气原理图57第1章 绪论1.1 课题来源以及重要意义挖掘机
12、作为施工机械中的中流砥柱多年来为施工单位所依赖，挖掘机马力强劲，功能多样，有着较强的不可替代性。尤其是在科学技术突飞猛进的今天，人们对挖掘机的要求越来越高，不仅对其动力系统的要求在提高，在操作的舒适度、能耗和尾气排放上都比原来要求更高了。还好有一直在进步的科技基础作为支撑，使人们对挖掘机的改造和创新进入了一个新的时代。在世界资源严重匮乏、石油天然气价格猛增的今天，对机械设备的动力来源改造越来越多地被提上课题，人们在努力寻找一种可再生的新型能源替代石油天然气等不可再生而且会造成环境污染的能源，于是我们看到了大街上的出租车公交车的动力都由传统的石油燃料转变为电力和其它可再生能源，这样不仅大大提高了
13、能源利用率而且减轻了环境的负担。挖掘机也不例外，国内已经有很多公司注意到了电动挖掘机的商机，开始努力研究并且批量生产以电力为动力来源的挖掘机，在这篇论文中，我们也将对电动挖掘机进行深入的研究和探索。 自从PLC诞生以来，人们对电气系统的控制就更加方便和安全了，本设计在PLC控制的基础上配合变频调速装置，运用先进的PID控制技术，不但成功解决了对挖掘机整体的控制问题，而且效果超越了传统的控制系统。1.2 国内外研究现状挖掘机从发明到现在已经走过178年的历史，期间经历过从人力到蒸汽再到液压驱动。作为工程机械行业里的“明珠”，挖掘机的发明和发展对节省人力提高工作效率发挥了巨大作用。1.2.1 国内
14、发展及现状我国挖掘机发展起步较晚。1967年，我国有少数几家工厂开始研究开发液压挖掘机，通过数年坚持不懈的努力，克服一个又一个的困难，终于有少量几种规格的液压挖掘机产品获得初步成功，当时有上海建筑机械厂的WY100；贵阳矿山机器厂的W4-60；合肥矿山机器厂的WY60；长江挖掘机厂的WY160和杭州重型机械厂的WY250等。这为我国液压挖掘机行业的形成迈出了重要的一步。在此同时，涌现出几十位我国第一代液压挖掘机的研究、开发人员。近年来国内一批工程机械零部件企业正在快速成长，部分企业已经研究出具有高精尖技术的变速器、驱动桥及液压阀等产品，并且一部分国内工程机械主机生产商开始投资建立自己的配套件工
15、厂，依靠自身雄厚实力共同推进配套件行业的发展。在2009年初国务院审核通过的装备制造业调整振兴规划中，首次对工程机械用配套零部件提出了发展规划要求和政策支持，部分国外液压件企业纷纷在中国合资建厂，这也给国内配套件企业拉近与行业先进水平的距离提供了良好的平台。目前我国的电动挖掘机市场如雨后春笋，百家争鸣。比较有代表性的有：洛阳聚科特种工程机械有限公司生产的中小型电动挖掘机；四川邦立重机有限责任公司生产的CED260-6型电动液压挖掘机；山东山特重工机械有限公司生产的HXB-55型矿用电动挖掘机。国内电动挖掘机生产厂商通过不懈努力，正在一步步掌握电动挖掘机的核心科技。1.2.2 国外发展及现状18
16、331836年，美国人奥蒂斯设计和制造了第一台蒸汽机驱动、铁木混合结构、半回转、轨行式的单斗挖掘机，生产率为35 m3/h，但由于经济性差没有应用。20世纪40年代，有了在拖拉机上装配液压反铲的悬挂式挖掘机。 20世纪50年代初期和中期相继研发出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机。20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量为50-150 m3的剥离用挖掘机，斗容量为l32 m3的步行式拉铲挖掘机；B-E公司生产的斗容量为168. 2 m3的步行式拉铲挖掘机，斗容量为l07 m3的挖掘机等。国外挖掘机生产厂商重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通
