西门子S7-200PLC在沥青混合料转运车电控系统中的应用

西门子S7-200PLC在沥青混合料转运车电控系统中的应用

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）。

图1 控制系统结构

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。

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。

3.2 同步跟踪控制

转运车电控系统的同步跟踪控制功能是受控制的，在文本显示器上设置了两个功能键用来控制同步跟踪控制功能的启动与停止。在与沥青摊铺机配套作业前，操作员先根据路面情况，调整好转运车与沥青摊铺机之间的相对位置。然后再按下文本显示器上的启动功能键，此时，PLC将超声波传感器测得的转运车与摊铺机之间的实际距离值作为转运车与摊铺机之间的理想距离值保存起来，同时转运车电控系统的同步跟踪控制功能开始激活。其工作原理是：通过安装在转运车上的超声波传感器对安装在摊铺机上的超声波探测杆进行不断地扫描，并将检测到的位置信号通过模拟量扩展单元传送至中央单元，中央单元经过数据处理，将转运车与摊铺机之间的实际距离值与预置的理想距离值进行比较，若实际值与理想值之差的绝对值大于设定的ΔS值时,PLC则利用其脉宽调制功能，通过功率放大器和比例电磁阀控制转运车的行驶马达加速或减速，当实际值与理想值之差的绝对值小于或等于设定的ΔS值时，则不再进行调节。其控制原理见图2和图4所示（该装置已获得中国实用新型专利）。

3.3转向控制

沥青转运车的转向是通过其左、右轮的差动来实现的。通过调节设置在沥青转运车操纵台上的旋转电位器，将转向电压信号经模拟量扩展单元EM235转换成带符号的转向参数变量（正数为正转，负数为反转），CPU经过运算处理后，将转向参数变量转换成脉宽调节变量ΔM,然后将对应于沥青转运车左、右轮驱动马达当前行驶速度下的输出脉宽值分别加上或减去该脉宽调节变量，再分别输出到沥青转运车左、右轮液压驱动马达上的比例电磁阀，即可实现沥青转运车的转向功能。值得注意的是，沥青转运车在转向过程中，其速度调节、直线纠偏功能都是被禁止的。其控制原理仍可用图2和图4表示，程序流程见图3所示。

图4 同步控制原理

3.4 显示及报警

沥青转运车电控系统将沥青转运车的一些重要的运行参数（如:设定行驶速度、实际行驶速度、发动机转速等）和故障报警信息（如：发动机水温过高、机油压力过低、系统紧急停止、测速传感器故障、机油滤清器堵塞等）通过文本显示器显示出来。大大地提高了沥青转运车的可操作性和可维修性。

4. 结束语

整个沥青转运车电控系统从施工图设计、控制程序编制到安装、调试，总共用了大约三个月/人的时间，至今一直运行正常。S7-200系列小型PLC，适用于各种自动化系统，可靠性高，操作维修方便，价格便宜而又功能强大。S7-200系统丰富的指令集和强大的函数和浮点运算功能为电气工程师提供了一个较为理想的开发平台。

事实证明：S7-200系统在沥青转运车电控系统中的应用是成功的，也为在其他工程机械设备上采用PLC控制积累了宝贵的经验。