本溪西门子一级代理

：针对液压挖掘机节能问题，提出一种用基于PLC控制器的电控节能系统。以挖掘机中液压泵与发动机功率不匹配为解决源头，利用PLC系统的多兼容性，对挖掘机各重要组成部分进行控制，实时处理各输入输出信号，并将监控信号传至上位机，从尔达到节能效果

　　关键词：PLC;液压系统;功率匹配;节能

　　1引言

　　液压挖掘机由于其工作状况复杂，能量损失巨大，节能技术研究一直是现代液压挖掘机技术发展的热点和方向。针对液压挖掘机的能量损失问题，利用PLC控制器本身的兼容性、可靠性、实施性，结合液压挖掘机的技术特点，提出以基于PLC控制器的液压挖掘机电控节能系统。

　　2节能原理

　　液压挖掘机的动力系统多采用发动机驱动、液压传动的形式，因此发动机与液压泵的功率匹配恰当与否决定着系统能量利用率的高低及系统工作的平稳性。

　　针对常规液压泵与发动机匹配时存在发动机功率不能充分利用的问题，对于节能控制系统，在进行发动机与泵的功率匹配时，将泵的功率曲线设定在发动机的功率曲线之上，如图l所示，图中折线为泵的功率曲线，下面的曲线为发动机的功率曲线，通过控制发动机的油门和检测发动机的转速，控制器发出控制电流，通过电液比例减压阀调节泵的排量，泵的功率输出始终在阴影区内变化，使泵始终在不低于发动机功率的状态下工作，因而可以完全吸收发动机的功率，从而达到节能的目的。

　　3控制系统设计

　　3.1总体设计

　　本节能控制系统基于PLC控制器，对挖掘机各重要部件，如发动机、变量泵、马达和各种控制阀进行控制，提高可靠性和精度。实现液压系统与负载、发动机与变量泵系统的佳综合控制，使发动机的功率输出更加合理，降低液压挖掘机的燃油消耗和提高劳动生产率。在控制系统中，用电液比例泵代替普通恒功率泵，用油门执行器来控制发动机的油门位置，将作业工况分为三种功率模式，PLC控制器用来完成参数的采集、运算、决策、控制信号的输出等。

　　控制系统硬件构成。PLC控制器通过I/O模块、各总线协议接入外部输入信号(包括开关、传感器、电磁阀等)，通过本身处理单元对数据进行分析处理，并经由输出接口将控制信号输出至执行机构(包括发动机，液压泵等)。

　　本控制系统不仅能对控制信号数据进行采集、输出，同时可将信号传至上位机、图形监控系统等。真正实现了三电—体化(PLC将电控(逻辑控制)、电仪(过程控制)和电结(运动控制)这三电集于一体)。可对控制器、驱动器，I/O设备、智能仪表、传感器等进行控制。

　　3.2信号处理

     信号处理系统，其主要功能是：(1)对各输入设备的信号进行采样;(2)进行模擞，数膜转换;(3)中央处理单元对数据进行处理;(4)利用输出接口产生控制信号，传输至各控制设备;(5)与上位机设备进行数据交换。

　　其信号处理模块要具有接受数据模块、数据采集模块、发送数据模块、功率匹配控制的算法模块、模式选择模块，以及数据驱动模块。除了这几个主要模块之外，根据需要还可以编写保存重要数据的数据存储器，此模块不仅可以对数据进行存储，并可与外接编程器进行数据实时交换，利用编程器自身算法优势，对系统数据进行优化处理。

　　4控制系统试验

　　基于上述控制系统结构和控制策略开发出的控制器在20吨挖掘机上作了装机测试。当斗杆缸、铲斗缸复合挖掘、动臂提升时的测试曲线。

　　横坐标为试验数据记录点，单位为毫秒;左侧纵坐标表示控制电流，单位为毫安;右侧纵坐标表示液压泵的负载压力，单位为MPa。图中下半部分曲线为泵l和泵2的负载压力变化过程，上半部分曲线为控制电流随负载压力的变化过程。由图可以看出：随着负载压力的变化，控制电流也随之变化。因控制电流经放大后控制反比例减压阀的二次压力变化，该二次压力直接控制液压泵的斜盘倾角，使液压泵的流量随着负载的增加(减小)而减小(增大)，从而使液压泵完全吸收发动机的功率，实现了节能的目的。

　　5结束语

　　通过对液压挖掘机功率匹配的分析，提出了基于PLC控制器的节能控制系统。本控制系统利用了PLC是集自动控制技术、计算机技术和通讯技术集于一身的特性。同时编程简单、使用方便;设计、安装容易，维护工作量少;功能完善、通用性好，支持RS-485串行总线，CAN总线，Profibus总线，以太网和其他现场工业总线翻。试验结果表明，上述匹配方法可行，节能控制效果较好。

