在現(xiàn)代各類建筑基礎(chǔ)、路面和路基的壓實中，輪胎壓路機具有不可代替的優(yōu)越性，其充氣輪胎除有垂直壓實力外，還有水平壓實力，這些力的作用加上膠輪彈性所產(chǎn)生的一種“揉搓作用”結(jié)果就產(chǎn)生了極好的壓實效果。同時，輪胎間的相互重疊能產(chǎn)生平整、致密的表面質(zhì)量。而傳統(tǒng)的以機械式傳動為主的輪胎壓路機因其結(jié)構(gòu)笨重、機械換檔在機群式作業(yè)、頻繁換向工作中顯得力不從心，無法滿足現(xiàn)代自動控制、遠程監(jiān)控的要求，其操作的安全性、舒適性也因此受到局限。

　　1   控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理

　　YL25C全液壓輪胎壓路機控制系統(tǒng)要對壓路機的動力系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和灑水系統(tǒng)提供相應(yīng)的控制及保護，恒轉(zhuǎn)速、恒速行走，按一定斜坡值要求起步和停車，確保系統(tǒng)的高效安全運轉(zhuǎn)，具備一定遠程監(jiān)控的功能擴展平臺?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1.

　　圖0   產(chǎn)品實物圖片

　　圖1   控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　1.1 動力系統(tǒng)

　　對啟動馬達、油門步進電機及斷油電磁鐵進行控制，實時監(jiān)控發(fā)動機機轉(zhuǎn)速、機油壓力及冷卻水溫度。

　　啟動控制：在啟動條件滿足時，啟動點火開關(guān)，由蓄電池為啟動馬達及斷油電磁鐵供電，當系統(tǒng)檢測到發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到預(yù)置值時，斷開啟動馬達電源。

　　轉(zhuǎn)速控制：傳統(tǒng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是利用機械軟軸直接施力于節(jié)氣門來調(diào)速，其缺陷是發(fā)動機怠速不穩(wěn)，導(dǎo)致燃油不完全燃燒，其次，調(diào)速的快慢也受限于操作員的經(jīng)驗。本控制系統(tǒng)，直接通過開關(guān)設(shè)定轉(zhuǎn)速值，同時由飛輪轉(zhuǎn)速傳感器測得脈沖信號作為反饋值，形成閉環(huán)控制回路，經(jīng)過某種運算后，按一定的斜坡值輸出高速脈沖驅(qū)動步進電機，進而平穩(wěn)調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速，自動調(diào)整電機進給量，達到電機的定位及在怠速狀態(tài)下的恒轉(zhuǎn)速控制要求，控制轉(zhuǎn)速偏差△n<±20 r/min。

　　1.2行走系統(tǒng)

　　恒速控制：首先由行駛手柄進行行走速度值及方向設(shè)定，同時可以通過顯示器的顯示窗口讀取所設(shè)定的行駛速度值，PLC便得到行走恒速控制的指令，行走電控系統(tǒng)此時處于PID的閉環(huán)控制之中。行駛手柄中的電位器所輸入的設(shè)定值作為系統(tǒng)的初始給定值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入PID調(diào)節(jié)器進行運算，通過PID的參數(shù)調(diào)節(jié)可以讓機器獲得一個較好的動態(tài)響應(yīng)曲線，機器動作以后，由設(shè)置在行走馬達上的測速傳感器將實時轉(zhuǎn)速值通過PLC的高速計數(shù)器送入PLC，該傳感器提供的反饋信號在進入閉環(huán)運算之前，先進行算術(shù)平均值取樣處理，合成為一個總的反饋信號提供給PID調(diào)節(jié)器，終由PID輸出一個PWM調(diào)節(jié)值給行走電比例泵，通過液壓系統(tǒng)和相應(yīng)的液壓行走馬達驅(qū)動壓路機跟隨速度設(shè)定值以恒定的速度作業(yè)，其偏差值δ≤2 m/min。

　　在以上恒速控制程序調(diào)試過程中，由于輪胎壓路機本身質(zhì)量大，達25噸，行走慣量大，為使機器獲得一個較好的動態(tài)響應(yīng)曲線，須對PID輸出調(diào)節(jié)值限幅，并且依據(jù)不同的設(shè)定值區(qū)間進行適當調(diào)整。

　　行駛制動：在行駛手柄回中時，PLC便得到停車指令，立即將PID調(diào)節(jié)值置零，同時，輸出PWM調(diào)節(jié)值自動按某一斜坡值遞減至零，達到系統(tǒng)平穩(wěn)停車的目的。

　　緊急制動：在按下緊停按鈕后，一方面，通過外部的物理開關(guān)關(guān)閉所有電磁閥電源；另一方面，將開關(guān)量送入PLC，PLC得到指令后，立即關(guān)閉PID調(diào)節(jié)器，同時將其輸入/輸出值清零，并輸出一個開關(guān)量信號給報警指示燈進行警示，系統(tǒng)進入緊急停車狀態(tài)。

　　1.3  灑水系統(tǒng)

