1  引言 
      目前，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，鐵路運輸?shù)木o張狀況將愈來愈突出，為解決鐵路運輸緊張的局面，鐵道部提出提速問題。但隨著車速的提高，車輪軸承溫升問題愈發(fā)重要。這就需要加強對軸承溫升的監(jiān)控。
當有火車經(jīng)過時，其自身不停地向外輻射紅外熱能，從而在物體表面形成一定的溫度場，利用安裝于鋼軌兩側(cè)的熱像儀吸收車輪發(fā)出的這種紅外輻射能量，將其熱像顯示在熒光屏上，從而準確判斷物體表面的溫度分布情況,對溫升超標的車軸實時報警，避免由于車軸熱切而造成列車脫軌或顛覆等事故的發(fā)生。本文采用PLC控制步進電機驅(qū)動熱像儀來檢測車輪軸溫。

2  系統(tǒng)設計
      現(xiàn)代的運動控制方法主要有直流伺服驅(qū)動、交流伺服驅(qū)動、步進伺服驅(qū)動。其中交流伺服驅(qū)動的性能最好，但價格較高。隨著步進伺服驅(qū)動控制技術迅速發(fā)展，步進伺服驅(qū)動細分精度日益提高，且逐步克服了振蕩，失步的不足，其性價比大幅度提高。步進電機可直接用數(shù)字信號控制，無需反饋可開環(huán)工作，無累積定位誤差，控制精度高，因此被廣泛用于數(shù)字控制和計算機控制等精密定位的控制系統(tǒng)中。
      可編程序控制器PLC是一種適于工業(yè)現(xiàn)場控制的技術平臺。PLC綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術，使用面向過程、面向用戶的簡單編程語言，用戶可通過軟件設計，實現(xiàn)各種復雜的邏輯控制。PLC具有較好的實時刷新功能，可以產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，而且PLC具有大功率的晶體管輸出接口，能夠滿足步進電機繞組的電壓和電流要求。因此，本系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)為控制核心，步進電動機為執(zhí)行元件、傳感器為檢測元件的新型系統(tǒng)，實現(xiàn)對溫升的檢測，系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1     系統(tǒng)結構圖
      當有火車駛來時，傳感器將檢測到的速度脈沖信號送入PLC接口X0，PLC根據(jù)這個脈沖信號計算出相應的火車速度，并輸出一個相應的速度脈沖信號給步進電機驅(qū)動器，驅(qū)動器控制步進電機，使其驅(qū)動熱像儀做半圓周運動，當熱象儀速度與火車速度相同或相近時，對火車車輪進行跟蹤拍照，從而確定車輪軸溫。紅外探測器沿鐵軌進行布置;熱像儀安放在離車軌距離約1m的架子上。
      用于步進電機的角位移與輸入脈沖的個數(shù)成正比;轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比;轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關。因此利用PLC可產(chǎn)生一定周期的控制脈沖，使移位寄存器移位，產(chǎn)生相應時序，通過環(huán)形分配器使輸出繼電器按時序接通驅(qū)動步進電機并由計數(shù)器控制脈沖個數(shù)，使步進電機按一定速度，轉(zhuǎn)動一定的角度。根據(jù)功能要求，綜合考慮步進電機的性能，選擇兩相混合步進電動機2S42Q-03848，步距角，相電流1.2A，保持力矩0.32Nm，用于驅(qū)動熱象儀;步進電機驅(qū)動器選用2M412，電源電壓DC為18V~36V，它根據(jù)PLC的控制指令對電機實現(xiàn)脈沖和方向控制。PLC對電機的控制有兩種方式，一種是脈沖+方向控制(Y0、Y2輸出脈沖、Y1、Y3輸出方向)，一種是正反向脈沖輸出(Y0輸出CW脈沖，Yl輸出CCW脈沖)，我們采用第一種方法。

3  控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
      在本系統(tǒng)中，如何使PLC根據(jù)脈沖寬度計算出火車的相應速度是十分關鍵的。我們選用臺達PLC DVP16EH00T，共8點輸入(X0~X7)，8點輸出(YO~Y7)，控制步進電機的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速;除具有一般邏輯控制與運算功能、PLSY脈沖直接輸出等外，更重要的是它的SPD脈沖速度偵測功能，可以方便的用來測量車速。
SPD的控制格式:
當控制信號為ON時，D1計算由X0所輸入的高速脈波，40ms之后自動停止計算，結果被存于D0中，40ms計時完畢時，D1內(nèi)容被清除為0，當控制信號再度為ON時，D1重新接受計數(shù)。SPD指令主要目的在求出回轉(zhuǎn)速度的比例值，而測得之D0的結果與回轉(zhuǎn)速度成比例，由下列公式求得電機轉(zhuǎn)速[2]。

式中: N:轉(zhuǎn)速;
  n:旋轉(zhuǎn)設備轉(zhuǎn)一圈所產(chǎn)生的脈波數(shù);
  t:偵測時間(ms)。
系統(tǒng)的控制接線圖如圖2所示，I/O口及其功能如表1所示。

圖2     系統(tǒng)控制接線圖

表1     系統(tǒng)中各I/O功能表

4  系統(tǒng)軟件設計
步進電機工作都要經(jīng)過加速→高速→減速→低速→停止的過程，它的脈沖頻率特性如圖3示。其中0a段為加速階段，由0加速到f1;ab段為高速(勻速)運行階段;bc段為減速運行階段，由f1減速到f2;cd段為低速運行階段，直至到d點停止。

圖3     脈沖頻率特性
PLSR指令為附加減速功能的脈沖輸出指令，通過設定脈沖輸出的最大頻率值，全部脈沖輸出的總脈沖數(shù)和加減速的時間，來控制步進電機的速率及轉(zhuǎn)向。該指令的加減速的變速段數(shù)固定為10段，輸出時以每次增加S1/10的頻率開始輸出脈沖，每個頻率輸出脈沖的時間都是固定S3/9。圖4是根據(jù)電氣控制原理，結合PLC的程序設計方法和生產(chǎn)工藝要求，設計的控制軟件程序流程圖。

圖4     運行時序圖

5  結束語
      本文針對火車車輪軸溫檢測，設計的基于可編程控制器和步進電機的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對火車車輪軸承的自動拍照，具有控制簡單、運行穩(wěn)定可靠、開發(fā)周期短等優(yōu)點，是一種切實可行的步進電機控制方案。