基于PLC的电动挖掘机变频调速系统设计毕业设计论文

石家庄铁道大学毕业设计基于PLC的电动挖掘机变频调速控制系统设计DesignoftheVariableFrequencyControlSystemoftheElectricExcavatorBasedonPLC2013届机械工程学院专业测控技术与仪器学号20090822学生姓名指导教师 完成日期2013年6摘要电动挖掘机价格低，耗能少，无污染，在矿山、交通、建筑尤其是城建市政现场施工中应用广泛。随着国家各项重点工程的的相继开工，电动挖掘机的需求量将迅速增涨。变频调速系统作为挖掘机的“心脏”，直接影响挖掘机的工作效率，所以研究电动挖掘机的变频调速系统对节能和环保具有重要意义。论文分析了传统发动机作为动力的调速系统，设计了用电动机和变频器替代传统发动机作动力的调速控制系统总体方案。进行了系统建模和PID参数整定。由PLC输出控制信号到变频器，变频器将电动机转速调整到相应的数值，转速传感器反馈转速信号给PLC，构成闭环控制系统。利用GXDeveloper软件设计了：手动调速、自动调速、自动怠速、PID调节、AD、DA、看门狗等模块。用Protel软件设计了PLC和变频器的相关接口电路、电源电路、转速测量电路、抗干扰电路。进行了PLC、AD和DA模块、变频器、电动机、转速传感器的选型。使用MCGS组态软件设计了人机交互界面，操作和维护方便。在实验室搭建了控制系统平台，对部分硬软件进行了调试，效果良好，达到了设计要求。关键词：电动挖掘机、步进电机、变频器、PLC、组态软件。

AbstractElectricexcavatorshavemanyadvantages：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.

目录第1章绪论 11.1课题来源以及重要意义 11.2国内外研究现状 11.2.1国内发展及现状 11.2.2国外发展及现状 21.3关键技术与技术难点 3第2章主要技术指标和主要功能 52.1技术指标 52.2主要功能 52.3预期达到的成果及其形式 6第3章总体设计方案 73.1设计思想 73.2技术路线 73.3设计原理 7第4章控制系统数学模型建立和PID参数整定 104.1控制系统数学模型建立 104.1.1输出电压与转速差的转换模型 104.1.2变频器模型建立 104.1.3电动机模型建立 104.1.4系统传递函数 114.2PID参数整定 12第5章硬件设计 135.1电路设计 135.1.1变频器和PLC的相关接口电路 135.1.2变量泵转速检测电路 145.1.3供电电路设计 155.1.4抗干扰设计 165.1.5触摸屏设计 165.2硬件选型 175.2.1PLC选型 175.2.2电动机的选型 195.2.3变频器的选型 195.2.4AD/DA模块选型 205.2.5转速传感器的选型 21第6章软件设计 246.1软件设计语言和准备工作 246.2程序模块 256.2.1转速控制 256.2.2发动机自动怠速 276.2.3行进控制 286.2.4AD转换 29.5DA转换 296.2.6软件抗干扰设计 306.2.7MCGS程序设计 306.3MCGS操作界面设置 316.4MCGS软件与PLC的通信 326.4.1PLC设置 326.4.2串口父设备设置 326.4.3本设备属性和内部属性设置 326.4.4通信故障分析 33第7章实验与结果分析 347.1实验系统搭建 347.2实验结果分析 34第8章技术创新点及经济效益分析 358.1技术创新点 358.2经济效益分析 358.2.1能源分析 358.2.2维护分析 358.2.3运行效率分析 36第9章结论与展望 37结论 37展望 37参考文献 38致谢 39附录 40附录A：外文资料翻译。 40附录B：PLC程序 54附录C：电气原理图 57第1章绪论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。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。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3520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。

