基于plc的電動挖掘機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 )可計算出放大倍數(shù)約為5。 (51) LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價格比較高的集成芯片,可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、A/ D 轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時間積分器及其他相關(guān)器件。LM331 采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路, 在整個工作溫度范圍內(nèi)和低到 電源電壓下都有極高的精度。LM331 的動態(tài)范圍寬，可達(dá) 100dB； 線性度好, 最大非線性失真小于 % ，；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位； 外接電路簡單,只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成 V/F 或 F/V 等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。LM331 器件管腳圖及管腳功能圖53 LM331 器件管腳及管腳功能圖LM331 器件管腳名稱及管腳功能如下所示：表51 LM331 器件管腳名及管腳功能引腳號引腳名功能1Current Output電流輸出2Ref Current基準(zhǔn)電流3Frequency Output頻率輸出4GND接地5R/C接 RC 定時電路6Thresholod閾值7Comparator Input比較輸入8VS電源LM331 的內(nèi)部電路組成由輸入比較器、定時比較器、RS 觸發(fā)器、輸出驅(qū)動管、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路、精密電流源電路、電流開關(guān)、輸出保護(hù)管等部分組成輸出驅(qū)動管采用集電極開路形式，因而可以靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配 TTL、DTL 和 CMOS 等不同的邏輯電路。LM331 可采用雙電源或單電源供電，可工作在 ～40V 之間，輸出可高達(dá) 40V，而且可以防止 Vcc 短路。 供電電路設(shè)計本實(shí)驗的動力電源為交流380V，而PLC所需要的電源為直流24V，搭載MCGS的PC機(jī)所需電源為220V，為了節(jié)約空間和能源我們將從380V交流電源著手，變換成各部件所需的電源。380V交流電轉(zhuǎn)24V直流電的電路圖如下圖所示：圖54 供電電路設(shè)計380V電源首先經(jīng)過變壓器變成我們需要的電壓，然后經(jīng)過橋式整流器整流成直流，再經(jīng)過濾波操作就可以達(dá)到直流輸出的效果。至于PC機(jī)所需要的220V交流電可以用380V的一相和接地線構(gòu)成[7]。 抗干擾設(shè)計為了將電控系統(tǒng)和供電電網(wǎng)的電源隔離開，消除因公共電阻引起的耦合，減少負(fù)載波動的影響，同時也為了安全，常常在電源變壓器之前增加一個1：1隔離變壓器。下圖為交流電源抗干擾的綜合方案。圖55交流電源的抗干擾設(shè)計目前國外已成功研制了專門抑制噪聲的隔離變壓器，這是一種繞組和變壓器整體都有隔離層的多層隔離變壓器。這類變壓器的結(jié)構(gòu)、鐵心材料、形狀及其線圈位置都比較特殊，它可以切斷高頻噪聲漏磁通和繞組的交鏈，從而使差模噪聲不易影響到二次側(cè)，故這種變壓器既能切斷共模噪聲電壓，又能切斷差模噪聲電壓，是比較理想的隔離變壓器。 觸摸屏設(shè)計綜合價格和性能的考慮，最終選擇LTN141AT08型號的觸摸屏來替代原來電腦上的普通液晶屏幕。觸摸屏、控制板、USB線之間的連接圖如下：圖56觸摸屏的相關(guān)電路設(shè)計下面是LTN141AT08觸摸屏的相關(guān)參數(shù)：(1)操作電壓：10V(2)操作溫度：10176。C到60176。C(3)使用壽命：一百萬次(4)連接材質(zhì)：FPC(5)反應(yīng)時間10毫秒(6)透光度：80%(7)儲藏溫度：20176。C到70176。C(8)表面硬度：3H(9)操作力度：20g到80g上圖為線路圖的連接，按照圖中連接好了之后，還要進(jìn)行相應(yīng)的軟件安裝，軟件安裝的作用除了驅(qū)動觸摸屏之外，還要對觸摸屏進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的作用是使觸摸屏的有效區(qū)正確對應(yīng)顯示設(shè)備所顯示圖像的區(qū)域，也就是定出觸摸屏的有效邊界，所以這種校準(zhǔn)叫邊到邊校準(zhǔn)。只要根據(jù)顯示設(shè)備圖像區(qū)域的大小，在觸摸屏的對角點(diǎn)兩下就好了。將USB公頭插入到電腦的USB接口，即可實(shí)現(xiàn)用觸摸屏控制電腦。 硬件選型 PLC選型在PLC系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC設(shè)計選型。工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。I/O點(diǎn)數(shù)估算時應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔浚ǔ８鶕?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10%～20%的可擴(kuò)展余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。