一種基于PLC的升降平臺控制系統(tǒng)設(shè)計

史志鵬，馬 聰，曹 峻，楊 倩，溫美玲，杜 超，張 煒

（中國電子科技集團公司第三十三研究所，山西 太原 030032）

鐵路貨車120制動閥的檢修采用流水線作業(yè)，各工位按照檢修工藝進行排布，一般情況下，流水線采用主線與支線模式。主線負(fù)責(zé)將起始工位（清洗工位）的輸出筐（裝有閥體部件），經(jīng)識別分類（布置在主線與支線的交匯處）傳送至各支線。各支線按照檢修工藝布置檢修工位。對于往返需求的主支線，采用雙層設(shè)計，上下層之間通過升降平臺實現(xiàn)框的轉(zhuǎn)移。本文針對升降平臺的升降控制，提出一種基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的控制系統(tǒng)。

1 升降平臺控制系統(tǒng)原理

升降平臺采用步進電機驅(qū)動滾珠絲杠方式實現(xiàn)升降，控制系統(tǒng)采用西門子S7-200 SMART PLC[1]作為控制器，通過脈沖和方向控制方式連接驅(qū)動器，進而驅(qū)動步進電機，系統(tǒng)原理見圖1。

2 升降平臺控制系統(tǒng)設(shè)備選型

滾珠絲杠規(guī)格：直徑d=3.2 cm；導(dǎo)程LPB=0.5 cm；行程L=60 cm；密度ρ=7.85 g/cm3。

工作臺：質(zhì)量m0=20 kg；導(dǎo)軌摩擦系數(shù)μ=0.06；效率σ=0.85～0.95。

標(biāo)準(zhǔn)框：m1=50 kg（含閥體）。

步進電機：步距角θ=1.8°。

運行速度：v=1 mm/s。

驅(qū)動器：細分?jǐn)?shù)為1 000（電機轉(zhuǎn)一圈脈沖數(shù)）。

1）滾珠絲杠脈沖當(dāng)量。計算公式為

2）脈沖數(shù)。運行速度換算為脈沖數(shù)為40 000 p/s，即40 kHz。

3）等效負(fù)載計算。空載時摩擦負(fù)載轉(zhuǎn)矩為

升降過程摩擦負(fù)載轉(zhuǎn)矩

4）空載時等效轉(zhuǎn)動慣量。滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為

工作臺運動慣量為

換算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為

5）步進電機選型。為了使步進電機具有良好的啟動能力及較快的響應(yīng)速度，步進電機需滿足兩個條件，分別為

由式（7）和式（8），可得

選用86HBP80AL4S型步進電機，相數(shù)為2，步距角為1.8°，靜轉(zhuǎn)矩為4 N·m，電流為4 A，轉(zhuǎn)動慣量為1 400 g·cm2。

6）PLC選型。PLC采用西門子S7-200 SMART PLC，驅(qū)動器選擇北京時代超群的ZD-2HA860WL。

西門子S7-200 SMART PLC屬于經(jīng)濟型PLC，專門針對中國小規(guī)模自動化場景研制，集合了西門子千萬工程師的共同智慧用以應(yīng)對中國自動化原始設(shè)備制造商（Original Equipment Manufacturer，OEM）市場的急速增長，能夠為各行業(yè)提供可靠的自動化控制產(chǎn)品和解決方案。該類型PLC機型多樣、選件豐富、軟件友好[1]。

西門子S7-200SMARTPLC具有精良的設(shè)計和可靠的性能。CPU模塊分為標(biāo)準(zhǔn)型和經(jīng)濟型，標(biāo)準(zhǔn)型用于復(fù)雜工業(yè)領(lǐng)域，經(jīng)濟型用于簡單工業(yè)領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)型CPU模塊具有可擴展性，最大可擴展到188點，可滿足多I/O控制任務(wù)，對于大部分小型自動化設(shè)備的控制需求均可滿足。經(jīng)濟型CPU模塊僅通過單機本體滿足控制需求。CPU模塊本體最多可提供3路頻率100 kHz高速脈沖輸出，同時支持脈沖串輸出（Pulse Train Output，PTO）脈沖控制模式/脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）模擬量控制模式的輸出方式以及多種運動模式，包括自由設(shè)置運動包絡(luò)。輸入輸出點統(tǒng)計見表1。

