1 引言
目前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路運(yùn)輸?shù)木o張狀況將愈來愈突出，為解決鐵路運(yùn)輸緊張的局面，鐵道部提出提速問題。但隨著車速的提高，車輪軸承溫升問題愈發(fā)重要。這就需要加強(qiáng)對(duì)軸承溫升的監(jiān)控。
當(dāng)有火車經(jīng)過時(shí)，其自身不停地向外輻射紅外熱能，從而在物體表面形成一定的溫度場(chǎng)，利用安裝于鋼軌兩側(cè)的熱像儀吸收車輪發(fā)出的這種紅外輻射能量，將其熱像顯示在熒光屏上，從而準(zhǔn)確判斷物體表面的溫度分布情況,對(duì)溫升超標(biāo)的車軸實(shí)時(shí)報(bào)警，避免由于車軸熱切而造成列車脫軌或顛覆等事故的發(fā)生。本文采用PLC控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)熱像儀來檢測(cè)車輪軸溫。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
現(xiàn)代的運(yùn)動(dòng)控制方法主要有直流伺服驅(qū)動(dòng)、交流伺服驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)。其中交流伺服驅(qū)動(dòng)的性能最好，但價(jià)格較高。隨著步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)迅速發(fā)展，步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)細(xì)分精度日益提高，且逐步克服了振蕩，失步的不足，其性價(jià)比大幅度提高。步進(jìn)電機(jī)可直接用數(shù)字信號(hào)控制，無需反饋可開環(huán)工作，無累積定位誤差，控制精度高，因此被廣泛用于數(shù)字控制和計(jì)算機(jī)控制等精密定位的控制系統(tǒng)中。
可編程序控制器PLC是一種適于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的技術(shù)平臺(tái)。PLC綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)，使用面向過程、面向用戶的簡(jiǎn)單編程語(yǔ)言，用戶可通過軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯控制。PLC具有較好的實(shí)時(shí)刷新功能，可以產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，而且PLC具有大功率的晶體管輸出接口，能夠滿足步進(jìn)電機(jī)繞組的電壓和電流要求。因此，本系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)為控制核心，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行元件、傳感器為檢測(cè)元件的新型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫升的檢測(cè)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
當(dāng)有火車駛來時(shí)，傳感器將檢測(cè)到的速度脈沖信號(hào)送入PLC接口X0，PLC根據(jù)這個(gè)脈沖信號(hào)計(jì)算出相應(yīng)的火車速度，并輸出一個(gè)相應(yīng)的速度脈沖信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)，使其驅(qū)動(dòng)熱像儀做半圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)熱象儀速度與火車速度相同或相近時(shí)，對(duì)火車車輪進(jìn)行跟蹤拍照，從而確定車輪軸溫。紅外探測(cè)器沿鐵軌進(jìn)行布置;熱像儀安放在離車軌距離約1m的架子上。
用于步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖的個(gè)數(shù)成正比;轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比;轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。因此利用PLC可產(chǎn)生一定周期的控制脈沖，使移位寄存器移位，產(chǎn)生相應(yīng)時(shí)序，通過環(huán)形分配器使輸出繼電器按時(shí)序接通驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)并由計(jì)數(shù)器控制脈沖個(gè)數(shù)，使步進(jìn)電機(jī)按一定速度，轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。根據(jù)功能要求，綜合考慮步進(jìn)電機(jī)的性能，選擇兩相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2S42Q-03848，步距角，相電流1.2A，保持力矩0.32Nm，用于驅(qū)動(dòng)熱象儀;步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用2M412，電源電壓DC為18V~36V，它根據(jù)PLC的控制指令對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)脈沖和方向控制。PLC對(duì)電機(jī)的控制有兩種方式，一種是脈沖+方向控制(Y0、Y2輸出脈沖、Y1、Y3輸出方向)，一種是正反向脈沖輸出(Y0輸出CW脈沖，Yl輸出CCW脈沖)，我們采用第一種方法。
3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
在本系統(tǒng)中，如何使PLC根據(jù)脈沖寬度計(jì)算出火車的相應(yīng)速度是十分關(guān)鍵的。我們選用臺(tái)達(dá)PLC DVP16EH00T，共8點(diǎn)輸入(X0~X7)，8點(diǎn)輸出(YO~Y7)，控制步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速;除具有一般邏輯控制與運(yùn)算功能、PLSY脈沖直接輸出等外，更重要的是它的SPD脈沖速度偵測(cè)功能，可以方便的用來測(cè)量車速。
SPD的控制格式:
當(dāng)控制信號(hào)為ON時(shí)，D1計(jì)算由X0所輸入的高速脈波，40ms之后自動(dòng)停止計(jì)算，結(jié)果被存于D0中，40ms計(jì)時(shí)完畢時(shí)，D1內(nèi)容被清除為0，當(dāng)控制信號(hào)再度為ON時(shí)，D1重新接受計(jì)數(shù)。SPD指令主要目的在求出回轉(zhuǎn)速度的比例值，而測(cè)得之D0的結(jié)果與回轉(zhuǎn)速度成比例，由下列公式求得電機(jī)轉(zhuǎn)速[2]。
式中: N:轉(zhuǎn)速;
n:旋轉(zhuǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)一圈所產(chǎn)生的脈波數(shù);
t:偵測(cè)時(shí)間(ms)。
系統(tǒng)的控制接線圖如圖2所示，I/O口及其功能如表1所示。
圖2 系統(tǒng)控制接線圖
表1 系統(tǒng)中各I/O功能表
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)工作都要經(jīng)過加速→高速→減速→低速→停止的過程，它的脈沖頻率特性如圖3示。其中0a段為加速階段，由0加速到f1;ab段為高速(勻速)運(yùn)行階段;bc段為減速運(yùn)行階段，由f1減速到f2;cd段為低速運(yùn)行階段，直至到d點(diǎn)停止。
圖3 脈沖頻率特性
PLSR指令為附加減速功能的脈沖輸出指令，通過設(shè)定脈沖輸出的最大頻率值，全部脈沖輸出的總脈沖數(shù)和加減速的時(shí)間，來控制步進(jìn)電機(jī)的速率及轉(zhuǎn)向。該指令的加減速的變速段數(shù)固定為10段，輸出時(shí)以每次增加S1/10的頻率開始輸出脈沖，每個(gè)頻率輸出脈沖的時(shí)間都是固定S3/9。圖4是根據(jù)電氣控制原理，結(jié)合PLC的程序設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)工藝要求，設(shè)計(jì)的控制軟件程序流程圖。
圖4 運(yùn)行時(shí)序圖
5 結(jié)束語(yǔ)
本文針對(duì)火車車輪軸溫檢測(cè)，設(shè)計(jì)的基于可編程控制器和步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)火車車輪軸承的自動(dòng)拍照，具有控制簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，是一種切實(shí)可行的步進(jìn)電機(jī)控制方案。
