基于PLC的电动缸位置控制系统设计

（长春工程学院 机电工程学院，长春 130012）

0 引言

当前，能够实现位置控制的驱动元件主要有液压缸、气缸和电动缸等。电动缸因其传动效率高、定位精度高、可靠性和安全性高、响应速度快、控制精准和同步性高的性能特点，在许多工业场合被逐步推广使用。本项目驱动的元件是列车轮对，一个轮对的重量近2吨，采用电动缸的优势在于避免低速重载下容易产生爬行现象发生。本文给出了以PLC和伺服驱动相结合的控制理念，以伺服电机驱动电动缸，实现了自主研发的轮对测量设备的升降机构的位置控制系统的设计和运行。

1 系统的总体构成和控制动作流程

1.1 系统总体构成

为了实现图1所示的列车轮对的车轮直径、径向跳动、端跳、轮缘距、盘位差、轮位差、车轮内侧距等参数的自动检测，自主设计了轮对测量设备，设备采用轮轴两端轴径表面形成的车轴中心为径向测量基准，即采用轮轴轴颈的外表面（安装轴承处）作为径向定位基准，由其形成的旋转中心即为规定的径向测量基准，使测量得到的数据更符合列车运行实际工况。轮对测量机由基座I、龙门框架Ⅱ、往复式轮对输送平台及升降机构Ⅲ、轮对定位基准支撑装置Ⅳ、轮对旋转驱动装置Ⅴ、高精度移动检测装置Ⅵ六部分组成。如图2所示。

其中往复式轮对输送平台及升降机构Ⅲ结构如图2所示，由V型支撑座1、直线轴承2、轴承支撑框架3、电动缸4、移动框架5、线性导轨6和气缸7组成。

图1 轮对测量机检测参数

图2 轮对测量机机械结构图

1.2 系统控制动作流程

1）往复式轮对输送平台将待检测轮对输送到检测位置；

图3 往复式轮对输送平台及升降机构图

2）左右伺服电动缸将轮对举升使轮对脱离铁轨；

3）气缸将升降机构及轮对送到检测位置；

4）左右伺服电动缸平稳的将轮对放在轴承基准支座上；

5）电机驱动万向联轴器使轮对在轮对定位基准支撑装置上匀速旋转，完成轮对的各参数检测；

6）当轮对检测完成时，伺服电动缸将轮对举升一定高度使轮对脱离轮对定位基准支撑装置；

7）气缸将轮对送至迎轮位置；

8）伺服电动缸使轮对落在铁轨上，完成一个轮对的检测工序。通过同样顺序进行下一个轮对的检测工作。

本文阐述的位置控制系统设计就是针对左右升降机构，采用PLC控制伺服电机驱动电动缸，达到位置控制要求，如图4所示。

图4 整机控制原理图

2 电动缸位置控制系统硬件设计

2.1 系统硬件配置

系统选用西门子公司S7-200 PLC的CPU226CN，直流供电，直流输入，带有24个输入16个输出点。带有6个30kHz的高速计数器，2个20kHz高速脉冲输出，满足自主研发的轮对测量设备的控制要求。

伺服电机及伺服放大器分别选用日本富士的GYS751D5-RC2和RYH751F5-VV2，功率750W。

电动缸选择上海莫琳克的V080D1500P02500，额定推力1500kg，行程250mm，功率750W。

差分转单端模块又被称做编码器信号转换器模块，用于解决编码器与PLC之间转换，也用在PLC高速计数模块、脉冲输入端、电动机编码器等与PLC之间转换，特别适合电机自动控制等领域。优点在于能克服工控系统复杂的现场环境下的强干扰，排除强电场、强磁场等电气干扰。本文即通过PLC和差分转单端模块来实现左右电动缸的位置控制，控制原理图如图5所示。

图5 位置控制原理图

2.2 硬件接线图

通过配备如上硬件设置，进行S7-200 CPU226 I/O分配如下：I0.0：差分转单端（左升降）A；I0.1：差分转单端（左升降）B；I0.2：左升降伺服电机定位结束信号；I0.3：差分转单端（右升降）C；I0.4：差分转单端（右升降）D；I0.5：右升降伺服电机定位结束信号；I1.0：左升降伺服电机报警信号；I1.1：右升降伺服电机报警信号；I1.5：左升降电动缸-上限位；I1.6：左升降电动缸-下限位；I1.7：右左升降电动缸-上限位；I2.0：右升降电动缸-下限位；Q0.0：脉冲；Q0.1：脉冲；Q0.2：脉冲方向；Q0.3：伺服命令-2.CONT1；Q0.5：脉冲方向；Q0.6：伺服命令-2.CONT1。其中差分转单端的接线图如图6所示。

3 电动缸位置控制系统软件设计

图6 差分转单端接线图

软件方面主是完成PLC的STL的设计。为了实现位置控制，选用西门子PLC软件提供的PTO脉冲编程模块。主要包括如下三个重要部分的控制程序编译。第一为：左/右电动缸上升和下降子程序，如表1所示。上升子程序设置SMB67为16#A5，即为选择PTO的3段操作，选择μs增量时基。下降子程序设置SMB77为同样为16#A5。脉冲数通过轮对测量设备升降机构的上升/下降的距离和电动缸参数来确定，本项目定为324000个脉冲。

表1 左/右电动缸的升降子程序

程序编译的第二重要部分是：初始化高速计数器。左电动缸选择HSC0操作模式；模式选择9，即为A/B相正交，故控制位设定SMB37=16#FC。右电动缸选择HSC4操作模式；模式选择9，即为A/B相正交，故控制位设定SMB147=16#FC。

程序编译的第三重要部分是：中断程序。中断的实现是PLS指令每完成一次脉冲输出将产生一次中断，其中左电动缸的中断号为12，右电动缸的中断号为29。中断指令为ATCH。本程序中使用全局中断，因此调用中断程序时只需启用一个事件的中断。中断程序程序如下：

表2 左/右电动缸的高速计数器初始化

4 结束语

本系统采用西门子S7 200 PLC、伺服电机、电动缸、差分转单端的硬件配置，编程实现了列车轮对测量设备的升降机构的位置控制。本系统隶属于半闭环控制系统，能够实现较高的定位精度和运行速度，能满足测量的节拍需求和位置精度要求，定位精度达到0.1mm。