基于PLC及变频技术的定位控制实现

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Realization of positioning control based on PLC and frequency conversion technologyZeng Xiao-song，Gong Bang-ming(School ofmechanical engineering，Southwest Jiaotong university，Chengdu Sichuan 610031，China)Abstract：The controling principle，hardware and software design，and communication methods of rail grinding machine CNCswing system are presented in this repo.The method that using the PLC，frequency convener and the AC variable-frequencysemi closed--loop feedback speed regulation system composed by rotary encoder realize the precise positioning control is dis-·cussed，and then the core problem of stepless speed and rotational positioning in this system is resolved，from which the otherpositioning system design can get certain reference。

Key words：rail grinding machine；PLC；frequency conversion；positioning control1 前 言单根标准长度的钢轨焊接在-起以后，由于焊接瘤等的存在，铁轨表面平直度是达不到要求的，采用数控钢轨精磨机进行仿形磨削是当前高精度、规模化加工的主要手段。

该精磨机主要由横梁系统和亿系统两部分组成，其中亿系统要求无级调速和旋转的精确定位，笔者应用 PLC、变频器及旋转编码器组成的交流变频半闭环反馈系统有效解决了这-问题。

2 数控钢轨精磨机亿系统简述数控钢轨精磨机是磨削钢轨焊接瘤的专业设备，它主要由横梁系统和亿系统两部分组成，其工作原理是通过横梁系统的升降以及亿系统的左右旋转运动使安装在横梁上的砂轮沿钢轨的外轮廓对焊接瘤进行仿形磨削。亿系统的旋转定位是通过齿轮传动来完成的，当磨头处于垂直状态时，其位置为0#位，对应角度为 0。，设定向前转动为负，向后转动为正。由于前后对称关系，表 1仅列出正转时的位置及对应角 。

表 1 磨头位置及对应角度位置 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16角度 0 3 6 9 12 20.6 29.6 37.8 46.4 55 63.6 72.2 81 84 87 88.5 90亿系统(如图 1所示)的机械部分由变频电机、转向器、旋转编码器、减速机、主轴和执行齿轮对等组成，其中变频电机选用的型号为YVF2-90L-4-J611005，标称电流3.7A，标称功率1.5kW，额定电压380V，额定转矩9.5N·in；旋转编码器安装在连接变频电机输出轴的转向器上，是-种 A、B两相增量型编码器，脉冲量为 1000；减速机为 4级 1.5kW，传动比为63的斜齿轮蜗轮蜗杆减速机；执行齿轮对由大小两对圆柱齿轮构成，传动比为 8，小齿轮带动大齿轮转动，进而使固定在大齿轮上的横梁系统旋转，工作转速为3 r/rain。

3 数控钢轨精磨机亿系统的控制3.1 控制策略本系统采用半闭环控制策略，如图2所示。半闭环控制系统不是将输出量反馈到输入端，而是将控制环节的中的某个过程量进行闭环控制，起到稳定该过收稿日期：2012-12-28作者简介：曾小松(1985-)，男，四川广汉人，在读硕士，研究方向：数控系统及装置。

· 132·· 机械研究与应用 ·2013年第1期(第26卷，总第123期) 检测与控制程量的作用。由于调试维修方便，稳定性好，该系统目前应用比较广泛 。

图 1 数控钢轨精磨机亿系统结构简图图2 半闭环控制图系统中由于控制终端大齿轮转动停留位置较多，如果采用闭环控制，每个位置都安装传感器进行检测反馈比较复杂且成本较高；如果采用开环控制，则精度不够。理论和实践表明，在充分考虑机械传动误差的情况下采用半闭环控制是适合本系统的。

3.2 硬件设计整个系统由 1台三菱 GT1050型触摸屏，1台三菱 FX2N系列小型可编程控制器，1个FX2N-2DA模拟量拈，1台三菱FR-E700系列变频器，1个旋转脉冲编码器和3个光电接近开关等元件组成，实现摇摆过程中基本逻辑动作、闭环控制、检测和人机通讯四大功能，系统结构框图如图3所示。

