基于S7—200PLC技术的机车升降平台控制系统设计.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 2 ． 2 01 3 基于 S 7 2 0 0 P L C技术的机车 升降平台控制系统设计 侯云辉 ， 刘志奇， 卢菡涵， 刘振俊 太原科技大学 机电工程学院 ， 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 介绍 了一种接触 网作业 车立 柱升降平台姿态调整的改进方案 ， 此方 案能够保 证立 柱升降平 台作业 时平 台台面始终保持水平 ； 通过可视 的数字化操作方式运用触摸屏和 P L C来控制液压系统驱动机械机构实现平 台的升降 、 旋转 、 调平及复位动作 ． 为铁路工作人 员提供 了一套安全 、 方便 、 快捷的操作系统 ， 实现 了机电液一体化技术在铁路接触网作业车系统 良好应用。 关键词 接触网作业 车 ； 作业平台 ； P L C； 触摸屏 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 2 0 0 4 1 0 4 Th e De s i g n o f Co n t r o l S y s t e m f o r Lo c o mo t i v e s L i f t Pl a t f o r m wi t h S 7 2 0 0 PLC Te c h n o l o g y HO U Y u n h u i ， L I U Z h i - q i ， L U H a r t h a r t ， L I U Z h e n - j M n O 引言 中国铁路近年来飞速发展 ， 高速铁路大规模建设。 目前线路 曲线超高 由原来 的最高 1 5 0 m m 已提高 到超 高最大为 2 0 0 mm 见图 1 。开发适合高速铁路施工要 求 的 接触 网作 业 车 ．满 足 高速 铁 路 外 轨超 高 接 近 2 0 0 ram的情况下安全使用的产品显得极为迫切 。传统 的升降旋转平 台在曲线线路外轨超高的情况下 ，车身 会倾斜 ， 固定在其上 的立柱平台随之也跟着倾斜 见图 2 ， 升降平台地板面距轨面最高达 6 ． 8 m， 外轨超高最大 达 2 0 0 m m， 等同于倾斜角 7 ． 9 。 ， 作业人员 的安全受到很 大的威 胁 ， 特别是遇到下雪 、 冰冻的恶劣气候条 件 ， 作 业人员无法正常工作。另一方面立柱平 台在外轨超高 倾 角很 大的情况下 ， 立柱升降 、 平台旋转带 载作 业时 ， 机构功能实现的可靠性降低。 ⋯⋯⋯一一 皿 图 1 铁路外轨超高示意图 基金项 目 太原市大学生科技创新 项 目 1 2 0 1 6 4 0 0 5 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 0 2 作者简介 侯 云辉 1 9 8 6 一 ， 男 ， 山西大同人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为机电 液一体 化。 图 2接触 网作 业 车 立 柱 、 平 台 调 平机 构 二 维 示 意 图 1 接触网作业车姿态调整方案设计 本方案设计为 Z T A型接触 网作业车升降平 台 自 调平及检测控制系统利用液压系统驱动机械机构实现 接触网作业车车载作业平台的升降 、 旋转 、 调平及复位 动作 ， 还增设 了平台转角电子检测与控制 、 立柱升降电 子检测与控制 ，并与作业平 台调平系统一起组成一套 工作参数数字显示的计算机控制智能化接触网作业车 工作平台 见 图 3 。 由此解决 了以往平台回中位反复手 动点动 目测对 中操作 ， 简化了作业 、 节省作业时间。除 了传统 的万转开关操作 ， 触摸屏操作支持直接触摸升 、 降、 旋转按钮或键盘输入设定值 自动运行。实时以数值 与图形显示平台的各个姿态参数及状态 ，包括平台距 轨面高度、 平 台旋转角度． 平台倾斜角度。 Z T A型接触网作业车升降平台 自调平及检测控 制 系统采用西 门子 S 7 2 0 0 P L C和 WE I N V I E W 触摸屏 组成主、 副双屏控制模式 的自动控制系统 ； 以分别测量 位移 、 转角 、 倾角 2个 的 4个传感器输 出的电流信号 作为反馈信号 ， 构成闭环控制 系统 ； 通过控制液压 马达 41 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0l 3年 第 O 2期 驱动蜗轮蜗 杆升降机升降实现作业平 台的调平与复 位。 也可根据作业要求使平台倾斜某一角度。 在动力源 发生故障， 可采用手动方式将升降平台调平或复位 。实 时控制及显示平台的各个姿态参数及状态 ，实现机电 液一体化技术在接触 网作业车升降平台的良好应用。 l 一 液压马达2 一 丝杠3 一 蜗轮蜗杆4 一 联轴器5 一 大锥齿轮 6 一 小锥齿轮7 一 轴8 一 手轮9 一 立柱底座 1 O 一 立柱底座转盘从 动齿轮 1 1 一 液压缸 l 2 一 作业平台 1 3 一 套管立柱 1 4 一 主动齿 轮 1 5 一 作业车底架 l 6 一 平 台与车架间的连接轴 1 7 一 倾角传感器 l 8 一 液压马达 图 3 z T A型 接 触 网作 业 车作 业平 台立 体 简 图 1 ． 1 主要 组成 如 图 4所示 ， 自调 平及 检测 控 制系 统 主要 由液 压 系统 、 调平机构 、 电气 智能控制 系统组成。 