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：27m(7)起重臂倾角：45°(8)起重臂长度：(9)斗杆有效长度：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。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。包括：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。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。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）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)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：RΩ，L=27.7mH，C=600μF则有：TL=L/R=0.0035sTc=RCG3(s)=(4-3)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）PID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，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。(3)整定微分环节先置微分时间Td=0，逐渐加大Td，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。

第5章硬件设计5.1电路设计变频器和PLC的相关接口电路变频器和PLC的相关接口电路设计作为本设计的核心部分，其合理程度直接关乎到了实验结果的成败，所以对于这部分一定要广泛收集资料，认真考虑每一个细节问题。实验采用三菱FX2N-48MT的PLC，以及三菱FR-A740的变频器，相关电路连接如下图所示。图5-1PLC和变频器相关接口连接电路在变频器的缺省设置基础上，做如下修改：(1)Pr30=1表示再生功能制动选择。再生制动是电动机进行制动时把一部分动能通过电机转换为电能储存起来，回收利用。再生制动一般是和传统液压制动协调配合提供制动力的，再生制动力是为了回收能量，再生制动力越大，回收的能量越多，具体再生制动力大小是受速度、电池容量、电机等因素约束的。(2)Pr73=1表示选择了模拟量输入模式。(3)Pr79=4表示选择了外部/PU组合操作模式2，用外部输入设定运行频率。(4)Pr.4=900；Pr.5=1600；Pr.6=2400以上参数均通过变频器的PU面板输入。变量泵转速检测电路变量泵的转速检测是否精准决定着PLC给变频器的输出值是否妥当，所以对于信号的采集和处理要认真对待。传感器接口电路下图所示。图5-2变量泵转速检测电路一般来说传感器输出为正弦信号，需要将其进行整流、放大、AD转换，以便送入PLC进行计算。先将输出的正弦波信号通过二极管进行整流，在转速比较低的时候传感器输出的电压信号幅值比较小，为了提高灵敏度，还要对输出信号进行放大。因为FX2N-4AD接受的是电压值，所以我们必须将频率值转化为电压值，很幸运我们在市面上找到了LM331芯片，此芯片可以将频率值转化为电压值，并且频率值和电压值承线性关系，刚好满足我们实验中的需要。在信号放大部分，选取R0和R1的阻值分别为10K、K。根据式(5-1)可计算出放大倍数约为5。(5-1)LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片,可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好,最大非线性失真小于0.01%，工作频率低到0.1Hz有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。