西門子S7-200PLC在瀝青混合料轉運車電控系統中的應用

影響瀝青路面施工質量的因素很多，其中，施工工藝的不合理是導致路面質量降低的直接原因。傳統的瀝青路面鋪筑工藝是由自卸卡車將瀝青混合料運輸到施工現場，并卸至瀝青攤鋪機的料斗中，經攤鋪后由壓路機進行最終壓實。國內外的施工實踐證明，用這種傳統工藝鋪筑成形的路面早期破損現象比較嚴重，其原因主要體現在如下三個方面：

（1）裝料、運輸及卸料過程中導致瀝青混合料出現材料離析和溫度離析；
（2）因攤鋪不連續造成路面結合處粘接力及其他力學性能的差異；
（3）自卸車卸料時對攤鋪機的碰撞和頂推，造成的路面的橫向接縫（即縱向波）。

針對以上工藝問題，歐美發達國家在自卸車與攤鋪機之間增加了瀝青混合料轉運車，自卸車裝載的瀝青混合料先行卸至轉運車中，經轉運車二次攪拌后，再送至攤鋪機進行攤鋪。國外統計數據表明，增加轉運車后，可節省長期維修費用95%、路面壽命延長40%，同時大大提高道路的使用率。

三一重工股份有限公司在國家科技部863計劃重大專項經費的支持下，通過近一年的研制，成功開發出我國第一臺瀝青混合料轉運車LHZ25，樣機參加了2002年11月BAUMA（上海）國際博覽會，引起業界的廣泛關注。

電控系統是瀝青混合料轉運車的關鍵技術之一,LHZ25采用的是全液壓驅動技術,要求行駛速度平穩，直線跑偏量不得超過2%，并與瀝青攤鋪機保持同步，轉向靈活且轉彎半徑不能太大。因此，對電控系統的設計提出很高的技術要求。本文介紹以西門子S7-200系列PLC為核心的電控系統的設計原理與性能特征。

1. 控制方案的比較和選擇

最初考慮的控制方案有兩種：一種是采用某些公司生產的專用控制器為核心的控制方案；另一種是采用S7-200系統為核心的控制方案。前者是一種較為成熟的控制方案，并且已經在瀝青攤鋪機等全液壓驅動的工程機械上得到成功的應用。缺點是價格昂貴，并且有一些瀝青轉運車的功能（如運行參數及報警信息顯示、同步跟蹤等）不能實現，仍然要借助PLC來完成。而后者的優點則是控制功能比較強大、靈活、可靠性高、操作維修方便，完全可以滿足瀝青轉運車的所有功能，且價格便宜很多。難點在于沒有現成的東西可以借鑒，控制軟件完全要靠自己開發，編程工作量大，且要冒一定的風險。由于本人有多年應用PLC的經驗，故決定采用第二種方案。

2. 控制系統結構

LHZ25瀝青轉運車的電控系統結構主要由中央單元CPU224、數字量擴展單元EM223、模擬量擴展單元EM235和文本顯示器TD200組成（圖1）。

圖1 控制系統結構

文本顯示器用來輸入某些參數及顯示控制系統的一些運行參數和報警信息。模擬量擴展單元用來將模擬量信號（如轉彎半徑和瀝青轉運車與瀝青攤鋪機之間的實測距離）轉換成數字量，中央單元負責處理數字量和模擬量輸入信號，經過運算，對系統的輸出信號進行控制。

3. 控制系統功能

3.1行駛控制

瀝青混合料轉運車行駛系統的控制性能能否達到設計要求，關系到整個設備的成敗。對瀝青轉運車行駛系統主要有兩個方面的要求：其一是要求行駛速度平穩；其二是要保證瀝青轉運車的直線跑偏量控制在允許的誤差范圍之內。瀝青轉運車的行駛速度可通過文本顯示器或者瀝青轉運車操縱臺上的增、減速開關任意設定，本系統利用S7-200系統的函數功能、浮點運算功能和脈寬調制（PWM）功能，速度調節和偏差調節均采用PID閉環控制節系統，通過兩個高速輸出點對行駛系統液壓馬達上的比例電磁閥進行控制,獲得了令人滿意的控制效果,使得瀝青轉運車的行駛速度非常平穩，直線跑偏量小于1.3%。其控制原理和程序流程見圖2和圖3所示。

