西门子模块6ES7223-1BF22-0XA8参数介绍1 引言 目前，随着我国经济的发展，铁路运输的紧张状况将愈来愈突出，为解决铁路运输紧张的局面，铁道部提出提速问题。但随着车速的提高，车轮轴承温升问题愈发重要。这就需要加强对轴承温升的监控。当有火车经过时，其自身不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，利用安装于钢轨两侧的热像仪吸收车轮发出的这种红外辐射能量，将其热像显示在荧光屏上，从而准确判断物体表面的温度分布情况,对温升超标的车轴实时报警，避免由于车轴热切而造成列车脱轨或颠覆等事故的发生。本文采用PLC控制步进电机驱动热像仪来检测车轮轴温。2 系统设计 现代的运动控制方法主要有直流伺服驱动、交流伺服驱动、步进伺服驱动。其中交流伺服驱动的性能好，但价格较高。随着步进伺服驱动控制技术迅速发展，步进伺服驱动细分精度日益提高，且逐步克服了振荡，失步的不足，其性价比大幅度提高。步进电机可直接用数字信号控制，无需反馈可开环工作，无累积定位误差，控制精度高，因此被广泛用于数字控制和计算机控制等精密定位的控制系统中。 可编程序控制器PLC是一种适于工业现场控制的技术平台。PLC综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术，使用面向过程、面向用户的简单编程语言，用户可通过软件设计，实现各种复杂的逻辑控制。PLC具有较好的实时刷新功能，可以产生一定频率的脉冲信号，而且PLC具有大功率的晶体管输出接口，能够满足步进电机绕组的电压和电流要求。因此，本系统采用可编程控制器(PLC)为控制核心，步进电动机为执行元件、传感器为检测元件的新型系统，实现对温升的检测，系统的结构如图1所示。图1 系统结构图 当有火车驶来时，传感器将检测到的速度脉冲信号送入PLC接口X0，PLC根据这个脉冲信号计算出相应的火车速度，并输出一个相应的速度脉冲信号给步进电机驱动器，驱动器控制步进电机，使其驱动热像仪做半圆周运动，当热象仪速度与火车速度相同或相近时，对火车车轮进行跟踪拍照，从而确定车轮轴温。红外探测器沿铁轨进行布置;热像仪安放在离车轨距离约1m的架子上。 用于步进电机的角位移与输入脉冲的个数成正比;转速与脉冲频率成正比;转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。因此利用PLC可产生一定周期的控制脉冲，使移位寄存器移位，产生相应时序，通过环形分配器使输出继电器按时序接通驱动步进电机并由计数器控制脉冲个数，使步进电机按一定速度，转动一定的角度。根据功能要求，综合考虑步进电机的性能，选择两相混合步进电动机2S42，步距角，相电流1.2A，保持力矩0.32Nm，用于驱动热象仪;步进电机驱动器选用2M412，电源电压DC为18V~36V，它根据PLC的控制指令对电机实现脉冲和方向控制。PLC对电机的控制有两种方式，一种是脉冲+方向控制(Y0、Y2输出脉冲、Y1、Y3输出方向)，一种是正反向脉冲输出(Y0输出CW脉冲，Yl输出CCW脉冲)，我们采用种方法。3 控制系统的实现 在本系统中，如何使PLC根据脉冲宽度计算出火车的相应速度是十分关键的。我们选用台达PLC DVP16EH00T，共8点输入(X0~X7)，8点输出(YO~Y7)，控制步进电机的工作状态和转速;除具有一般逻辑控制与运算功能、PLSY脉冲直接输出等外，更重要的是它的SPD脉冲速度侦测功能，可以方便的用来测量车速。SPD的控制格式:当控制信号为ON时，D1计算由X0所输入的高速脉波，40ms之后自动停止计算，结果被存于D0中，40ms计时完毕时，D1内容被清除为0，当控制信号再度为ON时，D1重新接受计数。SPD指令主要目的在求出回转速度的比例值，而测得之D0的结果与回转速度成比例，由下列公式求得电机转速[2]。式中: N:转速; n:旋转设备转一圈所产生的脉波数; t:侦测时间(ms)。系统的控制接线图如图2所示，I/O口及其功能如表1所示。图2 系统控制接线图表1 系统中各I/O功能表4 系统软件设计步进电机工作都要经过加速→高速→减速→低速→停止的过程，它的脉冲频率特性如图3示。其中0a段为加速阶段，由0加速到f1;ab段为高速(匀速)运行阶段;bc段为减速运行阶段，由f1减速到f2;cd段为低速运行阶段，直至到d点停止。图3 脉冲频率特性PLSR指令为附加减速功能的脉冲输出指令，通过设定脉冲输出的大频率值，全部脉冲输出的总脉冲数和加减速的时间，来控制步进电机的速率及转向。该指令的加减速的变速段数固定为10段，输出时以每次增加S1/10的频率开始输出脉冲，每个频率输出脉冲的时间都是固定S3/9。