LM331器件管脚图及管脚功能图5-3LM331器件管脚及管脚功能图LM331器件管脚名称及管脚功能如下所示：表5-1LM331器件管脚名及管脚功能引脚号引脚名功能1CurrentOutput电流输出2RefCurrent基准电流3FrequencyOutput频率输出4GND接地5R/C接RC定时电路6Thresholod阈值7ComparatorInput比较输入8VS电源LM331的内部电路组成由输入比较器、定时比较器、R-S触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。LM331可采用双电源或单电源供电，可工作在4.0～40V之间，输出可高达40V，而且可以防止Vcc短路。供电电路设计本实验的动力电源为交流380V，而PLC所需要的电源为直流24V，搭载MCGS的PC机所需电源为220V，为了节约空间和能源我们将从380V交流电源着手，变换成各部件所需的电源。380V交流电转24V直流电的电路图如下图所示：图5-4供电电路设计380V电源首先经过变压器变成我们需要的电压，然后经过桥式整流器整流成直流，再经过滤波操作就可以达到直流输出的效果。至于PC机所需要的220V交流电可以用380V的一相和接地线构成[7]。抗干扰设计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，常常在电源变压器之前增加一个1：1隔离变压器。下图为交流电源抗干扰的综合方案。图5-5交流电源的抗干扰设计目前国外已成功研制了专门抑制噪声的隔离变压器，这是一种绕组和变压器整体都有隔离层的多层隔离变压器。这类变压器的结构、铁心材料、形状及其线圈位置都比较特殊，它可以切断高频噪声漏磁通和绕组的交链，从而使差模噪声不易影响到二次侧，故这种变压器既能切断共模噪声电压，又能切断差模噪声电压，是比较理想的隔离变压器。触摸屏设计综合价格和性能的考虑，最终选择LTN141AT08型号的触摸屏来替代原来电脑上的普通液晶屏幕。触摸屏、控制板、USB线之间的连接图如下：图5-6触摸屏的相关电路设计下面是LTN141AT08触摸屏的相关参数：(1)操作电压：<10V(2)操作温度：-10°C(3)使用寿命：>一百万次(4)连接材质：FPC(5)反应时间<10毫秒(6)透光度：>80%(7)储藏温度：-20°C(8)表面硬度：3H(9)操作力度：20g到80g上图为线路图的连接，按照图中连接好了之后，还要进行相应的软件安装，软件安装的作用除了驱动触摸屏之外，还要对触摸屏进行校准。校准的作用是使触摸屏的有效区正确对应显示设备所显示图像的区域，也就是定出触摸屏的有效边界，所以这种校准叫边到边校准。只要根据显示设备图像区域的大小，在触摸屏的对角点两下就好了。将USB公头插入到电脑的USB接口，即可实现用触摸屏控制电脑。硬件选型PLC选型在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC设计选型。工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。可以根据系统输入输出表计算所需点数，表如下所示：表5-2系统的输入和输出表软元件号功能软元件号功能X000前进Y0前进电机X001后退Y1后退电机X002踏板压力检测M2怠速触发X003操作杆压力监测M3转速过小X004高速M4转速适中X005中速M5转速过大X006低速D0转速给定值X007自动模式D1转速瞬时值X010手动模式D2转速输出值Y2快速Y3中速Y4慢速系统输入输出点数不超过20，FX2N-48MT所提供的点数为48，在有一定预留量的前提下满足要求。选择CPU首先要考虑所需的存储器容量，必须确保CPU存储器容量大于所需。其次，对于一些大型设备，在软件的设计上需要CPU有足够的运算速度和处理能力，比如做防摇系统，这时需要考虑采用双CPU冗余系统。然后，有些CPU在通讯接口及支持的通讯方式上有所不同，本着系统经济性和可用性的考虑，选择已集成本系统需要用到的通讯方式，并且能支持需扩展的通讯方式的CPU。最后，还需考虑到整机PLC系统的网络布置，确保主站和各个分站能可靠对接。存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量应小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。