17、用化发展速度。例如，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作；美国林肯贝尔特公司C系列LS-5800型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费；还安装了CAPS(计算机辅助功率系统)，提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能；日本住友公司生产的FJ系列五种新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并延长了零部件的使用寿命；德国奥加凯(O&K)公司生产的挖掘机的油泵调节系统具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神钢公司在新型
18、的904、905、907、909型液压挖掘机上采用智能型控制系统，即使无经验的驾驶员也能进行复杂的作业操作;德国利勃海尔公司开发了ECO(电子控制作业)的操纵装置，可根据作业要求调节挖掘机的作业性能，取得了高效率、低油耗的效果；美国卡特匹勒公司在新型B系统挖掘机上采用最新的3114T型柴油机以及扭矩载荷传感压力系统、功率方式选择器等，进一步提高了挖掘机的作业效率和稳定性。韩国大宇公司在DH280型挖掘机上采用了EPOS电子功率优化系统，根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率运转，这样既充分利用了发动机的功率、提高挖掘机的作业效
19、率，又防止了发动机因过载而熄火。1.3 关键技术与技术难点(1)MCGS对PLC的通信和控制。MCGS设备窗口是 MCGS 系统的重要组成部分，负责建立系统与外部硬件设备的连接，使得 MCGS 能从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工业过程的实时监控。在设备窗口内配置不同类型的设备构件，并根据外部设备的类型和特征，设置相关的属性，将设备的操作方法，如硬件参数配置、数据转换、设备调试等都封装在构件之内，以对象的形式与外部设备建立数据的传输通道连接。运行过程中，设备构件由设备窗口统一调度管理，通过通道连接，向实时数据库提供从外部设备采集到的数据，从实时数据库查询控制参数，发送给系统其
20、它部分，进行控制运算和流程调度，实现对设备工作状态的实时检测和过程的自动控制。MCGS 的这种结构形式使其成为一个与设备无关的系统，对于不同的硬件设备，只需定制相应的设备构件，放置到设备窗口中，并设置相关的属性，系统就可对这一设备进行操作，而不需要对整个系统结构作任何改动。最后用SC-09 编程电缆连接PLC和电脑。(2)PID控制本实验的核心程序中用到了PID控制1，很好地解决了转速控制这个问题。常规的PID控制器设计容易、适用面广、可靠性高，是现在应用很广泛的一类基本的控制器，对于参数固定并且非线性不严重的被控对象有很好的控制效果。但是本设计中的挖掘机，在不同的作业环境、负荷、干扰因素下，
21、其参数是不断变化的。必须对PID参数进行调整，才能使控制效果达到最优。将误差的比例(P)，积分(I)，微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称PID控制器。比例控制是一种简单的控制方式。其输入和输出误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。在积分控制中，控制器的输出和输入信号的积分成正比关系，对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则这个系统是有稳态误差的。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项。误差取决于对时间的积分，随着时间的增加误差会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而增大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等
22、于零。因此，比例和积分控制器可以使系统进入稳态后无稳态误差。在微分控制中，控制器的输出和输入误差信号的微分成比例关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能出现震荡甚至失稳。原因是可能存在过大的惯性环节或者滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决办法就是使误差接近零的时候，抑制误差的作用也是零。这就是说，在控制器中引入比例项是不够的，比例项的作用仅仅是放大误差的幅值，目前需要引入的是积分项，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例加微分的控制器就能提前使抑制误差的作用等于零，避免出现严重超调。(3)转速的测量转速的测量作为整个闭环控制系统中的重要一环，其准确度和实时性直接影
