西门子S7-200PLC在沥青混合料转运车电控系统中的应用
日期：2007-8-4 23:32:03 来源：本站整理
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影响沥青路面施工质量的因素很多，其中，施工工艺的不合理是导致路面质量降低的直接原因。传统的沥青路面铺筑工艺是由自卸卡车将沥青混合料运输到施工现场，并卸至沥青摊铺机的料斗中，经摊铺后由压路机进行最终压实。国内外的施工实践证明，用这种传统工艺铺筑成形的路面早期破损现象比较严重，其原因主要体现在如下三个方面：
(1)装料、运输及卸料过程中导致沥青混合料出现材料离析和温度离析；
(2)因摊铺不连续造成路面结合处粘接力及其他力学性能的差异；
(3)自卸车卸料时对摊铺机的碰撞和顶推，造成的路面的横向接缝（即纵向波）。
针对以上工艺问题，欧美发达国家在自卸车与摊铺机之间增加了沥青混合料转运车，自卸车装载的沥青混合料先行卸至转运车中，经转运车二次搅拌后，再送至摊铺机进行摊铺。国外统计数据表明，增加转运车后，可节省长期维修费用95%、路面寿命延长40%，同时大大提高道路的使用率。
三一重工股份有限公司在国家科技部863计划重大专项经费的支持下，通过近一年的研制，成功开发出我国第一台沥青混合料转运车LHZ25，样机参加了2002年11月BAUMA（上海）国际博览会，引起业界的广泛关注。
电控系统是沥青混合料转运车的关键技术之一，LHZ25采用的是全液压驱动技术，要求行驶速度平稳，直线跑偏量不得超过2%，并与沥青摊铺机保持同步，转向灵活且转弯半径不能太大。因此，对电控系统的设计提出很高的技术要求。本文介绍以西门子S7-200系列PLC为核心的电控系统的设计原理与性能特征。
1. 控制方案的比较和选择
最初考虑的控制方案有两种：一种是采用某些公司生产的专用控制器为核心的控制方案；另一种是采用S7-200系统为核心的控制方案。前者是一种较为成熟的控制方案，并且已经在沥青摊铺机等全液压驱动的工程机械上得到成功的应用。缺点是价格昂贵，并且有一些沥青转运车的功能（如运行参数及报警信息显示、同步跟踪等）不能实现，仍然要借助PLC来完成。而后者的优点则是控制功能比较强大、灵活、可靠性高、操作维修方便，完全可以满足沥青转运车的所有功能，且价格便宜很多。难点在于没有现成的东西可以借鉴，控制软件完全要靠自己开发，编程工作量大，且要冒一定的风险。由于本人有多年应用PLC的经验，故决定采用第二种方案。
2. 控制系统结构
LHZ25沥青转运车的电控系统结构主要由中央单元CPU224、数字量扩展单元EM223、模拟量扩展单元EM235和文本显示器TD200组成（图1）。
文本显示器用来输入某些参数及显示控制系统的一些运行参数和报警信息。模拟量扩展单元用来将模拟量信号（如转弯半径和沥青转运车与沥青摊铺机之间的实测距离）转换成数字量，中央单元负责处理数字量和模拟量输入信号，经过运算，对系统的输出信号进行控制。
3. 控制系统功能
3.1行驶控制
沥青混合料转运车行驶系统的控制性能能否达到设计要求，关系到整个设备的成败。对沥青转运车行驶系统主要有两个方面的要求：其一是要求行驶速度平稳；其二是要保证沥青转运车的直线跑偏量控制在允许的误差范围之内。沥青转运车的行驶速度可通过文本显示器或者沥青转运车操纵台上的增、减速开关任意设定，本系统利用S7-200系统的函数功能、浮点运算功能和脉宽调制（PWM）功能，速度调节和偏差调节均采用PID闭环控制节系统，通过两个高速输出点对行驶系统液压马达上的比例电磁阀进行控制，获得了令人满意的控制效果，使得沥青转运车的行驶速度非常平稳，直线跑偏量小于1.3%。其控制原理和程序流程见图2和图3所示。
图1 控制系统结构
值得注意的是，采用比例电磁阀控制应设法提高其频率响应特性，消除比例电磁阀调节过程中的滞后和卡死现象，通常采用的办法是在比例电磁阀的线圈两端叠加一个正弦波电压分量，我们巧妙地利用S7-200系统的正弦函数和浮点运算功能较好地解决了这个问题。对于其它同类型PLC来说，则根本无法做到，因为这些PLC不具备函数和浮点运算功能。
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(1)装料、运输及卸料过程中导致沥青混合料出现材料离析和温度离析；
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(2)因摊铺不连续造成路面结合处粘接力及其他力学性能的差异；
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(3)自卸车卸料时对摊铺机的碰撞和顶推，造成的路面的横向接缝（即纵向波）。
