基于PLC的電動(dòng)缸位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（長(zhǎng)春工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

0 引言

當(dāng)前，能夠?qū)崿F(xiàn)位置控制的驅(qū)動(dòng)元件主要有液壓缸、氣缸和電動(dòng)缸等。電動(dòng)缸因其傳動(dòng)效率高、定位精度高、可靠性和安全性高、響應(yīng)速度快、控制精準(zhǔn)和同步性高的性能特點(diǎn)，在許多工業(yè)場(chǎng)合被逐步推廣使用。本項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的元件是列車輪對(duì)，一個(gè)輪對(duì)的重量近2噸，采用電動(dòng)缸的優(yōu)勢(shì)在于避免低速重載下容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象發(fā)生。本文給出了以PLC和伺服驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的控制理念，以伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸，實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)的輪對(duì)測(cè)量設(shè)備的升降機(jī)構(gòu)的位置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。

1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成和控制動(dòng)作流程

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

為了實(shí)現(xiàn)圖1所示的列車輪對(duì)的車輪直徑、徑向跳動(dòng)、端跳、輪緣距、盤位差、輪位差、車輪內(nèi)側(cè)距等參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)，自主設(shè)計(jì)了輪對(duì)測(cè)量設(shè)備，設(shè)備采用輪軸兩端軸徑表面形成的車軸中心為徑向測(cè)量基準(zhǔn)，即采用輪軸軸頸的外表面（安裝軸承處）作為徑向定位基準(zhǔn)，由其形成的旋轉(zhuǎn)中心即為規(guī)定的徑向測(cè)量基準(zhǔn)，使測(cè)量得到的數(shù)據(jù)更符合列車運(yùn)行實(shí)際工況。輪對(duì)測(cè)量機(jī)由基座I、龍門框架Ⅱ、往復(fù)式輪對(duì)輸送平臺(tái)及升降機(jī)構(gòu)Ⅲ、輪對(duì)定位基準(zhǔn)支撐裝置Ⅳ、輪對(duì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置Ⅴ、高精度移動(dòng)檢測(cè)裝置Ⅵ六部分組成。如圖2所示。

其中往復(fù)式輪對(duì)輸送平臺(tái)及升降機(jī)構(gòu)Ⅲ結(jié)構(gòu)如圖2所示，由V型支撐座1、直線軸承2、軸承支撐框架3、電動(dòng)缸4、移動(dòng)框架5、線性導(dǎo)軌6和氣缸7組成。

圖1 輪對(duì)測(cè)量機(jī)檢測(cè)參數(shù)

圖2 輪對(duì)測(cè)量機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)控制動(dòng)作流程

1）往復(fù)式輪對(duì)輸送平臺(tái)將待檢測(cè)輪對(duì)輸送到檢測(cè)位置；

圖3 往復(fù)式輪對(duì)輸送平臺(tái)及升降機(jī)構(gòu)圖

2）左右伺服電動(dòng)缸將輪對(duì)舉升使輪對(duì)脫離鐵軌；

3）氣缸將升降機(jī)構(gòu)及輪對(duì)送到檢測(cè)位置；

4）左右伺服電動(dòng)缸平穩(wěn)的將輪對(duì)放在軸承基準(zhǔn)支座上；

5）電機(jī)驅(qū)動(dòng)萬(wàn)向聯(lián)軸器使輪對(duì)在輪對(duì)定位基準(zhǔn)支撐裝置上勻速旋轉(zhuǎn)，完成輪對(duì)的各參數(shù)檢測(cè)；

6）當(dāng)輪對(duì)檢測(cè)完成時(shí)，伺服電動(dòng)缸將輪對(duì)舉升一定高度使輪對(duì)脫離輪對(duì)定位基準(zhǔn)支撐裝置；

7）氣缸將輪對(duì)送至迎輪位置；

8）伺服電動(dòng)缸使輪對(duì)落在鐵軌上，完成一個(gè)輪對(duì)的檢測(cè)工序。通過(guò)同樣順序進(jìn)行下一個(gè)輪對(duì)的檢測(cè)工作。

本文闡述的位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是針對(duì)左右升降機(jī)構(gòu)，采用PLC控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸，達(dá)到位置控制要求，如圖4所示。

圖4 整機(jī)控制原理圖

2 電動(dòng)缸位置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件配置

系統(tǒng)選用西門子公司S7-200 PLC的CPU226CN，直流供電，直流輸入，帶有24個(gè)輸入16個(gè)輸出點(diǎn)。帶有6個(gè)30kHz的高速計(jì)數(shù)器，2個(gè)20kHz高速脈沖輸出，滿足自主研發(fā)的輪對(duì)測(cè)量設(shè)備的控制要求。