表1 PL C輸入輸出點統(tǒng)計

由表1可知，本系統(tǒng)涉及的數(shù)字量輸入點4個，數(shù)字量輸出點4個，運動軸1個。因此，選用ST20型號。訂貨號為6ES7 288-1ST20-0AA0。該型號的具體技術(shù)指標(biāo)：程序存儲區(qū)為12 K B，數(shù)據(jù)存儲區(qū)為8 K B，保持存儲區(qū)為10 K B，本機I/O數(shù)量為12I/8O，過程影像區(qū)大小為256位輸入/256位輸出，位存儲區(qū)大小為32 B，運動軸個數(shù)為4@100 kHz，非保持的定時器數(shù)量為192個，保持的定時器數(shù)量為64個，計數(shù)器數(shù)量為256個，供電能力為740 mA（直流5 V）。地址分配見表2。

表2 PL C I/O地址分配表

7）傳感器選型。升降平臺上升、下降均有極限位置限制，當(dāng)升降平臺到達極限位置時自動停止。本系統(tǒng)選用槽形光電開關(guān)作為極限位置傳感器。光電開關(guān)的基本工作原理如下。

光電開關(guān)也稱光電傳感器，將發(fā)射、接收端之間光的強弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，再通過信號處理實現(xiàn)探測。一般采用冷光源，比如藍色光、紅色光、紅外光等。通過脈沖調(diào)制實現(xiàn)主動式光電探測。探測方式為非接觸式，該傳感器具有高精度、長壽命、快速響應(yīng)、可調(diào)檢測距離、抗光電磁干擾能力強等優(yōu)點。

本系統(tǒng)選用嘉準(zhǔn)的槽形光電開關(guān)FC-SPX303P。接線原理見圖2。

圖2 光電開關(guān)接線原理圖

3 升降平臺控制系統(tǒng)設(shè)計

1）電氣設(shè)計。本系統(tǒng)主要由西門子S7-200 SMARTPLC、步進電機與驅(qū)動器構(gòu)成。其中，PLC由直流24 V供電，驅(qū)動器的線圈部分采用直流48 V供電，A+，A-，B+，B-分別于步進電機的A，B線圈連接，另外電機剎車由獨立的直流24 V供電。驅(qū)動器的方向信號DIR+與PLC的DQa1連接，脈沖信號PUL+與PLC的DQa0連接，DIR-，PUL-，ENA-接0 V，其余端子懸空。

2）PLC運動組態(tài)。本系統(tǒng)采用STEP7-Micro/WINSmart編程軟件中的運動控制向?qū)В瑢Ρ贿x用的軸進行組態(tài)，具體步驟：一是選擇要組態(tài)的軸，本系統(tǒng)選用“軸0”；二是測量系統(tǒng)，選擇“相對脈沖”；三是方向控制，“相位”選擇“單向（2輸出）”，“極性”選擇“正”；四是輸入，“LM+”“LM-”選擇啟用；五是輸出，“DIS”選擇啟用；六是電機速度，“最大值”設(shè)置為40 000，其余選型默認(rèn)；七是其余選項均默認(rèn)，最終在“完成”頁面，選擇“生成”，完成配置。

3）程序設(shè)計。本系統(tǒng)采用STEP7-Micro/WIN Smart編程軟件進行梯形圖設(shè)計。該軟件主要完成初始化、升降指令觸發(fā)、剎車控制、GOTO指令等功能，設(shè)計流程見圖3。

圖3 升降平臺控制程序設(shè)計流程圖

在初始化指令_CTRL中，MOD_EN參數(shù)必須置為1，啟用其他運動控制子例程才能生效。如果MOD_EN參數(shù)為0，則運動軸的任何指令都將中止，直到減速停止[1]。在指令_GOTO中，開啟START參數(shù)為沿觸發(fā)，運動軸將執(zhí)行GOTO命令。START參數(shù)為1時，同時運動軸處于空閑狀態(tài)，則每次程序掃描該子例程時，運動軸均執(zhí)行一次GOTO命令。START參數(shù)采用上升沿觸發(fā)。MODE參數(shù)表示移動的類型：0代表絕對位置，1代表相對位置，2代表單速連續(xù)正向旋轉(zhuǎn)，3代表單速連續(xù)反向旋轉(zhuǎn)，本系統(tǒng)選擇1。SPEED參數(shù)表示要設(shè)定的速度值，POS參數(shù)表示要設(shè)定的脈沖數(shù)。

綜上所述，本系統(tǒng)采用PLC作為控制器對驅(qū)動器施加一定頻率的脈沖數(shù)，驅(qū)動步進電機帶動滾珠絲杠滑臺上下運動，從而實現(xiàn)升降控制。本系統(tǒng)設(shè)計簡單可靠，達到了預(yù)期效果。