通讯]制屏 ． 囡 姿态l 图 4控 制 系统 原 理 图 1 液压 系统包 括 液压泵 、 电磁换 向阀 、 液压 马 达、 升降油缸 、 管路等。是系统的执行机构 ， 用于驱动并 执行平台的调平 、 复位 、 升降 、 旋转动作。 2 调平 机构主要 由铰接底 座 、 蜗轮蜗杆升 降机 构 、 锥齿轮 、 安装支架 、 自救手柄等组成。同样作为系统 执行机构的一部分 ．该部分配合液压系统工作实现上 述基本动作。通过锥齿轮将蜗杆轴的驱动操作引到作 业车底架上来， 便于司机 自救操作。 3 电气 智能控制 系统包括平台倾角传感器 、 车 身倾角传感器 、 转角传感器、 高度传感器 、 主控制屏 位 于驾驶室 内 、 副控制屏 位 于平 台上 、 控制箱 包括 P L C、 信号采集模块、 控制电路板等 。其中， 4个传感器 作为系统 的反馈部分 向控制器反馈立柱平台与车身 的 倾角、 距轨面高度 、 转角等实时数据。人机界面作为操 作员与立柱平台控制 系统的交互界面 ，可实现人与设 4 2 备的信息交流 、 数据显示 、 图形显示 、 命令输入 、 参数设 定 、 手动触控等 。控制器作为整个系统的控制中枢 ， 通 过电子数控 向各个 电磁 阀发出命令信号从而实现对液 压及机械部分的控制 ，进而控制立柱平 台完成各项指 定动作。 1 ． 2调 平机构 方案 马达一 升降机调平机构 的设计 将平台套管立柱 的 底盘通过连接销轴与机车底板铰接 ，底盘的一侧安装 有一台由液压马达驱动的蜗轮蜗杆升降机 ，通过控制 液压马达的转动方向驱动蜗轮蜗杆升降机的升降从而 牵引底 盘以连接销轴为轴线摆动 ，实现平台的调平 和 复位动作 ；作业结束后同样可以通过控制蜗轮蜗杆升 降机 的升降将平 台调节至起始的与车身平行 的位置 ， 即平台的复位动作 。 升降立柱平台的安装底座通过连接销轴与作业车 底架铰接， 底座的一侧安装有一台由液压马达驱动的蜗 轮蜗杆升降机 ， 通过控制液压马达的转动方向驱动蜗轮 蜗杆升降机的升降从而实现平台的调平 ； 作业结束后同 样可以通过控制蜗轮蜗杆升降机的升降 ， 将平台调节至 与车身平行的起始位置 ， 即平台的复位动作。 国内普通的蜗轮蜗杆升降机体积大 ，无法在作业 车有限的车架空间安装。经反复调研 ， 确定采用圆弧圆 柱蜗杆传动 也称尼曼蜗杆 ， 与普通蜗杆传动相 比具 有体积小 ， 承载能力大 、 传动效率高 、 平稳灵活 、 可靠性 能好的特点，能按一定程序准确地控制提升高度或推 进调整。满足强度和接触精度的要求。 液压马达选用国际知名品牌 E A T O N产品 ． 该马达 转速范围大 ， 可在低速情况下 ， 输 出足够的扭 矩 ， 满足 调平机构输入扭矩及调整时间的要求。 1 ． 3自动调平 与复位 立柱底座上安装有倾角传感器 ，当车身出现倾斜 时， 传感器在第一时问检测到平台倾角 的变化 。 并将对 应这一角度变化值的电流信号通过 E M2 3 1 模块转换为 数字信号后传送到 P L C中，这些数字量经过一定的比 例运算转换成实际的倾角值 ，可在触摸屏上观测到这 个数值 ， 当测量数值超过一 0 ． 5 。0 ． 5 。 这一范围时， 控制器 向液压系统中对应 的电磁 阀发出指令 ，从而启动调平 液压马达正反转 ，液压马达带动蜗轮蜗杆升降机升或 降 ， 调节立柱底座 的角度直到上述倾角范围内， 系统将 默认平台达到平衡状态 ， 同时控制器发 出停止指令 ， 液 压系统停止工作。 平台复位动作 的 自动控制原理与 自动调平原理相 似 ，唯一 区别在于复位功能首先要同时检测平台和车 身的倾斜角度 ，然后通过控制蜗轮蜗杆升降机的升降 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 0 2期 基于变频液压技术的起竖系统 A ME S i m建模研究 邓 飙 ， 张 磊 ， 任建华 ， 于 杰 第二炮兵工程大学， 陕西 西安7 1 0 0 2 5 摘要 液压针对起竖系统液压回路节流 、 溢流损失大的问题 ， 提 出了变频容积调速和节流调速相结合 的复合调速方法 ， 用正弦加速度 函数法规划了角速度曲线 ， 进行了角速度跟踪控制的联合仿真研究 。 结果表明 ， 相对于传统 的节流调速 ， 复合调速 ‘ 法能够有效地减小 泵源输出流量 ， 提高系统能量利用率 。 关键词 变频容积调速 ； 起竖 系统 ； 角速度跟踪 ； A ME S i m； S i mu l i n k 中图分类号 T H 1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 2 0 0 4 4 0 3 AMES i m M od e l i ng S t ud y o f Er e c t i n g S y s t e m Ba s e d o n Va r i a b l e F r e q ue n c y Te c h no l o g y DE NG Bi a o ， Z HANG L e i ， RE N ∞ 一 h u a ， YU．