23、响到了PLC对后续变频器的控制。实验中要求测量实时转速并且输入到PLC进行处理，但是这一过程并不简单。电磁式转速传感器的输出量是正弦波，输出量一般不会十分完美，所以在输入PLC的AD模块之前还要经过二极管进行整流，然后经过比例放大器进行放大，才能输入到三菱FX-2N-4AD模块进行模数转换。(4)抗干扰设计在工业现场，在距离较远的电气设备、仪表、PLC控制系统、DCS系统之间进行信号传输时，往往存在干扰，造成系统不稳定甚至误操作。变频器输入的动力电源为三相交流380V电源，而PLC的供电电源为直流24V，两者之间差距巨大，电动机的电控系统很容易被动力电源所影响。为了将电控系统和供电电网的电源隔
24、离开，消除因公共电阻引起的耦合，减少负载波动的影响，同时也为了安全，常常加入适当的抗干扰设计。第2章 主要技术指标和主要功能2.1 技术指标(1)电动机电源2：交流380V(2)控制系统电源：直流24V，负极搭铁，主体单线制(3)温度：环境温度(4)电动机：90kW(5)起动机：由发动机确定(6)铲斗容量：27m3(7)起重臂倾角：45(8)起重臂长度：17.68m(9)斗杆有效长度：14.30m2.2 主要功能(1)转速控制。转速控制是本设计的核心部分，通过硬件和软件的结合设计出优质的转速控制系统可以大大提高挖掘机的工作效率。本设计中转速控制分为手动控制和自动控制。手动模式中通过高速、中速、
25、低速三个档位的变换来更改电动机的转速，其中高速、中速、低速三种速度的具体数值可以通过变频器的PU面板输入，这样就可以比较灵活地控制挖掘机的速度。自动模式则是根据转速输入值和转速的测量值自动对转速进行调整，使其被控制在合适范围内，这样的话就给挖掘机司机减少了很多负担，可以把更多的精力用在对挖掘机动力臂的控制上。(2)怠速功能。挖掘机工作的时候，常常需要短暂停机，处于待命状态，例如等待自卸卡车或需进行某种准备工作等。这时候发动机的能量白白浪费，为此，我们希望发动机转速能自动下降，处于低怠速状态。而且减少燃耗、降低噪音，这对发动机使用寿命也有好处。通过检测油门踏板和操作杆是否长时间没有动作而作出是否
26、怠速的命令，很智能化地解决了这个问题。设计中要求怠速控制在1200转/分，这样节省了能源又保养了机器。(3)转速的实时显示。转速显示是驾驶员对挖掘机的工作状态进行判断的重要参考，所以设计中如何更加快速准确地显示出挖掘机的转速十分重要。通过转速传感器来测量电动机的实时转速，然后经过相关芯片将传感器采集的频率值转换成电压值，再经过AD转换成数字量，输入到PLC中进行处理和运算，并且显示在人机交互界面上。(4)行进控制。对挖掘机进行启动、停止、前进、后退的控制。这些都是对挖掘机行进的最基本控制，由于本设计是基于PLC的，相信比传统的控制方案效果更好。2.3 预期达到的成果及其形式(1)基于Prote
27、l的电路设计图。包括：变量泵转速电路设计、供电电路设计、抗干扰设计、PLC和变频器的相关接口电路、触摸屏电路设计。(2)PLC程序。包括：手动调速模块、自动调速模块、自动怠速模块、PID调节模块、AD和DA模块、抗干扰模块。(3)总体方案设计图。(4)MCGS文件。(5)基于PLC的电动挖掘机变频调速系统实验平台。第3章 总体设计方案3.1 设计思想在本设计中，我们对挖掘机基于PLC的变频调速系统进行了深入的研究，致力于将PLC、变频器、电动机的优势有机结合，从而达到耗能更少，控制更方便的目的。PLC作为整个调速系统的“司令部”担负着重要的责任，整个调速系统都是围绕PLC展开的，首先PLC接收