FX2N-48MT也符合要求。综上所述，我们选择三菱公司PLC系列中的FX2N-48MT。FX2N-48MT技术指标：(1)输入电压：DC24V（10%范围内）(2)输入电流：DC24V,7mA(3)响应时间：10ms(4)输入信号形式：无电压触点，或NPN集电极开路输出晶体管(5)输入电路绝缘：光耦合绝缘实物图如下：图5-7三菱FX2N-48MTPLC电动机的选型根据实际需要，发动机的功率应该在90KW上下，所以我们选择了Y315L1-890KW三相异步电动机。此电动机结构简单、制造容易、成本低、运行维护方便，它被广泛地应用在工农业生产中，作为电力拖动的原动机。技术指标：(1)额定电压：380V。(2)额定频率为：50Hz.(3)功率：90kw(4)环境温度：不超过40℃，最低环境空气温度为-15(5)湿度：最湿月月平均最高相对湿度为90%。实物图如下：图5-8Y315L1-890KW三相异步电动机变频器的选型一般情况下，选择变频器的功率和电机的功率一样，在有些特殊情况下（如重载设备），也会选择变频器的功率大于电机的额定功率，以保证变频器带动电机能够正常运行。合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。本课题中我们采用电机实际功率确定法，首先测定电机的实际功率,以此来选用变频器的容量。因为本设计中选用的电动机功率为90KW，而FR-A740变频器的功率范围是0.4-500KW,所以我们最终选择了三菱FR—A740变频器。图5-9三菱变频器变频器的工作原理是把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC），然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC）。通过改变电压的频率从而改变了电动机的转速。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。(5-2)对于电机而言，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，故电机的转速n与电源的频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机的调试目的。AD/DA模块选型综合对输入通道个数、兼容性以及预留升级的考虑最终的AD模块我们选择了三菱FX2N-4AD，DA模块选择了三菱FX2N-4DA。因为PLC、变频器同为三菱品牌，所以系统会有良好的兼容性。图5-10三菱FX2N-4DA和三菱FX2N-4AD性能指标：(1)4个输入点可同时使用。(2)输入电压为-10V~+10V,如果绝对值超过15V，则可对单元造成损坏。(3)12位转换结果以二进制补码形式存放。最大值2047，最小值-2048。(4)分辨率电压为1/2000，5mV，电流为1/1000，20uA。(5)总体精度1%。(6)转换速度6~15ms。(7)外接电源为24V，上下波动不得超过2.4V,电流为55mA。FX2N-4AD模拟特殊模块有四个输入通道。输入通道接收模拟信号并将其转换成数字量，这称为A/D转换。FX2N-4AD最大分辨率是12位。基于电压或电流的输入/输出的选择通过用户配线来完成，可选用的模拟值范围是-10V到10VDC(分辨率5mV),-20到20mA(分辨率：20μA)。FX2N-4AD和FX2N主单元之间通过缓冲存储器交换数据，FX2N-4AD共有32个缓冲存储器(每个16位)。FX2N-4AD占用FX2N扩展总路线的8个点，这8点可以分配成输入或输出。三菱FX2N-4DA是一款模拟量模块。首先给大家介绍一下模拟量模块的工作原理。模拟量模块是将压力、液位、温度等信号转化为1-5V，4-20mA（也有别的信号的，如0-10V，0-5V等）然后交给PLC进行处理的。PLC是不知道具体电压或者电流信号的大小的。所以，我们要用一个数字来表示它的大小，然后告诉PLC，PLC才能知道输入的电压、电流信号具体有多大。数字量输入输出信号就是开关量信号，1或者0。