1 i e S e c o n d A r t i l l e r y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ， X i ’ a n 7 1 0 0 2 5 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e g r e a t h y d r a u l i c r e s t ric t i o n a n d o v e r f l o w l o s s i n e r e c t i n g s y s t e m， t h e v a r i a b l e f r e q u e n c y v o l u me c o n t r o l w i t h t h e c o mb i n a t i o n o f r e s t r i c t i o n c o n t r o l me t h o d i s p u t f o r wa rd． T h e e r e c t i n g a n g l e v e l o c i t y i s ma r k e d o u t u s i n g s i n u s o i d o f a c c e l e r a t i o n ， a n d c o n d u c t t h e a n g u l a r v e l o c i t y t r a c k i n g c o n t r o l o f t h e j o i n t s i m u l a t i o n ．T h e r e s u h s s h o w t h a t ，c o mp a r e d w i t h t r a d i t i o n a l r e s t ri c t i o n c o n t r o l ， t h e c o mp o u n d me t h o d c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e p u mp s o u r c e o u t p u t fl o w， a n d i mp r o v e t h e s y s t e m e n e r g y u t i l i z a t i o n r a t i o ． Ke y wo r d s V／ F c o n t r o l ； e r e c t i n g s y s t e m ； a n gu l a r v e l o c i t y t r a c k i n g ； AME S i m ； S i mu l i n k O 引言 多级缸起竖系统是大惯量 、 低转 速 、 变负载系统 ， 传统液压回路采用节流调速方法 ， 存在节流、 溢流损失 大 ， 能量利用率不高的问题I l 2 】 。变频液压技术是一种节 能传动方式 ． 它省去复杂的变排量结构 ， 用变频器 普 通 电机 定量泵的形式 ， 通过控制变频器输入电压来改 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 0 6 作者简介 邓飙 1 9 6 9 一 ， 男 ， 湖北恩施人 ， 副教授 ， 博士 ， 研究方向为机电 控制 。 保护 ， 加强 了作业的安全可靠性 ， 提高了接触网作业车 的使用 性能 和技术 档次 。在 国 内工 程车领 域实 属首创 。 从近两年的接触网作业车招标情况看 ，也都要求 平 台具备 自调平功能 ，因而本系统具有 良好的应用前 景和广阔的市场前景 参 考 文 献 【 1 】 单亚男 ， 刘志奇 ， 武宗才 ， 侯 云辉 ． 接触 网作业 车 自动控制作 业平 台的实现『 J 1 ． 液压与气 动， 2 0 1 l ， 5 ． [ 2 】 吴艳萍． 接触 网作业车组静压走行双机联控电气控制技术【 J 】 ． 铁道机车车辆 ， 2 0 0 8 ， 5 ． 44 变泵的输 出流量 ， 以减小系统的节流和溢流损失 ， 从而 提高系统能量利用率『 3 _ 。 本文利用 A ME S i m软件和 S i m u l i n k软件建立恒压 频 比控制的起竖系统仿真模型 ，将节流调速和变频液 压技术有机的结合起来 。有效地解决了系统能量利用 率不高的问题。 1 系统介绍 起竖系统的简图如 图 1 所示。起竖系统 由机械 系 统 、 液压系统 、 控制系统三个子系统组成 。机械系统由 【 3 ] 屈子桓． T Y 2 B型接触 网作业 车立 柱设 计的研究[ J 】 ． 机 械工 程 与 自动化 ， 2 0 0 5 ， 5 ． I 4 1 郭选 庭 ， 许 治刚． 接触网作业车升降平 台的调平 装置 中国 ， 2 0 0 8 2 0 0 7 8 1 3 3 [ P ] ． 2 0 0 8 0 9 2 9 ． 『 5 】 蔡小亮 ， 罗益民 ， 等． 基 于 P L C和 Wi n C C的智能双腔测换 热 量系统l J 1 ． 化工 自动化及仪表 ， 2 0 1 0 ， 2 ． 『 6 ] Da v i d C a l c u t t 。F r e d C o w a n ， Ha s s a n P a r c h i z a d e h ． 8 0 5 1 i n s t r u c t i o n s e t [ J ] ． 8 0 5 1 Mi c r o c o n t r o l l e r s ． 2 0 0 4 ． 2 2 6 2 3 1 ． 『 7 ] D a v i d C a l c u t t ，F r e d Co wa n ， Ha s s a n P a r c h i z a d e h ． I n t r o d u c t i o n t o Mi e r o e o n t r o l l e r s [ J ] ． 8 0 5 1 M i c r o c o n t r o l l e r s ． 2 0 04． 1 2 7．