28、转速传感器采集来的转速，经过分析计算后输出合适的参数信息给变频器，变频器根据PLC传递来的信息对输入380V的电源进行频率变换，而输出电压的频率直接影响到了电动机的转速，电动机带动液压泵进行作业，转速传感器通过对转速的采集又反馈给PLC，这样就形成了一个闭环控制系统，控制更加精准。3.2 技术路线(1)通过去图书馆查阅关于电动挖掘机的相关资料，上网收集国内外电动挖掘机转速控制的最新资讯，对国内外电动挖掘机的研究现状进行分析，以明确哪些技术已经成熟哪些方面还有比较大的进步空间。(2)对基于PLC的变频调速系统总体方案进行设计。(3)根据实际需要对实验中用到的几大部件进行严格选型。(4)用Prot
29、el软件进行各部分电路图的设计。(5)用GX Developer Version 8.0编程软件对系统的几大功能模块进行程序编写，并且进行认真地调试。(6)根据总体方案和各部件的选型搭建的转速控制系统，对设计结果进行分析。3.3 设计原理以下为挖掘机的控制系统示意图。本系统中我们采用三菱FX-2N系列的PLC，和三菱FR-A740变频器，模数转换模块选用三菱FX 2N-4AD，数模转换用三菱FX 2N-4DA，电动机选用Y315L1-8 90KW三相异步电动机。相对于传统的继电器控制系统，用PLC实现运动控制更有优越性：价格更低、速度更快、体积更小、操作更方便。通过选择比较，最终选择三菱的FX
30、2N系列PLC3。三菱FX2N系列是小型化，高速度，高性能以及各方面都是FX系列中高档次的装置，除输入/输出16128点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC，并且具有高速处理及大量满足单个需要的可扩展特殊功能模块等特点，为各种自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。三菱变频器4有几大特点。节能，当频率超过需求时降低频率，电机用不完的能量就节省下来了；无极调速，电机都有一个固定的转速，没有其他调速装置，这个转速固定不变，而有的工况需要电机改变速度，没有三菱变频器，只能通过滑差电机或齿轮变速来实现，很复杂，很笨重，有了三菱
31、变频器，就使一切变速的需要变的轻而易举，随心所欲；启动平稳，速度平稳上升，停止平稳，速度平滑下降，没有冲击；具备多种信号输入输出端口，接收和输出模拟信号，电流、电压信号，与工控机、编程器配合，就能形成自动化控制系统。MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。具有功能完善、
32、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便地开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。模数转换模块选用三菱FX 2N-4AD，数模转换用三菱FX 2N-4DA，是三菱PLC的特殊功能模块， PLC、变频器均采用三菱品牌，所以这个系统就有了完美的兼容性，在设计过程中可以少走很多弯路。挖掘机转速控制系统示意图如下图所示： 图3-1挖掘机转速控制系统示意图系统总体控制方案如下图所示：图3-2系统总体控制框图
33、第4章 控制系统数学模型建立和PID参数整定4.1 控制系统数学模型建立转速控制系统以控制电动机转速恒定为目标，电动机转速由PLC输出转速来决定，而PLC的输出要根据转速传感器的反馈进一步进行调节，控制系统的控制框图下图所示5。图4-1系统控制方案4.1.1 输出电压与转速差的转换模型输出电压与转速差一般承线性关系，设为K1 （4-1）4.1.2 变频器模型建立在工程实践中，可以针对具体情况，将变频器的传递函数设定为一个小惯性环节或一个比例环节，本文将其处理为惯性环节，则控制电压和输出电压,之间的传递函数为：取Ts=0.1s , (4-2)4.1.3 电动机模型建立电机中电流和电压间的传递函数
34、：TL和TC均为小时间常数。所以电机中电流和电压间的传递函数可以简化为： 因为输出转速和输出电流承线性关系：其中的参数分别取： R=7.875，L=27.7mH，C=600F则有：TL=L/R=0.0035s Tc=RC=0.0047s G3(s)= (4-3)4.1.4 系统传递函数本文采用单位负反馈，即Kf =1。由图3-5所示系统控制结构，可得系统总的闭环传递函数如下图所示。图4-2系统结构图由以上关系可得，系统总闭环传递函数为： 为了计算简单不妨将K1、K2的值取成1，最终得到： （4-4）4.2 PID 参数整定PID参数整定6方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时间