模拟量信号有2种，电压或者电流信号，一般是变送器传过来的信号，比如用压力变送器检测水管压力，它会输出一个模拟信号4-20ma或者0-10v的信号给PLC，PLC来进行数据处理。转速传感器的选型本实验在选择转速传感器的时候考虑到必须是非接触式测量，必须有较强的抗干扰能力能够在烟雾、油气、水汽等环境中工作，输出的信号必须足够强，测量范围必须足够广，所以最终我们选择了磁电式转速传感器，同时磁电式转速传感器维护成本较低，运行过程无需供电，完全是靠磁电感应来实现测量，同时磁电式转速传感器的运转也不需要机械动作，无需润滑等优点。本设计中我们采用了JX71C磁电式转速传感器。实物图如下：图5-11JX71C磁电式转速传感器技术指标：(1)输出电压：在齿轮模数4、齿数60、材料为G3、间隙为1mm时转速为1000转/分输出有效值大于5V转速为2000转/分输出有效值大于10V转速为3000转/分输出有效值大于15V(2)直流电阻：低阻200～250Ω；高阻500～600Ω(3)绝缘阻抗：在500V直流时大于50MΩ(4)工作温度：-20℃～(5)重量：约100g（不包括尾部引出线）JX71C磁电式转速传感器以磁电感应为基本原理来实现转速测量的。磁电式转速传感器由铁芯、磁钢、感应线圈等部件组成的，测量对象转动时，转速传感器的线圈会产生磁力线，齿轮转动会切割磁力线，磁路由于磁阻变化，在感应线圈内产生电动势。磁电式转速传感器的感应电势产生的电压大小，和被测对象转速有关，被测物体的转速越快输出的电压也就越大，也就是说输出电压和转速成正比。但是在被测物体的转速超过磁电式转速传感器的测量范围时，磁路损耗会过大，使得输出电势锐减。磁电式转速传感器的工作方式决定了它有很强的抗干扰性，能够在烟雾、油气、水汽等环境中工作。磁电式转速传感器输出的信号强，测量范围广，齿轮、曲轴、轮辐等部件，及表面有缝隙的转动体都可测量。磁电式转速传感器的工作维护成本较低，运行过程无需供电，完全是靠磁电感应来实现测量，同时磁电式转速传感器的运转也不需要机械动作，无需润滑。磁电式传感器主要由旋转的触发轮（被等分的齿轮盘,上面有多齿或缺齿）和相对静止的感应线圈两部分组成。当柴油机运行时，触发轮与传感器之间的间隙周期性变化，磁通量也会以同样的周期变化，从而在线圈中感应出近似正弦波的电压信号。输出特性由磁电式传感器工作原理可知，其产生的交流电压信号的频率与齿轮转速和齿数成正比。在齿数确定的情况下，传感器线圈输出的电压频率正比于齿轮的转速，其关系为(5-3)式中，n为发动机转速；z为触发轮被等分的齿数；f为磁电式传感器的输出信号频率。

第6章软件设计软件设计语言和准备工作对于PLC的程序编写，我们采用日本三菱公司提供的GXDeveloperVersion8编程软件[8]，用户可以利用它编辑、调试PLC程序，也可以启动监控功能在线监控现场设备的运行状况，同时安装与其配套的PLC仿真软件后，可以不需要硬件设备开发控制系统。GXDeveloper是三菱PLC的编程软件。适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。(1)程序设计语言目前，PLC程序设计主要采用梯形图、功能块图、指令表等6种语言类型，其中梯形图是应用最为广泛的语言之一，其原因在于它是一种沿用了继电器、线圈等图形与符号的图形编程语言，通常由一系列指令组成，其最大特点是程序直观、形象。用户编程界面左右两端为母线，在母线中间编写PLC程序，事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果在右面，为了便于检查和日后的修改，可以对程序添加注释以便日后的更改和调试。(2)系统设计的原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计本系统时，遵循以下原则：①实现被控对象的全部动作并满足其对产品加工质量和生产效率的要求；②在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、安全、可靠；③充分提高自动化程度，使用及维修方便，减轻劳动强度；④PLC的点数要比设计中的多10%，以备以后功能的扩充。(3)编程前的准备工作编程前准备工作包括信号地址分配、内存单元地址分配及完成信号分配表信号地址的分配：输入输出信号包括实际过程中的输入输出信号。