概 述

在現(xiàn)代各類建筑基礎(chǔ)、路面和路基的壓實(shí)中，輪胎壓路機(jī)具有不可代替的優(yōu)越性，其充氣輪胎除有垂直壓實(shí)力外，還有水平壓實(shí)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(shí)效果。同時(shí)，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(jī)械式傳動(dòng)為主的輪胎壓路機(jī)因其結(jié)構(gòu)笨重、機(jī)械換檔在機(jī)群式作業(yè)、頻繁換向工作中顯得力不從心，無(wú)法滿足現(xiàn)代自動(dòng)控制、遠(yuǎn)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(jī)具有電控油門(mén)、電控?zé)o級(jí)調(diào)速和恒速控制、智能灑水控制等功能，可滿足高標(biāo)準(zhǔn)路面施工工藝要求。其控制系統(tǒng)采用西門(mén)子公司的S7-200 PLC模塊及擴(kuò)展模塊作為控制核心，同時(shí)采用新一代文本顯示器OP73Micro對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)控制系統(tǒng)要對(duì)壓路機(jī)的動(dòng)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(hù)，恒轉(zhuǎn)速、恒速行走，按一定斜坡值要求起步和停車(chē)，確保系統(tǒng)的高效安全運(yùn)轉(zhuǎn)，具備一定遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能擴(kuò)展平臺(tái)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1.

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)

對(duì)啟動(dòng)馬達(dá)、油門(mén)步進(jìn)電機(jī)及斷油電磁鐵進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力及冷卻水溫度。

啟動(dòng)控制：在啟動(dòng)條件滿足時(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(dá)及斷油電磁鐵供電，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)置值時(shí)，斷開(kāi)啟動(dòng)馬達(dá)電源。

轉(zhuǎn)速控制：傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是利用機(jī)械軟軸直接施力于節(jié)氣門(mén)來(lái)調(diào)速，其缺陷是發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)。本控制系統(tǒng)，直接通過(guò)開(kāi)關(guān)設(shè)定轉(zhuǎn)速值，同時(shí)由飛輪轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得脈沖信號(hào)作為反饋值，形成閉環(huán)控制回路，經(jīng)過(guò)某種運(yùn)算后，按一定的斜坡值輸出高速脈沖（PTO）驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而平穩(wěn)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，自動(dòng)調(diào)整電機(jī)進(jìn)給量，達(dá)到電機(jī)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(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品首創(chuàng)全液壓驅(qū)動(dòng)，速度快、行駛平穩(wěn)，可達(dá)18Km/h，滿足快速轉(zhuǎn)場(chǎng)的要求；雙操作手柄電控?zé)o級(jí)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)機(jī)電液一體化控制，調(diào)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(shè)定，同時(shí)可以通過(guò)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(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(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(jìn)行運(yùn)算，通過(guò)PID的參數(shù)調(diào)節(jié)可以讓機(jī)器獲得一個(gè)較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，機(jī)器動(dòng)作以后，由設(shè)置在行走馬達(dá)上的測(cè)速傳感器將實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值（高速脈沖值）通過(guò)PLC的高速計(jì)數(shù)器送入PLC，該傳感器提供的反饋信號(hào)在進(jìn)入閉環(huán)運(yùn)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(hào)提供給PID調(diào)節(jié)器，最終由PID輸出一個(gè)PWM調(diào)節(jié)值給行走電比例泵，通過(guò)液壓系統(tǒng)和相應(yīng)的液壓行走馬達(dá)驅(qū)動(dòng)壓路機(jī)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(guò)程中，由于輪胎壓路機(jī)本身質(zhì)量大，達(dá)25噸，行走慣量大，為使機(jī)器獲得一個(gè)較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，須對(duì)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(jí)以上）進(jìn)行適當(dāng)調(diào)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(diào)節(jié)值置零，同時(shí)，輸出PWM調(diào)節(jié)值（脈寬）自動(dòng)按某一斜坡值遞減至零，達(dá)到系統(tǒng)平穩(wěn)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(diào)節(jié)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(hào)給報(bào)警指示燈進(jìn)行警示，系統(tǒng)進(jìn)入緊急停車(chē)狀態(tài)。