　　手動調(diào)節(jié)：在施工階段對灑水流量要求不是很嚴格或產(chǎn)品調(diào)試時，可以選擇手動功能。直接通過開關(guān)進行流量值設(shè)定，PLC根據(jù)開關(guān)接通的時間或次數(shù)換算成對應(yīng)的流量值，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換控制比例放大器，轉(zhuǎn)化為PWM信號直接驅(qū)動水泵電機，線性控制灑水流量。

　　自動調(diào)節(jié)：基于壓路機行走速度值，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換控制比例放大器，終轉(zhuǎn)化為PWM信號直接驅(qū)動水泵電機，以達到灑水流量，既不會因為水流過小使輪胎粘瀝青，也不致水流過大影響瀝青溫度。

　　1.4  監(jiān)控系統(tǒng)

　　由文本顯示器及指示燈組成，主要用來監(jiān)控發(fā)動機累計工作小時、轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度和機油壓力、燃油液位、行走速度等系統(tǒng)參數(shù)，對如冷卻液溫度過高、機油壓力低、制動壓力低及水箱缺水提供圖文報警，此外，還可以對機器一些功能選擇及時鐘編輯通過文本顯示功能鍵來設(shè)置完成；指示燈則用來對充電狀態(tài)、PLC工作狀態(tài)、系統(tǒng)報警等進行報警指示。

　　溫度傳感器溫度特性并不是線性的，按圖2線路連接，V+為工作電壓，R*為分壓電阻，經(jīng)過經(jīng)驗值測定，溫度傳感器滿足以下函數(shù)關(guān)系：

　?、?nbsp;        T=τlnK/Rt

　　②         Rt=U/I

　　將①、②式歸并可得出公式③

　?、?nbsp;    T=τlnk/U    其中k=K·I

　　圖2

　　式中：T為傳感器檢測的溫度；Rt為傳感器電阻；τ和K為常數(shù)。

　　將電壓信號送入PLC模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換及相關(guān)函數(shù)運算、標定，利用公式③即可計算出對應(yīng)的傳感器檢測的溫度值。

　　2   控制系統(tǒng)硬件

　　2.1  控制器

　?。?） 18路數(shù)字量輸入14路數(shù)字量輸出，4路模擬量輸入1路模擬量輸出

　?。?） 工作電壓20.4~28.8VDC，工作環(huán)境溫度0~55℃；

　?。?） 高速計數(shù)輸入點響應(yīng)頻率20 kHz，邏輯1電平15~30 VDC；

　?。?） 高速脈沖輸出頻率20 kHz，輸出驅(qū)動電流<750 mA；

　　2.2  顯示器

　　西門子文本顯示器OP73Micro，可顯示3行每行達12字中文信息，4功能鍵/7系統(tǒng)鍵，前面板尺寸148×76mm，開孔尺寸138×68mm；

　　2.3  測速傳感器

　　REXROTH霍爾轉(zhuǎn)速傳感器HDK18，工作電壓8~36V；

　　2.4  行駛手柄

　　選用帶行程開關(guān)及中位鎖GESSMAN產(chǎn)的工程機械專用行駛手柄S22M-02RP-X

　　2.5  比例放大器

　　工作電壓18~32 V，輸入電壓0~5 VDC， PWM輸出電流3.5 A/10 kHz；

　　3   控制程序設(shè)計

　　高速計數(shù)：本產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用了兩路高速計數(shù)，一路是發(fā)動機轉(zhuǎn)速檢測，另一路是行走速度檢測。通過安裝在發(fā)動機或行走馬達飛輪殼體上的傳感器可以接受電磁脈沖信號，每一個飛輪齒經(jīng)過傳感器時，傳感器即輸出一個波形，設(shè)該波形的頻率為f，飛輪齒數(shù)為Z，發(fā)動機或馬達轉(zhuǎn)速為n，則它們滿足以下公式：

　?、?n=f*60/Z

　　PLC高速計數(shù)是采用定時中斷的方式累計單位時間里所采集的脈沖數(shù)，那么所累計1秒時間所采集的脈沖數(shù)就是我們要知道的頻率f，而飛輪齒數(shù)Z也已知，利用公式④就可以計算出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速n了。

　　在測得行走馬達轉(zhuǎn)速n后，已知減速機減速比為i，輪胎直徑為D，則利用公式⑤就可以計算出機器行走速度v了：

　　⑤ v=n* *D/i

　　PWM功能：PWM功能在工程機械中具有廣泛的應(yīng)用，如直流電機調(diào)速，電磁閥流量或壓力調(diào)節(jié)等。而本產(chǎn)品則應(yīng)用于行走主泵流量控制的比例電磁閥，該電磁閥對驅(qū)動電流要求是一個振顫信號，響應(yīng)頻率為100~200Hz，且線性好，重復(fù)高。而PWM功能提供的是占空比線性可調(diào)的脈沖輸出，頻率可達20kHz，占空比可在0%~100%自由調(diào)整，設(shè)占空比為τ，PLC輸出PWM波的電壓為U，電流為I，電磁閥的電阻為R，則它們滿足以下公式：

　?、?I=U* /R

　　因此，通過調(diào)整占空比τ，就可以比例控制電磁閥的驅(qū)動電流了，間而達到調(diào)速的目的。

　　軟件主程序及調(diào)速子程序結(jié)構(gòu)流程圖見圖3和圖4所示。

　　圖3  主程序流程

　　圖4  調(diào)速子程序流程圖