还包括为了联锁非联锁等切换处理的有关信号。内存单元地址的分配：内存单元通常用于中间运算结果的存储，包括计时器、计数器、高速计时器、可逆计数器、需要掉电保持的继电器和专用继电器、内部继电器等。它们的地址分配根据工艺生产过程对有关变量的控制要求确定。下图为软元件使用情况表。表6-1软元件使用列表软元件号功能软元件号功能X000前进Y0前进电机X001后退Y1后退电机X002踏板压力检测M2怠速触发X003操作杆压力监测M3转速过小X004高速M4转速适中X005中速M5转速过大X006低速D0转速给定值X007自动模式D1转速瞬时值X010手动模式D2转速输出值Y2快速Y3中速Y4慢速程序模块转速控制本课题中转速调节涉及到了自动调节和手动调节，以适应不同条件下驾驶员对转速的自由控制，手动调节主要是调节变频器的相关参数给高速、中速、低速赋予相应的数值，而自动调节运用到了区间比较和PID的相关知识，对电动机的转速控制有着更加良好的控制效果。手动调节是三菱变频器一项很实用的功能。通过从变频器PU面板中输入Pr.4、Pr.5、Pr.6的输入，来完成对高速、中速、低速具体数值的输入。PLC根据不同输入继电器的触发触发不同的输出继电器，输出继电器与变频器的高速、中速、低速的接口直接相连，从而直接改变了变频器的输出频率，进而改变了电动机的转速。其中手动模式对高速、中速、低速三种速度进行了互锁，保证只有一种命令被执行，防止操作和程序出错。程序如下所示：图6-1转速手动控制程序自动调节，通过AD模块接收瞬时转速，然和让瞬时转速值和给定值进行区间比较，正常情况下会出现三种结果：转速值小于下限、转速值介于下限和上限之间、转速值大于上限，这三种情况每种情况分别对应触发相应的辅助继电器，不同的辅助继电器决定了后续进行PID调节的PID参数不同，总之最终的结果是让转速值趋近于给定值，以达到调速的目的。下图为程序流程图:图6-2转速自动控制的程序流程图程序思想是将输入转速加一个数值得到中间变量，再减同一个数值得到另一个中间变量，然后用转速瞬时值与这两个中间变量进行区间比较，从而触发相应的辅助继电器M3、M4、M5。PLC程序如下所示。图6-3转速自动控制程序触发M3、M4、M5分别对应着给PID参数赋不同的值，以便根据瞬时转速与输入转速的大小关系对转速进行调整。以下是详细程序：图6-4PID参数赋值程序用PLC内置的PID功能进行运算。图6-5PID处理程序发动机自动怠速怠速是指车在不给油门的情况下，保持发动机的正常运转的最低转速，怠速不能太高也不能太低，太高会浪费燃油，也会使发动机升温太快，太低会使润滑油压力不够，造成润滑不良，时间长了会损害发动机，所以要按电动机的说明书来调节怠速。要求高怠速1200转/分。自动怠速的思想是：对油门踏板和操作杆进行压力检测，如果都没有压力施加并且保持60秒则怠速触发，给转速值赋值1200转/分，发动机进入自动怠速状态。如果有压力则不进行任何操作。程序流程图如下所示：图6-6自动怠速程序流程图怠速触发之后给转速值赋值，根据设计的要求我们把这个值赋成1200，以达到节省燃料、保养机器的效果。PLC程序如下：图6-7自动怠速程序行进控制本实验对挖掘机的行进进行了简单的设计。前进和后退进行互锁，防止出现故障。MCGS软件中的“前进”和“后退”分别对应写入X000和X001软元件，实现前进后退功能。MCGS中的“停车”指令执行时XOOO和X001都被置0，来达到停止的效果。详细程序如下所示：图6-8行进控制程序AD转换AD转换和DA转换程序主要应用了TO和FROM语句，意思分别是从PLC读出和读入到PLC，然后通过对K17行的16位二进制数据赋值来实现通道选择和启动AD转换或者DA转换的功能。选择通道一，开始AD转换，最后将转换结果送到D2存储单元，程序如下。图6-9AD转换程序DA转换预存数字量到指定位置，启动DA转换，选择通道一，程序如下。图6-10DA转换程序6.2.6软件抗干扰设计在系统实际运行时，程序执行往往会发生不合理中断、循环和跳转等情况，引起系统运行错误，严重时会引起重大事故。所以在程序中加入“看门狗”，可以对其运行状况进行监控，以防意外情况的发生。“看门狗”程序为PLC内部的一个定时器，默认定时为500ms，在程序开始运行时清零。