值得注意的是，采用比例電磁閥控制應設法提高其頻率響應特性，消除比例電磁閥調節過程中的滯后和卡死現象，通常采用的辦法是在比例電磁閥的線圈兩端疊加一個正弦波電壓分量，我們巧妙地利用S7-200系統的正弦函數和浮點運算功能較好地解決了這個問題。對于其它同類型PLC來說，則根本無法做到，因為這些PLC不具備函數和浮點運算功能。

3.2 同步跟蹤控制

轉運車電控系統的同步跟蹤控制功能是受控制的，在文本顯示器上設置了兩個功能鍵用來控制同步跟蹤控制功能的啟動與停止。在與瀝青攤鋪機配套作業前，操作員先根據路面情況，調整好轉運車與瀝青攤鋪機之間的相對位置。然后再按下文本顯示器上的啟動功能鍵，此時，PLC將超聲波傳感器測得的轉運車與攤鋪機之間的實際距離值作為轉運車與攤鋪機之間的理想距離值保存起來，同時轉運車電控系統的同步跟蹤控制功能開始激活。其工作原理是：通過安裝在轉運車上的超聲波傳感器對安裝在攤鋪機上的超聲波探測桿進行不斷地掃描，并將檢測到的位置信號通過模擬量擴展單元傳送至中央單元，中央單元經過數據處理，將轉運車與攤鋪機之間的實際距離值與預置的理想距離值進行比較，若實際值與理想值之差的絕對值大于設定的ΔS值時,PLC則利用其脈寬調制功能，通過功率放大器和比例電磁閥控制轉運車的行駛馬達加速或減速，當實際值與理想值之差的絕對值小于或等于設定的ΔS值時，則不再進行調節。其控制原理見圖2和圖4所示（該裝置已獲得中國實用新型專利）。

3.3轉向控制

瀝青轉運車的轉向是通過其左、右輪的差動來實現的。通過調節設置在瀝青轉運車操縱臺上的旋轉電位器，將轉向電壓信號經模擬量擴展單元EM235轉換成帶符號的轉向參數變量（正數為正轉，負數為反轉），CPU經過運算處理后，將轉向參數變量轉換成脈寬調節變量ΔM,然后將對應于瀝青轉運車左、右輪驅動馬達當前行駛速度下的輸出脈寬值分別加上或減去該脈寬調節變量，再分別輸出到瀝青轉運車左、右輪液壓驅動馬達上的比例電磁閥，即可實現瀝青轉運車的轉向功能。值得注意的是，瀝青轉運車在轉向過程中，其速度調節、直線糾偏功能都是被禁止的。其控制原理仍可用圖2和圖4表示，程序流程見圖3所示。

圖4 同步控制原理

3.4 顯示及報警

瀝青轉運車電控系統將瀝青轉運車的一些重要的運行參數（如:設定行駛速度、實際行駛速度、發動機轉速等）和故障報警信息（如：發動機水溫過高、機油壓力過低、系統緊急停止、測速傳感器故障、機油濾清器堵塞等）通過文本顯示器顯示出來。大大地提高了瀝青轉運車的可操作性和可維修性。

4. 結束語

整個瀝青轉運車電控系統從施工圖設計、控制程序編制到安裝、調試，總共用了大約三個月/人的時間，至今一直運行正常。S7-200系列小型PLC，適用于各種自動化系統，可靠性高，操作維修方便，價格便宜而又功能強大。S7-200系統豐富的指令集和強大的函數和浮點運算功能為電氣工程師提供了一個較為理想的開發平臺。

事實證明：S7-200系統在瀝青轉運車電控系統中的應用是成功的，也為在其他工程機械設備上采用PLC控制積累了寶貴的經驗。