概 述

在現(xiàn)代各類建筑基礎、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生的一種“揉搓作用”結果就產生了極好的壓實效果。同時，輪胎間的相互重疊能產生平整、致密的表面質量。而傳統(tǒng)的以機械式傳動為主的輪胎壓路機因其結構笨重、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、電控無級調速和恒速控制、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)結構及控制原理

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)提供相應的控制及保護，恒轉速、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，具備一定遠程監(jiān)控的功能擴展平臺。控制系統(tǒng)結構框圖見圖1.

圖1 控制系統(tǒng)結構框圖

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，由蓄電池為啟動馬達及斷油電磁鐵供電，當系統(tǒng)檢測到發(fā)動機轉速達到預置值時，斷開啟動馬達電源。

轉速控制：傳統(tǒng)的發(fā)動機轉速調節(jié)是利用機械軟軸直接施力于節(jié)氣門來調速，其缺陷是發(fā)動機怠速不穩(wěn)，導致燃油不完全燃燒，其次，調速的快慢也受限于操作員的經驗。本控制系統(tǒng)，直接通過開關設定轉速值，同時由飛輪轉速傳感器測得脈沖信號作為反饋值，形成閉環(huán)控制回路，經過某種運算后，按一定的斜坡值輸出高速脈沖（PTO）驅動步進電機，進而平穩(wěn)調節(jié)發(fā)動機轉速，自動調整電機進給量，達到電機的精確定位及在怠速狀態(tài)下的恒轉速控制要求，控制轉速偏差△n《±20 r/min。

1.2 行走系統(tǒng)

在國內同類產品首創(chuàng)全液壓驅動，速度快、行駛平穩(wěn)，可達18Km/h，滿足快速轉場的要求；雙操作手柄電控無級調速，實現(xiàn)機電液一體化控制，調速及換向便捷，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定，同時可以通過顯示器的顯示窗口讀取所設定的行駛速度值，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定值（模擬量）作為系統(tǒng)的初始給定值，經A/D轉換后送入PID調節(jié)器進行運算，通過PID的參數(shù)調節(jié)可以讓機器獲得一個較好的動態(tài)響應曲線，機器動作以后，由設置在行走馬達上的測速傳感器將實時轉速值（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，先進行算術平均值取樣處理，合成為一個總的反饋信號提供給PID調節(jié)器，最終由PID輸出一個PWM調節(jié)值給行走電比例泵，通過液壓系統(tǒng)和相應的液壓行走馬達驅動壓路機跟隨速度設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試過程中，由于輪胎壓路機本身質量大，達25噸，行走慣量大，為使機器獲得一個較好的動態(tài)響應曲線，須對PID輸出調節(jié)值限幅，并且依據不同的設定值區(qū)間（兩級以上）進行適當調整。

行駛制動：在行駛手柄回中時，PLC便得到停車指令，立即將PID調節(jié)值置零，同時，輸出PWM調節(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關閉所有電磁閥電源；另一方面，將開關量送入PLC，PLC得到指令后，立即關閉PID調節(jié)器，同時將其輸入/輸出值清零，并輸出一個開關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，又要保證在最小流量水噴灑的霧化效果。

手動調節(jié)：在施工階段對灑水流量要求不是很嚴格或產品調試時，可以選擇手動功能。直接通過開關進行流量值設定，PLC根據開關接通的時間或次數(shù)換算成對應的流量值，經過D/A轉換控制比例放大器，轉化為PWM信號直接驅動水泵電機，線性控制灑水流量。

自動調節(jié)：基于壓路機行走速度值，經過D/A轉換控制比例放大器，最終轉化為PWM信號直接驅動水泵電機，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，經過經驗值測定，溫度傳感器（負溫敏電阻）滿足以下函數(shù)關系：

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A/D轉換及相關函數(shù)運算、標定，利用公式③即可計算出對應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)模控制要求，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霍爾轉速傳感器HDK18，工作電壓8~36V；

2.4 行駛手柄

選用帶行程開關及中位鎖GESSMAN產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 控制程序設計

程序編制采用模塊化結構，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調節(jié)和發(fā)動機轉速控制。中斷程序則用來通過定時中斷完成發(fā)動機轉速及行走速度信號的采集，計算出相應的轉速值及速度值。

高速計數(shù)：本產品設計應用了兩路高速計數(shù)，一路是發(fā)動機轉速檢測，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，每一個飛輪齒經過傳感器時，傳感器即輸出一個波形，設該波形的頻率為f，飛輪齒數(shù)為Z，發(fā)動機或馬達轉速為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)動機的轉速n了。

在測得行走馬達轉速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用，如直流電機調速，電磁閥流量或壓力調節(jié)等。而本產品則應用于行走主泵流量控制的比例電磁閥，該電磁閥對驅動電流要求是一個振顫信號，響應頻率為100~200Hz，且線性好，重復精度高。而PWM功能提供的是占空比線性可調的脈沖輸出，最高頻率可達20kHz，占空比可在0%~100%自由調整，設占空比為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，通過調整占空比τ，就可以比例控制電磁閥的驅動電流了，間而達到調速的目的。

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。

軟件主程序及調速子程序結構流程圖見圖3和圖4所示。

圖3 主程序流程

圖4 調速子程序流程圖