如果在程序运行过程中出现错误或者运行时间超过500ms，PLC停止工作。所以在程序中设置“看门狗”可以有效的降低程序内部干扰对系统产生的不良影响，提高系统运行的可靠性。本设计在系统开始运行时启动“看门狗”程序，如下图所示。图6-11“看门狗”程序6.2.7MCGS程序设计将MCGS的变量与PLC中的软元件一一对应起来，然后再实现变量与软元件相互间的读出和写入。本设备构件提供了2个特定的设备命令，用于读写PLC中指定的继电器区或寄存器区中的任何一个通道。由于设备命令的优先级最高，所以可以提高速度，尤其对写通道。这些设备命令的格式如下，Read(寄存名+地址=DATA)读数据；Write(寄存名+地址=DATA)写数据。本设计中的主要程序如下所示：Write（X000=前进）Write（X001=后退）Write（X007=自动控制）Write（X010=手动控制）Write（DB0=转速给定值）Write（X004=高速）Write（X005=中速）Write（X006-低速）Read（DB1=转速瞬时值）Read（M2=怠速触发）MCGS操作界面设置MCGS的引入是独创性成果之一，虽然成本要比触摸屏高一点，但是它具有更好的扩展性和更低的后期维护升级费用，长远来讲还是比较经济划算的。同时具有转速报警数据和转速历史数据的记录功能，可以为故障检测和监测提供较为全面合理的数据。MCGS操作界面如下所示：图6-12MCGS操作界面利用SC09编程电缆来实现PC机与PLC的通信。在使用前首先要安装编程电缆的驱动程序，在安装驱动结束后，要进行简单的设定。设定方法如下。1、右键单击（我的电脑）点击属性。弹出（系统属性）对话框，选择硬件，单击（设备管理）。2、选择（端口），找到你安装的USB口，单击右键显示（属性）点击，显示属性对话栏，选择（端口设置）将这个对话框里的高级设置的COM口设置成与PLC编程软件里的设置一样就可以了。SC-09编程电缆为RS232接口（俗称COM口）到RS422接口的转换电缆，通用于三菱A系列和FX系列PLC，支持所有通信协议，用于电脑与PLC的编程通信和各种上位机监控软件，该电缆的RS422端口和RS232端口均内置保护电路，可带电任意带电插拔。SC-09编程电缆主要技术参数：(1)RS422端口和RS232端口均具有保护电路，可带电任意插拔(2)波特率：0～230kbps(3)电缆长度：3米，全屏蔽，带接地线(4)带有通信指示灯，通信时LED闪烁(5)工作温度：-20～75℃(6)重量：150克SC-09编程电缆内部结构如下所示：图6-13SC-09编程电缆内部结构6.4MCGS软件与PLC的通信PLC设置FX系列PLC支持无协议的RS232和RS485通信协议两种通信方式，通过改变D8120的值来改变通信方式[9]。系统默认设置D8120=H0086表示9600，7，偶校验，1位停止位，无命令头和命令尾，整个命令不加校验和，无协议的通信方式，FX2N系列PLC在掉电后D8120恢复成H0086。串口父设备设置FX-232设备必须挂接在串口父设备下，串口父设备在通用设备构件中。串口父设备用来设置通信参数和通信端口。通信参数必须设置成与PLC的设置一样。否则就无法通信。本设备属性和内部属性设置要使MCGS能正确操作PLC设备，请按如下的步骤来使用和设置本构件的属性：采集周期：为运行时，MCGS对设备进行操作的时间周期，单位为毫秒，一般在静态测量时设为1000ms，在快速测量时设为200ms。初始工作状态：用于设置设备的起始工作状态，设置为启动时，在进入MCGS运行环境时，MCGS即自动开始对设备进行操作，设置为停止时，MCGS不对设备进行操作，但可以用MCGS的设备操作函数和策略在MCGS运行环境中启动或停止设备。内部属性：用来组态要具体操作哪些寄存器。内部属性用于设置PLC的读写通道，以便后面进行设备通道连接，从而把设备中的数据送入实时数据库中的指定数据对象或把数据对象的值送入设备指定的通道输出。三菱FX-232PLC设备构件把PLC的通道分为只读，只写，读写三种情况，只读用于把PLC中的数据读入到MCGS的实时数据库中，只写通道用于把MCGS实时数据库中的数据写入到PLC中，读写则可以从PLC中读数据，也可以往PLC中写数据。