介绍了用西门子s7—200可编程控制器通过RS一485串口连接两个传感器测量转速与角度，从中获取转速和角度数据，并进行数据处理。

　　0引言

　　s7—200是西门子公司研制的一种新型可编程控制器，它工作可靠，功能强，存储容量大，编程方便，抗干扰能力强，并且有较强的通信功能。因此可以通过它的串口与计算机或其他智能装置进行联网及通信，现代工业设备大都具有智能化、模块化的特点，往往只需要上位机发出一条指令就可以独自完成工作，并将结果通过总线返回给上位机，在其工作期间不需要任何其它设备的干预，这就给上位机留有时间来完成其它工作，对于保障系统的稳定性起到了重要作用。本文介绍的系统由s7—200通过RS一485总线连接速度和角度传感器，角度和速度传感器分布于工业现场的不同位置，PLC向它们发送测量指令，传感器收到指令后向PLC回传含有速度和角度值的数据，并由PLC完成数据处理任务。

　　1系统硬件构成

　　本系统主要由电源模块、PLC、两个分布在不同场地的旋转变压器、FB900C及FB900V变送器构成，如图1所示。电源模块向PLC提供24 V直流电，市电向FB900C、FB900V提供220 V交流电，PLC上RS一485口的3、8是数据A、B端，而FB900C/V的8、9是RS一485的数据A、B端，因此FB900C/V串口的8、9分别与PLC串口的3、8相连。FB900C/V上的端子号从左至右依次为1—7.其中l、2为供电端口，3、4为FB900C/V向旋转变压器提供的8 V交流电，5、6、7为旋转变压器向FB900C/V提供的信号。

　　2软件设计总体思路

　　FB900C/V将旋转变压器传来的信号分别转换成角度和速度数据，通过RS一485总线传向PLC再由PLC对其进行处理。为了避免数据传输过程中发生数据冲突，将FB900C/V设置成指令传送模式，FB900C/V收到相应的指令就会向RS一485总线上传含有角度和速度的数据，没有收到相应的指令就不会发送数据。一为了避免数据冲突，采用分时读取FB900C和FB900V数据方式，即PLC先发送读取速度数据指令，FB900V收到后就立即向总线上传送速度数据，PLC收到总线上的数据后将其存储下来并对其进行处理，完成数据处理后PLC再发送读取角度数据指令，FB900C收到指令后立即向总线上传送角度数据，PLC收到总线上的数据后将其存储下来并对其进行处理，完成数据处理后PLC再发送读取角度速度数据指令，依次不断循环下去。分时工作由PLC的定时器T32和T96完成，T32定时则 T96复位，如果196定时，则132复位，依次循环。

　　它们的周期都为40 ms，T32等于40 ms时，PLC发送读取速度指令，并打开中断事件25，FB900V传送速度数据后，PLC响应字符中断接收完数据后就将其处理完毕，接着将132复位。再打开I"96直到1"96等于40 ms，PLC发送读取角度指令，并打开中断事件25，FB900C传送角度数据后，PLC响应字符中断接收完数据后就将其处理完毕，接着将196复位并打开132，如此不断循环

    两个定时器依次打开和复位，当每个定时器计时到40 ms，就触发程序发送相应的读数指令，响应字符接收中断接收传感器发送过来的数据，处理接收到的数据。定时器132、196起到了作为采集速度、角度数据标志信号的作用，此外还可以通过更改定时器的延时值来控制采集传感器信号的周期。发送指令、接收数据及数据处理在文章的后续部分作详细介绍，主程序流程中就不作叙述了。

　　3 PLC及FB900C/V串口参数的设定

　　SMB30和SMBl30是S7—200的通信控制字，用来设置通信的波特率，奇偶校验位、停止位和字符长度。SMB30对应端口0，SMBl30对应端口l。

　　其中，校验方式：00和11均为无校验、01为偶校验、10为奇校验;字符长度：0为传送字符有效数据是8位、1为有效数据是7位;波特率：000为38 400、001为19 200、010为9 600、011为4 800、100为2 400、101为l 200、110为600、111为300;通信协议：00为PPl协议从站模式、01为自由口协议、lo为PPI协议主站模式、11为保留，缺省设置为PPI协议从站模式。

　　FB900V/C变送器的信号采用波特率为9 600，数据位为7位，校验方式为偶校验，它们的设定通过购买时自带的软件来设定。PLC的通讯协议采用自由口协议。为了实现PLC与FB900V/C之间能够传送数据，寄存器SMBl30的各位的值的设定如表2所示，从表2中可得出SMBl30对应的16进制数为69。

　　4数据的发送与接收

　　FB900C/V读取速度和角度数据指令的字符位都是52H，结束位都是0DH(厂家规定值)，模块编号可以根据需要自行设定。FB900V的模块编号设为30H、32H负责传送速度数据，FB00C的模块编号设为30H、31H负责传送角度数据。FB900V速度变送器的数据输入。

