S7-200在全液压轮胎压路机控制中的应用

1 概 述
在现代各类建筑基础、路面和路基的压实中，轮胎压路机具有不可代替的优越性，其充气轮胎除有垂直压实力外，还有水平压实力，这些力的作用加上胶轮弹性所产生的一种“揉搓作用”结果就产生了极好的压实效果。同时，轮胎间的相互重叠能产生平整、致密的表面质量。而传统的以机械式传动为主的轮胎压路机因其结构笨重、机械换档在机群式作业、频繁换向工作中显得力不从心，无法满足现代自动控制、远程监控的要求，其操作的安全性、舒适性也因此受到局限。
三一重工2005年推出的新型YL25C全液压轮胎压路机具有电控油门、电控无级调速和恒速控制、智能洒水控制等功能，可满足高标准路面施工工艺要求。其控制系统采用西门子公司的S7-200 PLC模块及扩展模块作为控制核心，同时采用新一代文本显示器OP73Micro对设备进行实时显示和监控，并提供故障诊断功能。
2 控制系统结构及控制原理
YL25C全液压轮胎压路机控制系统要对压路机的动力系统、行走系统和洒水系统提供相应的控制及保护，恒转速、恒速行走，按一定斜坡值要求起步和停车，确保系统的高效安全运转，具备一定远程监控的功能扩展平台。控制系统结构框图见图1.
1.1 动力系统
对启动马达、油门步进电机及断油电磁铁进行控制，实时监控发动机机转速、机油压力及冷却水温度。
启动控制：在启动条件满足时（行走泵斜盘归零位），启动点火开关，由蓄电池为启动马达及断油电磁铁供电，当系统检测到发动机转速达到预置值时，断开启动马达电源。
转速控制：传统的发动机转速调节是利用机械软轴直接施力于节气门来调速，其缺陷是发动机怠速不稳，导致燃油不完全燃烧，其次，调速的快慢也受限于操作员的经验。本控制系统，直接通过开关设定转速值，同时由飞轮转速传感器测得脉冲信号作为反馈值，形成闭环控制回路，经过某种运算后，按一定的斜坡值输出高速脉冲（PTO）驱动步进电机，进而平稳调节发动机转速，自动调整电机进给量，达到电机的精确定位及在怠速状态下的恒转速控制要求，控制转速偏差△n<±20 r/min。
1.2 行走系统
在国内同类产品首创全液压驱动，速度快、行驶平稳，可达18Km/h，满足快速转场的要求；双操作手柄电控无级调速，实现机电液一体化控制，调速及换向便捷，制动迅速，大大提高操作舒适性和安全性。
恒速控制：首先由行驶手柄进行行走速度值及方向设定，同时可以通过显示器的显示窗口读取所设定的行驶速度值，PLC便得到行走恒速控制的指令，行走电控系统此时处于PID的闭环控制之中。行驶手柄中的电位器所输入的设定值（模拟量）作为系统的初始给定值，经A/D转换后送入PID调节器进行运算，通过PID的参数调节可以让机器获得一个较好的动态响应曲线，机器动作以后，由设置在行走马达上的测速传感器将实时转速值（高速脉冲值）通过PLC的高速计数器送入PLC，该传感器提供的反馈信号在进入闭环运算之前，先进行算术平均值取样处理，合成为一个总的反馈信号提供给PID调节器，最终由PID输出一个PWM调节值给行走电比例泵，通过液压系统和相应的液压行走马达驱动压路机跟随速度设定值以恒定的速度作业，其偏差值δ≤2 m/min。
在以上恒速控制程序调试过程中，由于轮胎压路机本身质量大，达25吨，行走惯量大，为使机器获得一个较好的动态响应曲线，须对PID输出调节值限幅，并且依据不同的设定值区间（两级以上）进行适当调整。
行驶制动：在行驶手柄回中时，PLC便得到停车指令，立即将PID调节值置零，同时，输出PWM调节值（脉宽）自动按某一斜坡值递减至零，达到系统平稳停车的目的。
紧急制动：在按下紧停按钮后，一方面，通过外部的物理开关关闭所有电磁阀电源；另一方面，将开关量送入PLC，PLC得到指令后，立即关闭PID调节器，同时将其输入/输出值清零，并输出一个开关量信号给报警指示灯进行警示，系统进入紧急停车状态。
1.3 洒水系统
洒水系统对施工质量的好坏有着直接影响，因此，在控制方面既要保证洒水流量的线性可调，又要保证在最小流量水喷洒的雾化效果。
手动调节：在施工阶段对洒水流量要求不是很严格或产品调试时，可以选择手动功能。直接通过开关进行流量值设定，PLC根据开关接通的时间或次数换算成对应的流量值，经过D/A转换控制比例放大器，转化为PWM信号直接驱动水泵电机，线性控制洒水流量。
自动调节：基于压路机行走速度值，经过D/A转换控制比例放大器，最终转化为PWM信号直接驱动水泵电机，以达到最佳洒水流量，既不会因为水流过小使轮胎粘沥青，也不致水流过大影响沥青温度。
1.4 监控系统