图4是根据电气控制原理，结合PLC的程序设计方法和生产工艺要求，设计的控制软件程序流程图。图4 运行时序图5 结束语 本文针对火车车轮轴温检测，设计的基于可编程控制器和步进电机的控制系统，实现了对火车车轮轴承的自动拍照，具有控制简单、运行稳定可靠、开发周期短等优点，是一种切实可行的步进电机控制方案。引言 用可编程控制器（PLC）产生各种步进脉冲驱动步进电机去达到各种控制、测试目的己屡见不鲜了。步进电机由于具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，成了工控的主要执行元件之一，尤其是在jingque定位场合中得到了广泛的应用。但近年来，人们更关注的却是它的变频特性。由于事物变化的不均匀性，定频技术越来越显示出它的局限性，而变频技术却能很好地适应各种随机变化的系统。 PLC对步进电机的控制 PLC是广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。为了配合步进电机的控制，许多PLC都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行控制，图1是松下FP0-C16T晶体管输出型PLC的输出电路结构。图1 PLC输出电路图 FP0-C16T型PLC有两个脉冲输出端Y0和Y1端，随着控制方式的不同，有三种脉冲输出形式。 ·这两个脉冲输出端可以用来作为两个不带加减速的单相脉冲输出端，主要使用PLS和SPD1指令进行控制，颠率范围为0Hz_10KHz，可以连续输出，也可以脉冲中形式输出，可以同时单独输出。 ·可以作为两相可变占空比的连续脉冲输出端，主要使用PWM指令控制，占空比设置范围为0%_。频率设置范围0.1Hz_999.9Hz。 ·可以作为带梯形加减速的两相脉冲输出，主要使用PULS和SPD1指令控制，频率变化范围0Hz_10KHz，加减速率10Hz／10ms_10KHz／10ms，可以连续输出，也可以脉冲串形式输出，这里又分为两种控制方式，一种是脉冲+方向控制(Y0、Y1输出脉冲，Y2、Y3输出方向)，一种是正反向脉冲输出(Y0输出CW脉冲，Y1输出CCW脉冲)。如果使用Y0、Y2分别进行脉冲、方向控制，控制系统如图2所示。如果使用Y0作为脉冲输出，可以通过如图3所示的方法实现两相脉冲输出。图2 脉冲、方向输出图图3 双脉冲输出图 PLC控制步进电机在送经装置上的应用 采用PLC控制的步进电机的变频特性运用在纺织机的送经装置中很好地解决了经纱内部张力不均匀的问题，使产品的质量产生了质的飞跃。 经纱张力信号检测 本装置是通过检测后梁的摆动是否超出范围来检测经纱张力的波动是否满足要求，不满足要求时就控制送经装置予以调整。如图4，当经纱2的张力发生波动时，活动后梁4带动张力感应杆5绕点O摆动。当检测片6进入接近开关7的有效作用区时，接近开关7就发出一高电平信号。以PLC为核心的控制器根据这一信号和主轴位置信号，启动步进电机13，驱动织轴送出经纱。接近开关7’是极限张力检测开关。当经纱张力过大或过小时，检测片6将遮挡接近开关7’，7’输出的高电平信号到控制器后，控制器就会关掉织机，以便进行人工处理。主轴位置的检测是为了控制送经运动的允许时间，以避开打纬，保证纬纱能被打紧。主轴位置的检测同样采用的是接近开关非接触式检测。图4 送经装置结构图 织轴驱动系统 织轴驱动系统由步进电机驱动器、步进电机、蜗轮减速器和织轴四部份组成。它的作用原理是：控制系统送来的信号经驱动放大处理后，驱动步进电机转动，然后经过减速器减速，再传动织轴，放出经纱。 对于织机送经机构，其负载特点是：当步进电机正转送出经纱时，经纱张力不是负载阻力，而是驱动力。因此步进电机只需输出较小力矩，克服蜗杆蜗轮自锁性，织轴即可回转经。此时步进电机转速可能较高(由纬密定)；当步进电机反转张紧经纱时，经纱张力是负载阻力，步进电机需输出较大的驱动转矩，而此时步进电机转速要求较低，步进电机的输出矩频特性(如图5虚线所示)正好与其相适应。因此、步进电机非常适合于这类伺服机构低转速大转矩、高转速小转矩和高精度的要求，是织机送经机构理想的驱动元件。 图5 织机送经装置负载转矩图 送经装置采用的是2相56系列步进电机DM5676A。它的技术指标如下：步距角：1.8_；相电流：2.0A；保持转矩：1.35Nm；静转矩：0.07Nm；转动惯量：4.6*10-5Kgm2。反应式步进电机具有结构简单，经久耐用，力矩－惯性比高、步进频率高、响应快、步距角小等优点，是目前国内外应用多的一种步进电机。 由于步进电机调速方便、调速范围宽，所以步进电机送经装置不用变换齿轮也能满足纬密2_120根/cm。