【摘 要】针对列车轮对测量的测量要求,设计了以西门子S7-200PLC为主,以富士伺服电机驱动电动缸的半闭环位置控制管理系统.给出了整个控制管理系统的机械结构,硬件配置和程序设计.位置控制程序在自主设计研发的轮对测量设备实现了升降机构的位置控制要求,位置控制管理系统精度达到0.1mm.
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验测试，自主设计了轮对测量设备，设备是采用轮轴两端轴径表明产生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六部分所组成。如图2所示。
当前，可以在一定程度上完成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，采用电动缸的优点是避免低速重载下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管理系统的设计和运行。
【作者单位】长春工程学院机电工程学院,长春 130012;长春工程学院机电工程学院,长春 130012;长春工程学院机电工程学院,长春 130012
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T1；Q0.5：脉冲方向；Q0.6：伺服命令-2.CONT1。其中差分转单端的接线所示。
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、线 轮对测量机检测参数
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，很适合电机自动控制等领域。优点是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。
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管理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。
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。
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管理系统，可以在一定程度上完成较高的定位精度和工作速度，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。
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：
[9]黎冠,卜祥丽,马婕, 等.基于PLC的位置闭环伺服控制在大行程定位中的应用[J].组合机床与自动化加工技术,2012,(8):78-80.
软件方面主是完成PLC的STL的设计。为实现位置控制，选用西门子PLC软件提供的PTO脉冲编程模块。最重要的包含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。
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；