35、Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于转速控制系统，工程上已经有大量的经验。实验凑试法的整定步骤为先比例，再积分，最后微分。 (1)整定比例控制将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。(2)整定积分环节先将步骤(1)中选择的比例系数减小为原来的5080，再将积分时间置一个较大值，观
36、测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。(3)整定微分环节先置微分时间Td=0，逐渐加大Td，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。第5章 硬件设计5.1 电路设计5.1.1 变频器和PLC的相关接口电路变频器和PLC的相关接口电路设计作为本设计的核心部分，其合理程度直接关乎到了实验结果的成败，所以对于这部分一定要广泛收集资料，认真考虑每一个细节问题。实验采用三菱FX 2N-48MT的PLC，以及三菱FR-A740的变频器，相关电路连接如下图所示。图5-1 PLC和变频器相关接口
37、连接电路在变频器的缺省设置基础上，做如下修改：(1)Pr30=1 表示再生功能制动选择。再生制动是电动机进行制动时把一部分动能通过电机转换为电能储存起来，回收利用。再生制动一般是和传统液压制动协调配合提供制动力的，再生制动力是为了回收能量，再生制动力越大，回收的能量越多，具体再生制动力大小是受速度、电池容量、电机等因素约束的。(2)Pr73=1 表示选择了模拟量输入模式。(3)Pr79=4 表示选择了外部/PU组合操作模式2，用外部输入设定运行频率。(4)Pr.4=900；Pr.5=1600；Pr.6=2400仅RH为ON时 频率为Pr.4所设置的值决定RH的值仅RM为ON时 频率为Pr.5所
38、设置的值决定RM的值仅RL为ON时 频率为Pr.6所设置的值决定RL的值以上参数均通过变频器的PU面板输入。5.1.2 变量泵转速检测电路变量泵的转速检测是否精准决定着PLC给变频器的输出值是否妥当，所以对于信号的采集和处理要认真对待。传感器接口电路下图所示。图5-2变量泵转速检测电路一般来说传感器输出为正弦信号，需要将其进行整流、放大、AD转换，以便送入PLC进行计算。先将输出的正弦波信号通过二极管进行整流，在转速比较低的时候传感器输出的电压信号幅值比较小，为了提高灵敏度，还要对输出信号进行放大。因为FX 2N-4AD接受的是电压值，所以我们必须将频率值转化为电压值，很幸运我们在市面上找到了
39、LM331芯片，此芯片可以将频率值转化为电压值，并且频率值和电压值承线性关系，刚好满足我们实验中的需要。在信号放大部分，选取R0和R1的阻值分别为10 K、2.7 K。根据式(5-1)可计算出放大倍数约为5。 (5-1) LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片,可用作精密频率电压转换器、A/ D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331 采用了新的温度补偿能隙基准电路, 在整个工作温度范围内和低到 4.0V 电源电压下都有极高的精度。LM331 的动态范围宽，可达 100dB； 线性度好, 最大非线性失真小于 0.01% ，工作频率低到0.1Hz有较好的
40、线性；变换精度高，数字分辨率可达12位； 外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成 V/F 或 F/V 等变换电路，并且容易保证转换精度。LM331 器件管脚图及管脚功能图5-3 LM331 器件管脚及管脚功能图LM331 器件管脚名称及管脚功能如下所示：表5-1 LM331 器件管脚名及管脚功能引脚号引脚名功能1Current Output电流输出2Ref Current基准电流3Frequency Output频率输出4GND接地5R/C接 RC 定时电路6Thresholod阈值7Comparator Input比较输入8VS电源LM331 的内部电路组成由输入比较器、定时比较器、
