基于PLC的架车机电气控制系统设计

0 引言

　　从20世纪末以来，架车机就开始广泛应用于各型机车、地铁等设备的生产制造及维修，其同步精度以及操作界面直接影响设备使用的安全性以及工作效率。伴随着企业自动化程度越来越高，可编程控制器(pmgramable logic controller，PLC)在工业自动化中应用越来越广泛。利用PLC代替传统的中间继电器可以大大简化电路，保证电路的可靠性，而且只需更改程序的逻辑关系即可实现不同的功能，因此将PLC技术应用于架车机控制系统中是必然的。目前架车机控制系统普遍存在控制精度不高、控制界面不友好等问题，所以针对架车机的控制精度的提高，优化控制界面优化的研究是极具重要意义的。

1 架车机电气控制系统硬件设计

　　1.1 架车机电气控制系统组成

　　研究设计的架车机电气控制系统是一种闭环控制系统系统，由电源单元、控制单元(可编程控制器)、电气检测单元(如增量编码器、接近开关、限位开关等)、执行单元(继电器、电机等)及显示单元(显示屏、指示灯等)五大单元组成。

　　当接通电源以后，可编程控制器(programable logic controller，PLC)接收按钮信号以及其他控制信号，处理后将信号传输至执行单元；执行单元在执行过程中导致检测单元信号发生改变，检测单元信号即时传输至PLC，PLC即时输出至执行单元，使得运动发生相应改变。架车机控制系统结构见图1。

图1控制系统结构图

　　1.2 架车机控制系统PLC电路设计

　　相对于继电器控制电路，PLC控制电路的柔性度更高，无触点操作使得控制更加安全可靠。

　　1.2.1 PLC的选型

　　PLC型号的选择主要从两个方面考虑：一方面考虑PLC控制是数字量控制还是模拟量控制；另一方面考虑PLC的I／O点数目。

　　根据架车机的功能要求，首先初步设计出PLC的功能结构图(见图2)。

图2 PLC功能绪构圈

　　根据功能结构图初步估计PLC所需的I／0点数目低于256，其主要控制为数字量控制，属于小型范围，因此可以选择西门子PI肠00系列。图示PLC的输入端口数目应大于21个，输出口至少有15个，因此选择西门子PLC226型，其输入口数目有24个，输出口有16个，满足要求。

　　1.2.2 PLC电路设计

　　确定系统的功能和PLC的型号之后，根据架车机控制系统所需完成动作对整个系统进行设计。电气控制系统的设计分为电路设计和软件设计。电路设计也就是PLC控制电路的设计，即输入输出元件的有机组合。PLC替代了很多传统控制系统中的中间继电器，不仅优化了电路结构，也提高了系统的可靠性。

　　从本质来讲，基于PLC的架车机电气控制系统的控制思路仍然与利用中间继电器控制系统是一致的，只是在控制手段上采用了先进的可编程控制器。对于位移信号反馈功能采用了比较先进的增量编码器，这样就保证速度信号传输的准确性与可靠性。PLC控制系统的电路图见图3。

图3 PLC电路设计

　　1.2.3 PLC的I／O点说明

　　PLC的I／O端口的使用直接影响程序的编写，表1是各元器件对应端口及其功能说明。

　　根据表1可知，PLC输入输出端口数目满足使用要求，可以实现预期功能，后期的改进或者其他功能的实现可以通过扩展模块实现。

2 架车机电气控制系统软件设计

　　2.1 软件功能分析

　　PLC同步控制程序实现的功能需符合2000年铁道部颁发的中华人民共和国TB／T1686—2000行业标准，即需要有高度显示、两杆超差过大自动调整、托头超过极限位置自动报警等功能。

　　架车机电气控制系统的高度显示通过威纶MT6070ik型触摸式文本控制器显示，同步功能通过同步控制程序实现，报警通过蜂鸣器报警以及文本控制器提示两者结合实现。其功能流程图见图4。

图4功能漉程圈

　　2.2 软件设计

　　2.2.1 PLC部分程序编写

　　系统通过梯形图来编写PLC程序，其本质与其他语言相同，即通过一定的逻辑语句与关系来实现预定的功能。图5表示架车机同步控制程序中高度数据采集部分的梯形图。

图5 高度数据采集梯形图

　　在程序实现计数功能之前，需对PLC的扫描周期与编码器反馈的脉冲周期进行比较。若PLC的扫描周期大于编码器的脉冲周期需采用高速计数器。

　　架车机使用鼠笼三相异步电机，额定转速为Ne=1 440 r／min，额定功率为P_e=4 kW；减速器减速比为n=71；丝杠升程为h=12 mm／r；编码器每转脉冲120个。

　　2.2.2 文本控制器界面设计

　　控制界面主要包括高度柱状图显示模块，设定高度模块以及报警显示模块。该控制界面采用与威纶MT60TOik配套使用的EB8000 Project Manager软件进行开发，EB8000具有丰富的模块，支持多类型PLC的通信，兼容性好。

　　控制界面的系统结构见图6。操作界面采用的是17.78cm(7 in)触摸屏，柱状图显示清晰，高度设定方便可靠，报警即时有效。

3 结束语

　　通过在机务段的实际使用，表明该型架机车使用性能完全满足机车检修与组装的使用需求；其稳定的性能、可靠精度、友好操作极大方便来操作人员的使用，降低劳动成本，提高工作效率，具有一定推广意义。