伺服電機(jī)及伺服放大器分別選用日本富士的GYS751D5-RC2和RYH751F5-VV2，功率750W。

電動(dòng)缸選擇上海莫琳克的V080D1500P02500，額定推力1500kg，行程250mm，功率750W。

差分轉(zhuǎn)單端模塊又被稱做編碼器信號(hào)轉(zhuǎn)換器模塊，用于解決編碼器與PLC之間轉(zhuǎn)換，也用在PLC高速計(jì)數(shù)模塊、脈沖輸入端、電動(dòng)機(jī)編碼器等與PLC之間轉(zhuǎn)換，特別適合電機(jī)自動(dòng)控制等領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)在于能克服工控系統(tǒng)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的強(qiáng)干擾，排除強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)等電氣干擾。本文即通過(guò)PLC和差分轉(zhuǎn)單端模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)左右電動(dòng)缸的位置控制，控制原理圖如圖5所示。

圖5 位置控制原理圖

2.2 硬件接線圖

通過(guò)配備如上硬件設(shè)置，進(jìn)行S7-200 CPU226 I/O分配如下：I0.0：差分轉(zhuǎn)單端（左升降）A；I0.1：差分轉(zhuǎn)單端（左升降）B；I0.2：左升降伺服電機(jī)定位結(jié)束信號(hào)；I0.3：差分轉(zhuǎn)單端（右升降）C；I0.4：差分轉(zhuǎn)單端（右升降）D；I0.5：右升降伺服電機(jī)定位結(jié)束信號(hào)；I1.0：左升降伺服電機(jī)報(bào)警信號(hào)；I1.1：右升降伺服電機(jī)報(bào)警信號(hào)；I1.5：左升降電動(dòng)缸-上限位；I1.6：左升降電動(dòng)缸-下限位；I1.7：右左升降電動(dòng)缸-上限位；I2.0：右升降電動(dòng)缸-下限位；Q0.0：脈沖；Q0.1：脈沖；Q0.2：脈沖方向；Q0.3：伺服命令-2.CONT1；Q0.5：脈沖方向；Q0.6：伺服命令-2.CONT1。其中差分轉(zhuǎn)單端的接線圖如圖6所示。

3 電動(dòng)缸位置控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖6 差分轉(zhuǎn)單端接線圖

軟件方面主是完成PLC的STL的設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)位置控制，選用西門子PLC軟件提供的PTO脈沖編程模塊。主要包括如下三個(gè)重要部分的控制程序編譯。第一為：左/右電動(dòng)缸上升和下降子程序，如表1所示。上升子程序設(shè)置SMB67為16#A5，即為選擇PTO的3段操作，選擇μs增量時(shí)基。下降子程序設(shè)置SMB77為同樣為16#A5。脈沖數(shù)通過(guò)輪對(duì)測(cè)量設(shè)備升降機(jī)構(gòu)的上升/下降的距離和電動(dòng)缸參數(shù)來(lái)確定，本項(xiàng)目定為324000個(gè)脈沖。

表1 左/右電動(dòng)缸的升降子程序

程序編譯的第二重要部分是：初始化高速計(jì)數(shù)器。左電動(dòng)缸選擇HSC0操作模式；模式選擇9，即為A/B相正交，故控制位設(shè)定SMB37=16#FC。右電動(dòng)缸選擇HSC4操作模式；模式選擇9，即為A/B相正交，故控制位設(shè)定SMB147=16#FC。

程序編譯的第三重要部分是：中斷程序。中斷的實(shí)現(xiàn)是PLS指令每完成一次脈沖輸出將產(chǎn)生一次中斷，其中左電動(dòng)缸的中斷號(hào)為12，右電動(dòng)缸的中斷號(hào)為29。中斷指令為ATCH。本程序中使用全局中斷，因此調(diào)用中斷程序時(shí)只需啟用一個(gè)事件的中斷。中斷程序程序如下：

表2 左/右電動(dòng)缸的高速計(jì)數(shù)器初始化

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用西門子S7 200 PLC、伺服電機(jī)、電動(dòng)缸、差分轉(zhuǎn)單端的硬件配置，編程實(shí)現(xiàn)了列車輪對(duì)測(cè)量設(shè)備的升降機(jī)構(gòu)的位置控制。本系統(tǒng)隸屬于半閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的定位精度和運(yùn)行速度，能滿足測(cè)量的節(jié)拍需求和位置精度要求，定位精度達(dá)到0.1mm。