41、R-S 触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配 TTL、DTL 和 CMOS 等不同的逻辑电路。LM331 可采用双电源或单电源供电，可工作在 4.040V 之间，输出可高达 40V，而且可以防止 Vcc 短路。5.1.3 供电电路设计本实验的动力电源为交流380V，而PLC所需要的电源为直流24V，搭载MCGS的PC机所需电源为220V，为了节约空间和能源我们将从380V交流电源着手，变换成各部件所需的电源。380V交流电转24V直流电的电路图如下图所示：图5-4 供
42、电电路设计380V电源首先经过变压器变成我们需要的电压，然后经过桥式整流器整流成直流，再经过滤波操作就可以达到直流输出的效果。至于PC机所需要的220V交流电可以用380V的一相和接地线构成7。5.1.4 抗干扰设计为了将电控系统和供电电网的电源隔离开，消除因公共电阻引起的耦合，减少负载波动的影响，同时也为了安全，常常在电源变压器之前增加一个1：1隔离变压器。下图为交流电源抗干扰的综合方案。图5-5交流电源的抗干扰设计目前国外已成功研制了专门抑制噪声的隔离变压器，这是一种绕组和变压器整体都有隔离层的多层隔离变压器。这类变压器的结构、铁心材料、形状及其线圈位置都比较特殊，它可以切断高频噪声漏磁通
43、和绕组的交链，从而使差模噪声不易影响到二次侧，故这种变压器既能切断共模噪声电压，又能切断差模噪声电压，是比较理想的隔离变压器。5.1.5 触摸屏设计综合价格和性能的考虑，最终选择LTN141AT08型号的触摸屏来替代原来电脑上的普通液晶屏幕。触摸屏、控制板、USB线之间的连接图如下：图5-6触摸屏的相关电路设计下面是LTN141AT08触摸屏的相关参数：(1)操作电压：一百万次(4)连接材质：FPC(5)反应时间80%(7)储藏温度：-20C到70C(8)表面硬度：3H(9)操作力度：20g到80g上图为线路图的连接，按照图中连接好了之后，还要进行相应的软件安装，软件安装的作用除了驱动触摸屏之
44、外，还要对触摸屏进行校准。校准的作用是使触摸屏的有效区正确对应显示设备所显示图像的区域，也就是定出触摸屏的有效边界，所以这种校准叫边到边校准。只要根据显示设备图像区域的大小，在触摸屏的对角点两下就好了。将USB公头插入到电脑的USB接口，即可实现用触摸屏控制电脑。5.2 硬件选型5.2.1 PLC选型在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC设计选型。工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的
45、控制系统。I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。可以根据系统输入输出表计算所需点数，表如下所示：表5-2 系统的输入和输出表软元件号功能软元件号功能X000前进Y0前进电机X001后退Y1后退电机X002踏板压力检测M2怠速触发X003操作杆压力监测M3转速过小X004高速M4转速适中X005中速M5转速过大X006低速D0转速给定值X007自动模式D1转速瞬时值X010手动模式D2转速输出值Y2快速Y3中速Y4慢速系统输入输出点数不超过20，FX2N-48MT所提供的点数为48，在有一定预留量的前提下满足要求。选择CPU首先要考虑所需的存储器容量，必须确保CPU存储器容量大于所需。其次，对于一些大型设备，在软件的设计上需要CPU有足够的运算速度和处理能力，比如做防摇系统，这时需要考虑采用双CPU冗余系统。然后，有些CPU在通讯接口及支持的通讯方式上有所不同，本着系统经济性和可用性的考虑，选择已集成本系统需要用到的通讯方式，并且能支持需扩展的通讯方式的CPU。最后，还需考虑到整机PLC系统的网络布置，确保主站和各个分站能可靠对接。 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储