当第一次启动设备工作时，把PLC中的数据读回来，之后本设备会将变化的值往下写，这种操作的目的是，用户PLC程序中有些通道的数据在计算机第一次启动，或计算机中途死机时不能复位。单击设备基本属性中的“设置设备内部属性”在打开的属性页中，按“增加通道”按钮，弹出增加通道窗口，在该窗口中设置：(1)选择要对PLC中的那个继电器区或寄存器区进行操作即选择通道类型(2)选择是只读，只写，还是读写，默认是只读。(3)指定操作该继电器区或寄存器区的什么地方即输入通道地址，如要以字操作的方式读或写DW15，则在输入通道地址中写15。(4)指定操作该通道地址中的哪一位(0-7)或一次操作1个字16位或2个字32位，或浮点。(5)设置一次连续增加多少个PLC通道。通信故障分析(1)检查PLC是否上电。(2)是否使用标准的三菱PLC编程电缆。(3)通信参数设置是否正确。(4)检查对某一寄存器的操作是否超出范围。

第7章实验与结果分析实验系统搭建在机械楼对基于PLC电动挖掘机的变频调速系统进行了搭建，对部分硬软件进行了调试，对各项功能进行了实验操作。实验模型搭建后如下图所示。MCGS界面转速传感器交流电动机变频器PLCAD、DA模块SC-9编程电缆MCGS界面转速传感器交流电动机变频器PLCAD、DA模块SC-9编程电缆图7-1试验系统搭建图实验结果分析能实现最基本的功能，比如电动机的启动和停止、电动机的正反转、电动机的变频调速。事实证明使用基于PLC的变频调速系统对电动机控制效果良好，满足实验要求。可见这方面的研究前景广阔。

第8章技术创新点及经济效益分析8.1技术创新点将MCGS移植到挖掘机中，大大提高了系统的可操作性和可控性。传统挖掘机电控系统的人机交互界面一般都会用触摸屏，触摸屏当然有触摸屏的好处，操作简单，对环境要求低，低功耗，编程简单等等，也正因为如此触摸屏的扩展性就大大受到了限制，界面虽然简洁但是难以美化，一些复杂的功能难以实现。本实验中我想到了将搭载MCGS软件的PC机移植到挖掘机的操作系统当中，这就大大提高了控制系统的可扩展性，如果有需要的话我们可以用功能更加强大的上位机软件替换MCGS，同时也便于操作系统的更新换代，要知道触摸屏的更新换代是硬件上的投入，而PC机是软件上的更新和维护，经济性比较而言就可想而知了，而且软件上的更新和维护可以最大限度地保持硬件系统的完整性和封闭性，长远来说可以延长挖掘机的使用寿命，降低维护费用。设计中用触摸屏替换传统电脑的液晶屏，这样就成功地束缚了鼠标对驾驶员的绑架，大大提高了驾驶的方便性。另外MCGS具有转速报警数据和转速历史数据的记录功能，可以为故障检测提供全面的数据。8.2经济效益分析能源分析目前国际油价处于较高的价格，造成成品油价格处于高位，但从长远来看随着经济的发展和石油能源的不可再生性，油价还将处于上升趋势。电动液压挖掘机，采用变频调速节能技术，让运行成本降的更低，带来超值的效益。目前0#柴油价格为7.42元／升，一般工业电价为0.7625元／千瓦时（变压器功率在315千伏安以下，变压器容量不小于315千伏安的工业电价更低）。以此为基础进行分析：20吨机型(CAT320C)在发动机最佳运行状态时，每小时耗油量24升，花费178.08元。电动挖掘机（20吨机型）采用110kW变频电动机，恒功率模式驱动，由于电动机在对负载的自适应性，能源的使用效率较高，在工作时的平均功率实测为80kW左右。现在以每小时耗电量80千瓦时来分析，花费61元。由此可见挖掘机以电力为动力会比传统柴油动力节省2/3的投入，经济效益非常可观。维护分析柴油发动机的保养项目为：更换机油滤芯200元，柴油滤芯215元，空气滤芯750元，机油620元，人员费230元，合计2015元。按每500小时为一个保养周期，2015／500＝4元，平均每小时约需4元左右。由于大型机的保养费更高，每小时所需的养护费用也更高。电动机保养项目有：每年需给电动机轴承加注二硫化钼润滑脂一次200元，每月给电气元件吹灰清理一次1200元，按年工作5000个小时，1400／5000＝0.3元平均每小时为0.3元。大型机的养护费用几乎不变。可见柴油发动机的维护费用比电动机多出十多倍。运行效率分析柴油机的维修较为复杂，且通用件少，费用高。一旦发生故障，由于备件的通用性差，使挖掘机短时间内不能恢复生产。电动系统都为通用件，无需备件贮备，当天构件安装就能恢复生产，