由文本显示器及指示灯组成，主要用来监控发动机累计工作小时、转速、冷却液温度和机油压力、燃油液位、行走速度等系统参数，对如冷却液温度过高、机油压力低、制动压力低及水箱缺水提供图文报警，此外，还可以对机器一些功能选择及时钟编辑通过文本显示功能键来设置完成；指示灯则用来对充电状态、PLC工作状态、系统报警等进行报警指示。
温度传感器温度特性（温度与电阻的函数关系）并不是线性的，按图2线路连接，V+为工作电压，R*为分压电阻，经过经验值测定，温度传感器（负温敏电阻）满足以下函数关系：
① T=τlnK/Rt
② Rt=U/I
将①、②式归并可得出公式③
③ T=τlnk/U 其中k=K.I
式中：T为传感器检测的温度；Rt为传感器电阻；τ和K为常数（可以事先利用温度计和万用表测出两组T、U值求出）。
将电压信号送入PLC模块（模拟量输入点），经A/D转换及相关函数运算、标定，利用公式③即可计算出对应的传感器检测的温度值。
3 控制系统硬件
2.1 控制器
由西门子S7-200主模块CPU224及扩展模块EM223、EM235组成。其中CPU224为西门子小型PLC主模块，设计紧凑、良好扩展性及强大的指令可以近乎完美满足小规模控制要求，EM223为4DI/4DO数字量扩展模块，EM235为4AI/1AO模拟量扩展模块。
（1） 18路数字量输入14路数字量输出，4路模拟量输入1路模拟量输出
（2） 工作电压20.4~28.8VDC，工作环境温度0~55℃；
（3） 高速计数输入点响应频率20 kHz，逻辑1电平15~30 VDC；
（4） 高速脉冲输出频率20 kHz，输出驱动电流<750 mA；
2.2 显示器
西门子文本显示器OP73Micro，可显示3行每行达12字中文信息，4功能键/7系统键，前面板尺寸148×76mm，开孔尺寸138×68mm；
2.3 测速传感器
REXROTH霍尔转速传感器HDK18，工作电压8~36V；
2.4 行驶手柄
选用带行程开关及中位锁GESSMAN产的工程机械专用行驶手柄S22M-02RP-X
　　（1） 手柄机械运动角度±37.5°；
　　（2） 寿命> 1000 万次，工作环境温度-40~60℃；
　　（3） 电阻及功率2×5 kΩ/1.5 W。
2.5 比例放大器
工作电压18~32 V，输入电压0~5 VDC， PWM输出电流3.5 A/10 kHz；
4 控制程序设计
程序编制采用模块化结构，包括主程序、子程序和中断程序等。主程序主要完成程序初始化、输入点滤波、系统报警信号处理、行走及制动控制和实现各子程序的调用等核心功能。子程序主要实现记录机器连续工作时间并保存在永久存储器中、高速计数器和高速脉冲发生器程序初始化、速度PID调节和发动机转速控制。中断程序则用来通过定时中断完成发动机转速及行走速度信号的采集，计算出相应的转速值及速度值。
高速计数：本产品设计应用了两路高速计数，一路是发动机转速检测，另一路是行走速度检测。通过安装在发动机或行走马达飞轮壳体上的传感器可以接受电磁脉冲信号，每一个飞轮齿经过传感器时，传感器即输出一个波形，设该波形的频率为f，飞轮齿数为Z，发动机或马达转速为n，则它们满足以下公式：④ n=f*60/Z（单位RPM）
PLC高速计数是采用定时中断的方式累计单位时间里（如100mS）所采集的脉冲数，那么所累计1秒时间所采集的脉冲数就是我们要知道的频率f，而飞轮齿数Z也已知，利用公式④就可以计算出发动机的转速n了。
在测得行走马达转速n后，已知减速机减速比为i，轮胎直径为D，则利用公式⑤就可以计算出机器行走速度v了：⑤ v=n* *D/i（单位m/min）
PWM功能：PWM功能在工程机械中具有广泛的应用，如直流电机调速，电磁阀流量或压力调节等。而本产品则应用于行走主泵流量控制的比例电磁阀，该电磁阀对驱动电流要求是一个振颤信号，响应频率为100~200Hz，且线性好，重复精度高。而PWM功能提供的是占空比线性可调的脉冲输出，最高频率可达20kHz，占空比可在0%~100%自由调整，设占空比为τ，PLC输出PWM波的电压为U，电流为I，电磁阀的电阻为R，则它们满足以下公式：⑥ I=U* /R
因此，通过调整占空比τ，就可以比例控制电磁阀的驱动电流了，间而达到调速的目的。
文本显示器OP73Micro需要采用组态软件SIMATIC WinCCflexible进行编程。是基于Windows2000/XP的应用软件，支持中文字符和位图文件，编程界面友好，提供在线帮助功能，支持剪切/复制及粘帖等编辑功能，只是对编程电脑硬件配置要求较高。