基于PLC的电动挖掘机变频调速系统毕业设计Word格式.docx

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关键词：

电动挖掘机、步进电机、变频器、PLC、组态软件。

Abstract

Electricexcavatorshavemanyadvantages：

Lowcost,lowpowerconsumptionandlesspollution.Itiswidelyusedinmining,transportation,construction,especiallyinurbanconstruction.Withthestate'

skeyprojectshavebeenstarted,thedemandofelectricexcavatorwillriserapidly.Asthe"

heart"

oftheexcavator,Frequencycontrolsystemdirectlyaffectstheefficiencyoftheexcavator,soitisimportantforenergy-savingandenvironmentalprotectiontostudythefrequencycontrolsystemofelectricexcavator.

Inthispaperweanalyzedthetraditionalcontrolsysteminwhichengineisthepower,anoverallprogramisdesignedthatmotorandconverterreplacetraditionalengine-poweredspeedcontrolsystem.SystematicmodelingandPIDparametertuningareconducted.PLCoutputcontrolsignalstotheinverter,theinverterwilladjustthemotor’sspeedtoanappropriatevalue,thespeed​​sensorfeedbacksspeedsignaltothePLC,aclosedloopcontrolsystemisformed.WedesignedafewblockswiththeGXDeveloperprogrammingsoftware:

Manualcontrol,automaticcontrol,automaticidlespeed,PIDregulation,AD,DA,watchdogmodules.WithProtelsoftwarewedesignedthePLCandinverterrelevantinterfacecircuit,powercircuit,speedmeasuringcircuit,anti-jammingcircuit.AselectionofPLC,ADandDAmodules,inverter,motor,speedsensorisconducted.AHumanMachineInterfaceisdesignedwithMCGSconfigurationsoftware,operationandmaintenanceareeasy.

Acontrolsystemplatformisbuiltinthelaboratory,adebuggingiscarriedoutonpartofhardwareandsoftware,designrequirementsareachievewithgoodeffect.

Keywords:

electricexcavator、steppermotor、inverter、PLC、configurationsoftware.

第1章绪论

1.1课题来源以及重要意义

挖掘机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

1833～1836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35m3/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50-150m3的剥离用挖掘机，斗容量为l32m3的步行式拉铲挖掘机；

B-E公司生产的斗容量为168.2m3的步行式拉铲挖掘机，斗容量为l07m3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，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：

14.30m

2.2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、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Protel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。

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Protel软件进行各部分电路图的设计。

（5）用GXDeveloperVersion8.0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FX2N-4AD，数模转换用三菱FX2N-4DA，电动机选用Y315L1-890KW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FX2N系列PLC[3]。

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16~128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（MonitorandControlGeneratedSystem，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MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。

具有功能完善、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FX2N-4AD，数模转换用三菱FX2N-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

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：

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=7.875Ω，L=27.7mH，C=600μF

则有：

TL=L/R=0.0035sTc=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）

4.2PID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50～80％，再将积分时间置一个较大值，