可以根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出表計算所需點(diǎn)數(shù)，表如下所示：表52 系統(tǒng)的輸入和輸出表軟元件號功能軟元件號功能X000前進(jìn)Y0前進(jìn)電機(jī)X001后退Y1后退電機(jī)X002踏板壓力檢測M2怠速觸發(fā)X003操作桿壓力監(jiān)測M3轉(zhuǎn)速過小X004高速M(fèi)4轉(zhuǎn)速適中X005中速M(fèi)5轉(zhuǎn)速過大X006低速D0轉(zhuǎn)速給定值X007自動模式D1轉(zhuǎn)速瞬時值X010手動模式D2轉(zhuǎn)速輸出值Y2快速Y3中速Y4慢速系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)數(shù)不超過20，F(xiàn)X2N48MT所提供的點(diǎn)數(shù)為48，在有一定預(yù)留量的前提下滿足要求。選擇CPU首先要考慮所需的存儲器容量，必須確保CPU存儲器容量大于所需。其次，對于一些大型設(shè)備，在軟件的設(shè)計上需要CPU有足夠的運(yùn)算速度和處理能力，比如做防搖系統(tǒng)，這時需要考慮采用雙CPU冗余系統(tǒng)。然后，有些CPU在通訊接口及支持的通訊方式上有所不同，本著系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和可用性的考慮，選擇已集成本系統(tǒng)需要用到的通訊方式，并且能支持需擴(kuò)展的通訊方式的CPU。最后，還需考慮到整機(jī)PLC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)布置，確保主站和各個分站能可靠對接。 存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量應(yīng)小于存儲器容量。設(shè)計階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。FX2N48MT也符合要求。綜上所述，我們選擇三菱公司PLC系列中的FX2N48MT。FX2N48MT技術(shù)指標(biāo)：(1)輸入電壓：DC24V（10%范圍內(nèi)）(2)輸入電流：DC24V,7mA(3)響應(yīng)時間：10ms(4)輸入信號形式：無電壓觸點(diǎn)，或NPN集電極開路輸出晶體管(5)輸入電路絕緣：光耦合絕緣實(shí)物圖如下：圖57 三菱FX2N48MT PLC 電動機(jī)的選型根據(jù)實(shí)際需要，發(fā)動機(jī)的功率應(yīng)該在90KW上下，所以我們選擇了Y315L18 90KW三相異步電動機(jī)。此電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低、運(yùn)行維護(hù)方便，它被廣泛地應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作為電力拖動的原動機(jī)。技術(shù)指標(biāo)：(1)額定電壓：380V。(2)額定頻率為：50Hz.(3)功率：90kw(4)環(huán)境溫度：不超過40℃，最低環(huán)境空氣溫度為15℃。(5)濕度：最濕月月平均最高相對濕度為90%。實(shí)物圖如下：圖58 Y315L18 90KW三相異步電動機(jī) 變頻器的選型一般情況下，選擇變頻器的功率和電機(jī)的功率一樣，在有些特殊情況下（如重載設(shè)備），也會選擇變頻器的功率大于電機(jī)的額定功率，以保證變頻器帶動電機(jī)能夠正常運(yùn)行。合理的容量選擇本身就是一種節(jié)能降耗措施。本課題中我們采用電機(jī)實(shí)際功率確定法，首先測定電機(jī)的實(shí)際功率,以此來選用變頻器的容量。因為本設(shè)計中選用的電動機(jī)功率為90KW，,所以我們最終選擇了三菱FR—A740變頻器。圖59三菱變頻器變頻器的工作原理是把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把三相或單相交流電變換為直流電（DC），然后再把直流電（DC）變換為三相或單相交流電（AC）。通過改變電壓的頻率從而改變了電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速是通過改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的。 (52)對于電機(jī)而言，其磁極對數(shù)p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率s變化不大，故電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源的頻率f成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)的調(diào)試目的。 AD/ DA模塊選型綜合對輸入通道個數(shù)、兼容性以及預(yù)留升級的考慮最終的AD模塊我們選擇了三菱FX2N4AD，DA模塊選擇了三菱FX2N4DA。因為PLC、變頻器同為三菱品牌，所以系統(tǒng)會有良好的兼容性。圖510三菱FX2N4DA和三菱FX2N4AD性能指標(biāo)：(1)4個輸入點(diǎn)可同時使用。(2)輸入電壓為10V~+10V,如果絕對值超過15V，則可對單元造成損壞。(3)12位轉(zhuǎn)換結(jié)果以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存放。最大值2047，最小值2048。(4)分辨率電壓為1/2000，5mV，電流為1/1000，20uA。(5)總體精度1%。(6)轉(zhuǎn)換速度6~15ms。(7)外接電源為24V，,電流為55mA。FX2N4AD模擬特殊模塊有四個輸入通道。輸入通道接收模擬信號并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這稱為A/D轉(zhuǎn)換。FX2N4AD最大分辨率是12位。基于電壓或電流的輸入/輸出的選擇通過用戶配線來完成，可選用的模擬值范圍是10V到10V DC(分辨率5mV), 20到20mA(分辨率：20μA)。FX2N4AD和FX2N主單元之間通過緩沖存儲器交換數(shù)據(jù)，F(xiàn)X2N4AD共有32個緩沖存儲器(每個16位)。FX2N4AD占用FX2N擴(kuò)展總路線的8個點(diǎn)，這8點(diǎn)可以分配成輸入或輸出。三菱FX2N4DA是一款模擬量模塊。首先給大家介紹一下模擬量模塊的工作原理。模擬量模塊是將壓力、液位、溫度等信號轉(zhuǎn)化為 15V，420mA（也有別的信號的，如010V，05V等）然后交給PLC進(jìn)行處理的。PLC是不知道具體電壓或者電流信號的大小的。