西门子6ES7136-6PA00-0BC0
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2S42Q-03848，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。
1 引言
某进口设备大面积的严重损坏。经过修理，更换了一大批电子元件，才勉强恢复原有的技术指标。但其工作已不是很可靠。由于该设备已停产，并且没有相关的代替设备.为配合生产需要，我们投入了对该设备的研制。原设备完全由晶体管电路构成，考虑到研制周期及可靠性等因素。我们决定采用PLC(Fx2N-32T)和触摸屏(MT506S)控制技术重新进行设计。
2 功能概述
该设备实质上就是一台专用的测控步进电机装置的设备。步进电机装置由步进电机及其相关电路组成。该设备功能包括:距离(工作步数)设定、启动、位置显示及清零，(自动、手动)连续或单次运行，(自动、手动)回原点，步进电机欠电流检测报警，原点到位显示等。
3 装置原理介绍
3.1 系统工作原理
系统工作原理如图1所示。图中触摸屏作为人机界面,用来显示并进行操作;PLC作为控制器,接收触摸屏的设定数据并进行逻辑处理,再控制步进电机。步进电机装置是受控对象，不能进行修改。它包括多种电源形式:步进电机工作在－24V三相双三拍直流矩形波的供电方式，还包括＋12V、－12V、+5V等电压和极性不同的信号。为了使多种信号的检测和驱动、步进电机装置相匹配，增加了信号的转换电路。
图1 系统工作原理框图
3.2 转换电路原理
信号转换电路的部分电路，如图2，3所示。
图2中,当5V或0V信号到达电阻R1后，通过光电耦合器使PLC输入1信号接通，此时电机回原点运行的过程中开始计数,记录运行步数。当+12V信号到达“±12V信号”后, 首先点亮发光管D6，然后通过光电耦合器U1-3使PLC输入3接通，指示到达原点，电机停止运行;当-12V信号到达“±12V信号”后,通过光电耦合器U1-2使PLC输入2接通，超出设定极限。当-12V信号到达“-12V信号2”通过光电耦合器U1-3使PLC输入接通，指示到达原点，电机停止运行。
图2 信号转换电路
图3 步进电机驱动电路
3.3 电流检测原理
在步进电机驱动器中，内置了电流检测电路。电机发生断电或欠电流运行时，发出报警信号，使系统停止运行。检测原理是利用三相双三拍步进电机的工作特性，在任意时刻均有两相得电。只要检测任意时刻流过公共地线的电流大于相应额定电流的2/3即可认为工作正常，如小于相应额定电流的2/3，则认为欠电流运行。电路原理和时序图，如图3，4所示。
图3中，R是电流检测电阻，C用于消除竞争。在图4中IN表示三相双三拍电机流过公共点电流检测电阻的额定工作电流;In表示检测电流的门限，In=2/3IN;I表示电机的实际工作电流。ALM表示欠电流报警。系统运行后，当I≥In时，ALM报警，直到故障排除，系统复位后报警解除。图4中的细实线表示ALM未报警时的时序图。
图4 电流波形图
3.4 触摸屏的软件设计
(1) 首页:打开电源开关后，提示输入登录密码。正确输入密码后，自动进入首页。设备进入准备状态。
(2) 输入窗口:输入窗口主要用于设定并进行操作。包括键盘和主要操作控件，操作者可以直接对设备进行操作。
(3) 配方数据窗口:对于经常用到的操作数据，可以按照提供的格式存放到配方卡记忆体里面,当需要时把它调出来，而不需要临时输入数据，可以大大地提高操作效率。
(4) 控制窗口:控制窗口主要用于对设备的基本功能的操作和显示。包括一个隐藏的小键盘窗口，可以在需要设定数据时弹出。
(5) 元件检查窗口:用于对PLC内部关键元件的监测，以便出错时查找故障。
(6) 梯形图检查窗口:用于对PLC梯形图的实时监控(由于MT506S不具备直接显示PLC内部梯形图的功能，故采用了单独制作显示PLC各元件的方法组合成关键部分梯形图)。
3.5 PLC的软件设计
PLC程序流程图如图5所示。
系统初始化后,完成了距离设定,选择运行方式后.再看系统是否有故障或是否到达原点。当完全准备妥后，分别执行自动或手动操作。在按设定距离执行自动往返运行的过程中，当中间执行断开操作后，系统保持运行方向，运行到设定距离，保持显示，然后停止运行;当执行复位操作后，系统首先运行显示归零(计数清零)，然后停止运行。在执行手动运行中，当到达设定距离后，系统保持显示，并停止运行;当运行中执行断开操作，方向不变，到达设定距离后，系统保持显示并停止运行;当执行复位操作，则运行显示归零(计数清零)，然后停止运行。
图5 PLC程序流程框图
4 结束语
控制器采用触摸屏和PLC来实现,缩短了开发周期，提高了运行的可靠性，尤其适合此类要求工程周期短，可靠性高，批量小的设备开发。另外，软件的灵活性还有利于设备的改造和升级。
图2 系统控制接线图
表1 系统中各I/O功能表
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。