摘 要:針對(duì)列車輪對(duì)測(cè)量的測(cè)量要求,設(shè)計(jì)了以西門子S7-200PLC為主,以富士伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸的半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。給出了整個(gè)控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu),硬件配置和程序設(shè)計(jì)。位置控制程序在自主設(shè)計(jì)研發(fā)的輪對(duì)測(cè)量設(shè)備實(shí)現(xiàn)了升降機(jī)構(gòu)的位置控制要求,位置控制系統(tǒng)精度達(dá)到0.1mm。
一, 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。
二, 系統(tǒng)的總體構(gòu)成和控制動(dòng)作流程
2.1 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。
0.1 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;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。
3 電動(dòng)缸位置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 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PLC和差分轉(zhuǎn)單端模塊來實(shí)現(xiàn)左右電動(dòng)缸的位置控制,控制原理圖如圖5所示。
3.2 硬件接線圖
通過配備如上硬件設(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。
4 電動(dòng)缸位置控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
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)來確定,本項(xiàng)目定為324000個(gè)脈沖。
表2 左/右電動(dòng)缸的高速計(jì)數(shù)器初始化
左電動(dòng)缸HSC0-9
右電動(dòng)缸HSC4-9
LD SM0.0
MOVB 16#FC, SMB37
HDEF 0, 9
MOVD +0, SMD38
MOVD MD10, SMD42 ATCH INT_0:INT0, 12
ENI
HSC 0
LD SM0.0
MOVB 16#FC, SMB147
HDEF 4, 9
MOVD +0, SMD148
MOVD MD11, SMD152
ATCH INT_0:INT0, 29
ENI
HSC 4
中斷指令為ATCH。本程序中使用全局中斷,因此調(diào)用升子程序設(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
左/右電動(dòng)缸上升子程序
左/右電動(dòng)缸下降子程序
LD SM0.0
MOVB 16#A5, SMB67
MOVW +500, SMW168
MOVB 3, VB500
MOVW +1000, VW501
MOVW -1, VW503
MOVD 900, VD505
MOVW +100, VW509
MOVW +0, VW511
MOVD 324000, VD513
MOVW +100, VW517
MOVW 1, VW519
MOVD 900, VD521
PLS 0
LD SM0.0
MOVB 16#A5, SMB77
MOVW +500, SMW178
MOVB 3, VB500
MOVW +1000, VW501
MOVW -1, VW503
MOVD 900, VD505
MOVW +100, VW509
MOVW +0, VW511
MOVD 324000, VD513
MOVW +100, VW517
MOVW 1, VW519
MOVD 900, VD521
PLS 1
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。
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