所以，我們要用一個數(shù)字來表示它的大小，然后告訴PLC，PLC才能知道輸入的電壓、電流信號具體有多大。數(shù)字量輸入輸出信號就是開關(guān)量信號，1或者0。模擬量信號有2種，電壓或者電流信號 ，一般是變送器傳過來的信號，比如用壓力變送器檢測水管壓力，它會輸出一個模擬信號420ma或者010v的信號給PLC，PLC來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 轉(zhuǎn)速傳感器的選型本實(shí)驗在選擇轉(zhuǎn)速傳感器的時候考慮到必須是非接觸式測量，必須有較強(qiáng)的抗干擾能力能夠在煙霧、油氣、水汽等環(huán)境中工作，輸出的信號必須足夠強(qiáng)，測量范圍必須足夠廣，所以最終我們選擇了磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，同時磁電式轉(zhuǎn)速傳感器維護(hù)成本較低，運(yùn)行過程無需供電，完全是靠磁電感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)測量，同時磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的運(yùn)轉(zhuǎn)也不需要機(jī)械動作，無需潤滑等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計中我們采用了JX71C磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。實(shí)物圖如下：圖511 JX71C磁電式轉(zhuǎn)速傳感器技術(shù)指標(biāo)：(1)輸出電壓： 在齒輪模數(shù)齒數(shù)60、材料為G間隙為1mm時 轉(zhuǎn)速為 1000轉(zhuǎn)/分 輸出有效值大于5V 轉(zhuǎn)速為 2000轉(zhuǎn)/分 輸出有效值大于10V 轉(zhuǎn)速為 3000轉(zhuǎn)/分 輸出有效值大于15V(2)直流電阻：低阻200～250Ω；高阻500～600Ω(3)絕緣阻抗：在500V直流時大于50MΩ(4)工作溫度：20℃～120℃(5)重量：約100g（不包括尾部引出線）JX71C磁電式轉(zhuǎn)速傳感器以磁電感應(yīng)為基本原理來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器由鐵芯、磁鋼、感應(yīng)線圈等部件組成的，測量對象轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)速傳感器的線圈會產(chǎn)生磁力線，齒輪轉(zhuǎn)動會切割磁力線，磁路由于磁阻變化，在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生電動勢。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的感應(yīng)電勢產(chǎn)生的電壓大小，和被測對象轉(zhuǎn)速有關(guān)，被測物體的轉(zhuǎn)速越快輸出的電壓也就越大，也就是說輸出電壓和轉(zhuǎn)速成正比。但是在被測物體的轉(zhuǎn)速超過磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的測量范圍時，磁路損耗會過大，使得輸出電勢銳減。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的工作方式?jīng)Q定了它有很強(qiáng)的抗干擾性，能夠在煙霧、油氣、水汽等環(huán)境中工作。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號強(qiáng)，測量范圍廣，齒輪、曲軸、輪輻等部件，及表面有縫隙的轉(zhuǎn)動體都可測量。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的工作維護(hù)成本較低，運(yùn)行過程無需供電，完全是靠磁電感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)測量，同時磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的運(yùn)轉(zhuǎn)也不需要機(jī)械動作，無需潤滑。磁電式傳感器主要由旋轉(zhuǎn)的觸發(fā)輪（被等分的齒輪盤,上面有多齒或缺齒）和相對靜止的感應(yīng)線圈兩部分組成。當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行時，觸發(fā)輪與傳感器之間的間隙周期性變化，磁通量也會以同樣的周期變化，從而在線圈中感應(yīng)出近似正弦波的電壓信號。輸出特性由磁電式傳感器工作原理可知，其產(chǎn)生的交流電壓信號的頻率與齒輪轉(zhuǎn)速和齒數(shù)成正比。在齒數(shù)確定的情況下，傳感器線圈輸出的電壓頻率正比于齒輪的轉(zhuǎn)速，其關(guān)系為 (53)式中，n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；z為觸發(fā)輪被等分的齒數(shù)；f為磁電式傳感器的輸出信號頻率。第6章 軟件設(shè)計 軟件設(shè)計語言和準(zhǔn)備工作 對于PLC的程序編寫，我們采用日本三菱公司提供的GX Developer Version8編程軟件[8]，用戶可以利用它編輯、調(diào)試PLC程序，也可以啟動監(jiān)控功能在線監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀況，同時安裝與其配套的PLC仿真軟件后，可以不需要硬件設(shè)備開發(fā)控制系統(tǒng)。GX Developer是三菱PLC的編程軟件。適用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可編程控制器。支持梯形圖、指令表、SFC、 ST及FB、Label語言程序設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，可進(jìn)行程序的線上更改、監(jiān)控及調(diào)試，具有異地讀寫PLC程