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针对以上工艺问题，欧美发达国家在自卸车与摊铺机之间增加了沥青混合料转运车，自卸车装载的沥青混合料先行卸至转运车中，经转运车二次搅拌后，再送至摊铺机进行摊铺。国外统计数据表明，增加转运车后，可节省长期维修费用95%、路面寿命延长40%，同时大大提高道路的使用率。
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三一重工股份有限公司在国家科技部863计划重大专项经费的支持下，通过近一年的研制，成功开发出我国第一台沥青混合料转运车LHZ25，样机参加了2002年11月BAUMA（上海）国际博览会，引起业界的广泛关注。
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电控系统是沥青混合料转运车的关键技术之一，LHZ25采用的是全液压驱动技术，要求行驶速度平稳，直线跑偏量不得超过2%，并与沥青摊铺机保持同步，转向灵活且转弯半径不能太大。因此，对电控系统的设计提出很高的技术要求。本文介绍以西门子S7-200系列PLC为核心的电控系统的设计原理与性能特征。
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1. 控制方案的比较和选择
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最初考虑的控制方案有两种：一种是采用某些公司生产的专用控制器为核心的控制方案；另一种是采用S7-200系统为核心的控制方案。前者是一种较为成熟的控制方案，并且已经在沥青摊铺机等全液压驱动的工程机械上得到成功的应用。缺点是价格昂贵，并且有一些沥青转运车的功能（如运行参数及报警信息显示、同步跟踪等）不能实现，仍然要借助PLC来完成。而后者的优点则是控制功能比较强大、灵活、可靠性高、操作维修方便，完全可以满足沥青转运车的所有功能，且价格便宜很多。难点在于没有现成的东西可以借鉴，控制软件完全要靠自己开发，编程工作量大，且要冒一定的风险。由于本人有多年应用PLC的经验，故决定采用第二种方案。
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2. 控制系统结构
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LHZ25沥青转运车的电控系统结构主要由中央单元CPU224、数字量扩展单元EM223、模拟量扩展单元EM235和文本显示器TD200组成（图1）。
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文本显示器用来输入某些参数及显示控制系统的一些运行参数和报警信息。模拟量扩展单元用来将模拟量信号（如转弯半径和沥青转运车与沥青摊铺机之间的实测距离）转换成数字量，中央单元负责处理数字量和模拟量输入信号，经过运算，对系统的输出信号进行控制。
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3. 控制系统功能
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3.1行驶控制
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沥青混合料转运车行驶系统的控制性能能否达到设计要求，关系到整个设备的成败。对沥青转运车行驶系统主要有两个方面的要求：其一是要求行驶速度平稳；其二是要保证沥青转运车的直线跑偏量控制在允许的误差范围之内。沥青转运车的行驶速度可通过文本显示器或者沥青转运车操纵台上的增、减速开关任意设定，本系统利用S7-200系统的函数功能、浮点运算功能和脉宽调制（PWM）功能，速度调节和偏差调节均采用PID闭环控制节系统，通过两个高速输出点对行驶系统液压马达上的比例电磁阀进行控制，获得了令人满意的控制效果，使得沥青转运车的行驶速度非常平稳，直线跑偏量小于1.3%。其控制原理和程序流程见图2和图3所示。
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图1 控制系统结构
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值得注意的是，采用比例电磁阀控制应设法提高其频率响应特性，消除比例电磁阀调节过程中的滞后和卡死现象，通常采用的办法是在比例电磁阀的线圈两端叠加一个正弦波电压分量，我们巧妙地利用S7-200系统的正弦函数和浮点运算功能较好地解决了这个问题。对于其它同类型PLC来说，则根本无法做到，因为这些PLC不具备函数和浮点运算功能。
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