　　PLC发送指令(XMT)激活发送数据缓冲区(TBL)。数据缓冲区个数据指明了要发送的字节数，大数为255个。PORT指定了用于发送的端口。发送读取速度数据指令，就将04、52、30、32、OD(都为16进制)填入发送缓冲区，发送读取角度数据指令，就将04、52、30、31、0D(都为16进制)填人发送缓冲区。发送完后打开字符接收中断，本系统中用的是端口1，对应的中断号是25。每接收一个字符产生一次中断，中断链接到中断处理程序，中断处理程序将接收到存储在SMB2中的字符，再转存到PLC里的存储区。

　　传感器发送数据格式如表6所示，1是开始位，2、3是变送器编号，4是状态位(指输出数据的状态其中D=角度数据，V=速度数据，E=变送器出错)5为数据的符号，6位以后为数据(角度数据多为8位数据+l位小数点，速度数据多为4位数据+l位小数点)，后一位为结束位CR(0DH)。

　　表中都是16进制的角度数据，并且变送器编号为01，输出角度为268。

　　表中都是16进制的速度数据，并且变送器编号为02，输出速度数据为12.0时。

　　PLC接收传感器发送来的数据以是否收到02H为开始，如果没有收到02H则中断返回，收到02H则将后续字符转移到PLC所指定的存储单元并检验是否接受到0DH，接收到结束位0DH就开始对所收到的数据进行处理。数据的接收流程如图3所示，在数据接收流程中，每接收一个字符就会产生一次字符接收中断，INlD和INTl都是中断服务程序。在没有收到起始字符时INT0为产生的字符中断服务，INTO中先判断收到的字符是否是02H，若是，就将字符缓冲区的个字节VBl00清零，调用子程序2将02H存入VBl00之后的存储单元中，接着就将INTl连接到字符中断，这时INTl为产生的字符中断服务(INTO不起作用)。在收到起始字符后产生的每次字符中断，中断服务程序INTl都调用子程序2，将收到的字符存人起始字符的后续单元中。

　　INTl在存储收到的字符后还判断收到的是否为结束字符，若收到，就调用子程序3进行数据处理并将INTO再次连接到字符中断(此时INTl不起作用)，准备进行下一组数据的接收。

　　子程序2代码如下：

　　LD SMO.0https://装载指令

　　INCB VBl00https://字符计数器加1

　　INCD VD86https://指针VD86加1

　　MOVB SMB2，}VD86https://字符存入指针所指单元子程序3为数据处理程序，在后面的文字中将作详细介绍。

　　5数据处理

　　从传感器接收过来的数据只是从02H一0DH之间的一组16进制字符，还无法直接将其中所包含的角度和速度值以一个数的形式来使用。本文所讲的数据处理，只是从接收过来的一组字符中取出所包含的速度和角度值。数据处理的关键在于找出02H一0DH之间的数据位和符号位，并将其按照：Y=±(xl一30H)×l+(x2—30H)×10+(x3—30H)×100+(x4—30H)×1000+(x5—30H)×10000??，计算出对应的十进制值。x1为0DH前的个字符，)【2为0DH前的第二个字符，】【3为0DH前的第三个字符，依次类推直至符号位后面的个字符，本文中对数据精度的要求不需要jingque到小数位，所以若0DH前的第二个字符为2E，则令xl为0DH前的第三个字符，)【2为0DH前的第四个字符，)【3为0DH前的第五个字符依次类推直至符号位后面的个字符。软件实现时指针VD96、VD86都指向ODH，VD76指向02H，VD86一VD76—6为含有数据位的个数，若个数大于6则继续执行后续指令，否则收到的字符组中不含有数据(这种情况下起始字符、模块编号、状态位、符号位加结束字符不会超过6位)，返回即可。VW520存放了数据结果，符号位为“一”时只需用O减去VW520结果再存入VW520即可，符号位为“+”时不需要作任何变化。软件处理流程如图4所示。流程图中，指针VD86和VD96都指向结束字符，VD76在数据接收流程中已指向起始字符，VD86一VD76可求出接收缓冲区字符的个数，移动指针VD96可依次找出个位、十位、百位等对应的字符。VW60里是传感器所测数据有效数据的个数，用来判断乘累加是否结束，VW600里是传感器所测数据有效位对应的十进制数乘以权值后所得的结果，VW500存放乘累加的结果，VW510存放的是有效数据位个位、十位、百位等对应的权值，在乘累加过程中VW510的值会依次为l、10、100、1000等，VW400、VW420里都存放了由指针VD96所取出的字符，VW410里存放了由ASCII码转换的十进制数，VW520保存了上一次十进制所测的数据。

　　6结语

　　，本系统在80 ms的周期内分别对角度和速度值各采集一次，并将它们转换成十进制，为PLC后续工作提供了数据来源。经实践证明，可靠性、稳定性比较好，能够满足实时性要求不是较高的工业应用场合。