1.3 灑水系統(tǒng)

灑水系統(tǒng)對(duì)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(dòng)調(diào)節(jié)：在施工階段對(duì)灑水流量要求不是很?chē)?yán)格或產(chǎn)品調(diào)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(shè)定，PLC根據(jù)開(kāi)關(guān)接通的時(shí)間或次數(shù)換算成對(duì)應(yīng)的流量值，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換控制比例放大器，轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)，線性控制灑水流量。

自動(dòng)調(diào)節(jié)：基于壓路機(jī)行走速度值，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換控制比例放大器，最終轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)，以達(dá)到最佳灑水流量，既不會(huì)因?yàn)樗鬟^(guò)小使輪胎粘瀝青，也不致水流過(guò)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(lái)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)工作小時(shí)、轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度和機(jī)油壓力、燃油液位、行走速度等系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)如冷卻液溫度過(guò)高、機(jī)油壓力低、制動(dòng)壓力低及水箱缺水提供圖文報(bào)警，此外，還可以對(duì)機(jī)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(shè)置完成；指示燈則用來(lái)對(duì)充電狀態(tài)、PLC工作狀態(tài)、系統(tǒng)報(bào)警等進(jìn)行報(bào)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(guò)經(jīng)驗(yàn)值測(cè)定，溫度傳感器（負(fù)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(cè)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(jì)和萬(wàn)用表測(cè)出兩組T、U值求出）。

將電壓信號(hào)送入PLC模塊（模擬量輸入點(diǎn)），經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換及相關(guān)函數(shù)運(yùn)算、標(biāo)定，利用公式③即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的傳感器檢測(cè)的溫度值。

2 控制系統(tǒng)硬件

2.1 控制器

由西門(mén)子S7-200主模塊CPU224及擴(kuò)展模塊EM223、EM235組成。其中CPU224為西門(mén)子小型PLC主模塊，設(shè)計(jì)緊湊、良好擴(kuò)展性及強(qiáng)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(kuò)展模塊，EM235為4AI/1AO模擬量擴(kuò)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(jì)數(shù)輸入點(diǎn)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(dòng)電流《750 mA；

2.2 顯示器

西門(mén)子文本顯示器OP73Micro，可顯示3行每行達(dá)12字中文信息，4功能鍵/7系統(tǒng)鍵，前面板尺寸148×76mm，開(kāi)孔尺寸138×68mm；

2.3 測(cè)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(kāi)關(guān)及中位鎖GESSMAN產(chǎn)的工程機(jī)械專用行駛手柄S22M-02RP-X

（1） 手柄機(jī)械運(yùn)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。

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(jì)

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(diǎn)濾波、系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)處理、行走及制動(dòng)控制和實(shí)現(xiàn)各子程序的調(diào)用等核心功能。子程序主要實(shí)現(xiàn)記錄機(jī)器連續(xù)工作時(shí)間并保存在永久存儲(chǔ)器中、高速計(jì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速及行走速度信號(hào)的采集，計(jì)算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速值及速度值。

高速計(jì)數(shù)：本產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用了兩路高速計(jì)數(shù)，一路是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)，另一路是行走速度檢測(cè)。通過(guò)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)或行走馬達(dá)飛輪殼體上的傳感器可以接受電磁脈沖信號(hào)，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(shè)該波形的頻率為f，飛輪齒數(shù)為Z，發(fā)動(dòng)機(jī)或馬達(dá)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(jì)數(shù)是采用定時(shí)中斷的方式累計(jì)單位時(shí)間里（如100mS）所采集的脈沖數(shù)，那么所累計(jì)1秒時(shí)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(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n了。

在測(cè)得行走馬達(dá)轉(zhuǎn)速n后，已知減速機(jī)減速比為i，輪胎直徑為D，則利用公式⑤就可以計(jì)算出機(jī)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(jī)械中具有廣泛的應(yīng)用，如直流電機(jī)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(duì)驅(qū)動(dòng)電流要求是一個(gè)振顫信號(hào)，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(dá)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(guò)調(diào)整占空比τ，就可以比例控制電磁閥的驅(qū)動(dòng)電流了，間而達(dá)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(jìn)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(duì)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(jiàn)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