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，可滿足高標準路面施工工藝要求。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)，具備一定遠程監(jiān)控的功能擴展平臺?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1.

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

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?，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