基于欧姆龙PLC的挖掘机控制系统设计与实现
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GX Developer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、欧姆龙PLC、组态软件。
Abstract
Electric excavators have many advantages：Low cost, low power consumption and less pollution. It is widely used in mining, transportation, construction, especially in urban construction. With the state's key projects have been started, the demand of electric excavator will rise rapidly. As the "heart" of the excavator, Frequency control system directly affects the efficiency of the excavator, so it is important for energy-saving and environmental protection to study the frequency control system of electric excavator.
In this paper we analyzed the traditional control system in which engine is the power, an overall program is designed that motor and converter replace traditional engine-powered speed control system. Systematic modeling and PID parameter tuning are conducted. PLC output control signals to the inverter, the inverter will adjust the motor’s speed to an appropriate value, the speed sensor feedbacks speed signal to the PLC, a closed loop control system is formed. We designed a few blocks with the GX Developer programming software: Manual control, automatic control, automatic idle speed, PID regulation, AD, DA, watchdog modules. With Protel software we designed the PLC and inverter relevant interface circuit, power circuit, speed measuring circuit, anti-jamming circuit. A selection of PLC, AD and DA modules, inverter, motor, speed sensor is conducted. A Human Machine Interface is designed with MCGS configuration software, operation and maintenance are easy.
A control system platform is built in the laboratory, a debugging is carried out on part of hardware and software, design requirements are achieve with good effect.
Key words: electric excavator、stepper motor、inverter、PLC、configuration software.
目录
第1章 绪论 1
1.1 课题来源以及重要意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 国内发展及现状 1
1.2.2 国外发展及现状 2
1.3 关键技术与技术难点 3
第2章 主要技术指标和主要功能 5
2.1 技术指标 5
2.2 主要功能 5
2.3 预期达到的成果及其形式 6
第3章 总体设计方案 7
3.1 设计思想 7
3.2 技术路线 7
3.3 设计原理 7
第4章 控制系统数学模型建立和PID参数整定 10
4.1 控制系统数学模型建立 10
4.1.1 输出电压与转速差的转换模型 10
4.1.2 变频器模型建立 10
4.1.3 电动机模型建立 10
4.1.4 系统传递函数 11
4.2 PID 参数整定 12
第5章 硬件设计 13
5.1 电路设计 13
5.1.1 变频器和欧姆龙PLC的相关接口电路 13
5.1.2 变量泵转速检测电路 14
5.1.3 供电电路设计 15
5.1.4 抗干扰设计 16
5.1.5 触摸屏设计 16
5.2 硬件选型 17
5.2.1 PLC选型 17
5.2.2 电动机的选型 19
5.2.3 变频器的选型 19
5.2.4 AD/ DA模块选型 20
5.2.5 转速传感器的选型 21
第6章 软件设计 24
6.1 软件设计语言和准备工作 24
6.2 程序模块 25
6.2.1 转速控制 25
6.2.2 发动机自动怠速 27
6.2.3 行进控制 28
6.2.4 AD转换 29
6.2.5 DA转换 29
6.2.6 软件抗干扰设计 30
6.2.7 MCGS程序设计 30
6.3 MCGS操作界面设置 31
6.4 MCGS软件与欧姆龙PLC的通信 32
6.4.1 PLC设置 32
6.4.2 串口父设备设置 32
6.4.3 本设备属性和内部属性设置 32
6.4.4 通信故障分析 33
第7章 实验与结果分析 34
7.1 实验系统搭建 34
7.2 实验结果分析 34
第8章 技术创新点及经济效益分析 35
8.1 技术创新点 35
8.2 经济效益分析 35
8.2.1 能源分析 35
8.2.2 维护分析 35
8.2.3 运行效率分析 36
第9章 结论与展望 37
9.1结论 37
9.2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
1.1 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
参考文献
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