图3 控制系统结构框图三菱 GT1050型触摸屏为5.7英寸型 QVGA 320x240点液晶显示屏，触摸开关最大数量 50爪/画面，内置 USB、RS-422、RS-232标准接 I1 J。系统中触摸屏与PLC以RS-422协议建立通讯连接，通过改变PLC的数据存储器值或变量值，来设定亿系统的目标位置，旋转速度以及启、停等控制。

根据 I/O点数，本 系统选 用 FX2N-48MR型PLC ，-方面通过内置的高速计数器对旋转编码器发出的脉冲进行计数来精确控制大齿轮转动角度；另- 方面与 FX2N-2DA模拟量拈之间使用 FROM/TO指令进行传输，可将数字量0～4000转化为0～10V的电压信号，以此作为变频器模拟端频率给定信号来控制电机转速。

系统选用的变频器为三菱 FR-E700系列中的FR-E740-1.5K-CHT，该变频器是-款经济型高性能变频器，拥有 1.5kW输出功率，内置 Modbus-RTU协议，停止精度高，加瑶卡可以支持 CC-Link、LONWORKS、Deveice-Net、Profibus-DP等通讯 。

在系统中变频器与 PLC以 RS-485协议建立通讯连接，精确控制变频电机的启/停、正/反转、多种工作转速等。

3.3 软件设计本系统控制软件设计主要包括上电初始化和自动摆动两个方面。三菱 FX2N内部包含基本逻辑指令、步进顺控指令和功能指令，配合扩展拈的特殊指令能灵活的进行编程，且修改方便、运行稳定，并且在使用设 维护工具 GX-Developer完成编程后 ，还能利用其中的梯形图逻辑测试”拈进行程序仿真。程序流程图如图4所示。

图4中，首先进行上电初始化。主要是使磨头处于 0#位，其流程是让大齿轮以-定速度正转，当0#位安装的接近开关检测到的时候即停止，而如果是16#号位安装的接近开关先检测到的时候也停止，然后反转直到 0#位。在 自动摆动过程中，根据输入的不同脉冲数大齿轮先向正方向以工作速度 1从 0#位依次转动到各个位置，到达 16#位后再以工作速度 2反转回0#位，反方向工作方式同理。

- I 模式判断 IN ] Y- l 输入依次到达116#位各自所需脉冲数，l 工作速度1、2的频率以工作速度 正转依次到达1-16#位 lII 在1 6#位上以工作速度2反转至呻位 I以工作速度1反转依次到达-1-16#位在-1 6#位上以工作速度2反转至0#位 I图4 自动状态下的程序流程图(下转第137页)· 133·· 杌械研究与应用 ·2013年第1期(第26卷，总第123期) 检测与控制图5 软启动器工作主回路图7 -、二室空载启动电流图分析说明：-室和二室的工作状况-致，机械结构也相同，因此启动电流-样。由于这2个工作室的主轴经过动平衡，壳体是铸件，刚性很好。因此，启动过程非常平稳，最大电流只有 600A，启动时间较短。

30s已完成启动。运行状态良好，达到了设计的预期启动效果。

三室空载启动和设备带负载运行的启动电流也达到了设计要求，在此不再赘述。

(上接第 133页)4 结 论本文介绍了在数控钢轨精磨机亿系统中运用PLC、变频器以及旋转编码器等组成的半闭环控制如何实现准确定位的问题。实践表明，本系统硬件设计简单可靠、运行灵活、性价比高，软件编程功能完善，在工作过程中具有操作简单、自动化程度高、设备可维护性好等特点。

1O0风机启动风机运行1宣启动1室运行2奎启动2塞运行3室启动3试运行图6 软启动器工作控制、指示回路8 结 语选择启动方式的原则是既保护电机、延长电机使用寿命，又保护电网和机械设备，同时降低设备维护和管理工作量，保证选择设备的可靠性。

经设备长时间运行，证明本方案解决了设备 4个110kW 电机的启动问题，启动过程平稳，切换正常，可靠 ，方案切实可行。在试验过程中，笔者还进行了设备的急停后重载启动工作，也获得了成功。下-步要在元器件选型上进-步考虑，在节约成本上做文章，推进系统产业化。