电子送经装置则不能做到这一点，在此纬密范围内至少需要三档变换齿轮。步进电机送经装置的技术指标如下： 新型无梭织机 1515PRJ剑杆织机 织物纬密Pw(根／cm) 2_120 220_800 10_495 经纱张力T（N） 3920 3920 织机转速N(r／min) 200_400 150_250 结语 实验效果表明，本文研制的步进电机送经装置性能良好，工作可靠。配上多种功能的人机界面后可以实现织轴收放经纱的可视化操作，改变纬密的键盘输入，防止开车横挡，出现异常情况时自动关车报警等功能2 系统功能设计 系统主要实现PLC与计算机的通讯，具体主要完成PC机指令下传、监测PLC状态、接收PLC信息等功 能。系统组成：小型PLC一台、RS232串口、编程电缆、通讯界面。主操作界面在完成系统功能的前提下，力求明了直观，操作简单灵活方便。系统以VC++6.0为平台，设计的界面如图2所示。图2 系统界面 本程序设计了四个串口可供选择，只有在选择串口之后才可进行“打开串口，关闭串口”的操作，当打开串口以后，就可以对PLC进行相应的操作了，为了使界面整洁干净，特别设计了“清空发送区”和“清空接收区”选项，当发送数据和接收数据放满编辑框时只需点击这两个按钮，数据就会清空。且实现代码相当简单，m_sSend．Empty()、m_sReceive．Empty()就可轻松实现这一任务。 PC机与PLC的通讯程序流程图如图3所示。图3 PC机与PLC的通讯流程图 系统通信控制程序采用了MSComm控件。此控件提供了两种通信方法：①文件驱动，即用MSComm控件的OnComm文件捕获并处理通信事件和错误，它是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法；②查询方式，通过查询串口属性来获得事件和错误，实质上还是属于事件驱动，但在有些情况下显得更为便捷。MSComm6.0控件的属性：①CommPort，设置或返回通信端口号；②Settings，以字符串的形式设置或返回波特率、奇偶校验、数据位和停止位；③PortOpen，设置或返回通信端口的状态，也可以打开和关闭端口；④bbbbb，返回和删除接收缓冲区中的字符；⑤bbbbbMode，设置或返回bbbbb属性取回的数据的类型，数据取回的形式为字符串或二进制数据的数组；⑥CommEvent返回近的通信事件或错误的数字代码，通信程序设计时可以根据该属性值执行不同的操作，在运行时为只写；⑦Output，将字符串写入发送缓冲区。 MSComm6.0控件只有一个事件，即Oncomm事件。在通信时如果发生错误或者事件，将会引发Oneomm事件并且改变其属性值，通过GetCommEvent()可获得Oncomm产生事件或错误的代码。在与PLC进行通信的过程中，使用MSComm6.0控件可以自动完成PLC对计算机发送信息的接收，终实现PC机对PLC的状态检测。 软件实现过程：FX2N系列的PLC与计算机之间的通信采用RS-232C标准，其传输速率固定为9 600bps，奇偶校验位采用偶校验。数据以帧为单位发送和接收。PC机向PLC中写数据时首先需对串口进行初始化，并对波特率、校验位等进行设置，然后根据通信协议对PLC进行相应的读写、复位、置位等操作，PLC根据PC机送来的控制字进行相应的操作。数据发送，采用专用发送指令XMT TABLE，CommPort，其中TABLE为发送缓冲区的首地址，首地址中保存要发送的字节数，即数据长度，大为255，其后的地址中保存要发送的数据，CommPort指定用于发送的端口。对于数据接收，使用接收指令RCV TABLE，CommPort，接收指令激活初始化或结束接收信息，通过制定端口接收信息并存储于数据缓冲区中，数据缓冲区的个数据指明了接收的字节数。3 系统功能验证 将计算机用通讯电缆与PLC相连后，首先发送请求05H以后，验证计算机与PLC是否可以正常通信，接收区显示06，表示PLC对ENQ的确定回答，即PLC已准备好，可以进行下面的操作，具体如图4和图5。 这里主要对PLC读值功能进行验证。读操作命令格式如下： STX—CMD0一数据段一ETX—SUMH—SUML 在按上述命令格式发送相应的代码后，就可直接读取PLC响应的信息了。响应信息格式如下： STX—DATA—ETX—SUMH—SUML 图6和图7分别是对PLC进行读值验证时发送数据和接收数据的显示。图6 发送数据显示图7 接收数据显示 其中接收数据显示中的，是对x软地址值(0080H)读取后接收到的数据。具体算法如下： nSUMLx=(0X30+0X30+0X03)％16=3