一種基于PLC的升降平臺控制系統設計

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，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。主線負責將起始工位（清洗工位）的輸出筐（裝有閥體部件），經識別分類（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，采用雙層設計，上下層之間通過升降平臺實現框的轉移。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。

1 升降平臺控制系統原理

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

2 升降平臺控制系統設備選型

滾珠絲杠規格：直徑d=3.2 cm；導程LPB=0.5 cm；行程L=60 cm；密度ρ=7.85 g/cm3。

工作臺：質量m0=20 kg；導軌摩擦系數μ=0.06；效率σ=0.85～0.95。

標準框：m1=50 kg（含閥體）。

步進電機：步距角θ=1.8°。

運行速度：v=1 mm/s。

驅動器：細分數為1 000（電機轉一圈脈沖數）。

1）滾珠絲杠脈沖當量。計算公式為

2）脈沖數。運行速度換算為脈沖數為40 000 p/s，即40 kHz。

3）等效負載計算。空載時摩擦負載轉矩為

升降過程摩擦負載轉矩

4）空載時等效轉動慣量。滾珠絲杠的轉動慣量為

工作臺運動慣量為

換算到電機軸上的總轉動慣量為

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，相數為2，步距角為1.8°，靜轉矩為4 N·m，電流為4 A，轉動慣量為1 400 g·cm2。

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

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

西門子S7-200SMARTPLC具有精良的設計和可靠的性能。CPU模塊分為標準型和經濟型，標準型用于復雜工業領域，經濟型用于簡單工業領域。標準型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，對于大部分小型自動化設備的控制需求均可滿足。經濟型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，包括自由設置運動包絡。輸入輸出點統計見表1。

表1 PL C輸入輸出點統計

由表1可知，本系統涉及的數字量輸入點4個，數字量輸出點4個，運動軸1個。因此，選用ST20型號。訂貨號為6ES7 288-1ST20-0AA0。該型號的具體技術指標：程序存儲區為12 K B，數據存儲區為8 K B，保持存儲區為10 K B，本機I/O數量為12I/8O，過程影像區大小為256位輸入/256位輸出，位存儲區大小為32 B，運動軸個數為4@100 kHz，非保持的定時器數量為192個，保持的定時器數量為64個，計數器數量為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，當升降平臺到達極限位置時自動停止。本系統選用槽形光電開關作為極限位置傳感器。光電開關的基本工作原理如下。

光電開關也稱光電傳感器，將發射、接收端之間光的強弱變化轉化為電流的變化，再通過信號處理實現探測。一般采用冷光源，比如藍色光、紅色光、紅外光等。通過脈沖調制實現主動式光電探測。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、可調檢測距離、抗光電磁干擾能力強等優點。

本系統選用嘉準的槽形光電開關FC-SPX303P。接線原理見圖2。

圖2 光電開關接線原理圖

3 升降平臺控制系統設計

1）電氣設計。本系統主要由西門子S7-200 SMARTPLC、步進電機與驅動器構成。其中，PLC由直流24 V供電，驅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。本系統采用STEP7-Micro/WINSmart編程軟件中的運動控制向導，對被選用的軸進行組態，具體步驟：一是選擇要組態的軸，本系統選用“軸0”；二是測量系統，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”設置為40 000，其余選型默認；七是其余選項均默認，最終在“完成”頁面，選擇“生成”，完成配置。

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

圖3 升降平臺控制程序設計流程圖

在初始化指令_CTRL中，MOD_EN參數必須置為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參數為沿觸發，運動軸將執行GOTO命令。START參數為1時，同時運動軸處于空閑狀態，則每次程序掃描該子例程時，運動軸均執行一次GOTO命令。START參數采用上升沿觸發。MODE參數表示移動的類型：0代表絕對位置，1代表相對位置，2代表單速連續正向旋轉，3代表單速連續反向旋轉，本系統選擇1。SPEED參數表示要設定的速度值，POS參數表示要設定的脈沖數。

綜上所述，本系統采用PLC作為控制器對驅動器施加一定頻率的脈沖數，驅動步進電機帶動滾珠絲杠滑臺上下運動，從而實現升降控制。本系統設計簡單可靠，達到了預期效果。