1 引言
目前，隨著我國經濟的發展，鐵路運輸的緊張狀況將愈來愈突出，為解決鐵路運輸緊張的局麵，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重要。這就需要加強對軸承溫升的監控。
當有火車經過時，其自身不停地向外輻射紅外熱能，從而在物體表麵形成一定的溫度場，利用安裝於鋼軌兩側的熱像儀吸收車輪發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麵的溫度分布情況,對溫升超標的車軸實時報警，避免由於車軸熱切而造成列車脫軌或顛覆等事故的發生。本文采用PLC控製步進電機驅動熱像儀來檢測車輪軸溫。
2 係統設計
現代的運動控製方法主要有直流伺服驅動、交流伺服驅動、步進伺服驅動。其中交流伺服驅動的性能最好，但價格較高。隨著步進伺服驅動控製技術迅速發展，步進伺服驅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字信號控製，無需反饋可開環工作，無累積定位誤差，控製精度高，因此被廣泛用於數字控製和計算機控製等精密定位的控製係統中。
可編程序控製器PLC是一種適於工業現場控製的技術平台。PLC綜合了計算機技術、自動控製技術和通信技術，使用麵向過程、麵向用戶的簡單編程語言，用戶可通過軟件設計，實現各種複雜的邏輯控製。PLC具有較好的實時刷新功能，可以產生一定頻率的脈衝信號，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，本係統采用可編程控製器(PLC)為控製核心，步進電動機為執行元件、傳感器為檢測元件的新型係統，實現對溫升的檢測，係統的結構如圖1所示。 
圖1 係統結構圖
當有火車駛來時，傳感器將檢測到的速度脈衝信號送入PLC接口X0，PLC根據這個脈衝信號計算出相應的火車速度，並輸出一個相應的速度脈衝信號給步進電機驅動器，驅動器控製步進電機，使其驅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。
用於步進電機的角位移與輸入脈衝的個數成正比;轉速與脈衝頻率成正比;轉向與脈衝分配到步進電機的各相繞組的相序有關。因此利用PLC可產生一定周期的控製脈衝，使移位寄存器移位，產生相應時序，通過環形分配器使輸出繼電器按時序接通驅動步進電機並由計數器控製脈衝個數，使步進電機按一定速度，轉動一定的角度。根據功能要求，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，用於驅動熱象儀;步進電機驅動器選用2M412，電源電壓DC為18V~36V，它根據PLC的控製指令對電機實現脈衝和方向控製。PLC對電機的控製有兩種方式，一種是脈衝+方向控製(Y0、Y2輸出脈衝、Y1、Y3輸出方向)，一種是正反向脈衝輸出(Y0輸出CW脈衝，Yl輸出CCW脈衝)，我們采用第一種方法。
3 控製係統的實現
在本係統中，如何使PLC根據脈衝寬度計算出火車的相應速度是十分關鍵的。我們選用台達PLC DVP16EH00T，共8點輸入(X0~X7)，8點輸出(YO~Y7)，控製步進電機的工作狀態和轉速;除具有一般邏輯控製與運算功能、PLSY脈衝直接輸出等外，更重要的是它的SPD脈衝速度偵測功能，可以方便的用來測量車速。
SPD的控製格式:
當控製信號為ON時，D1計算由X0所輸入的高速脈波，40ms之後自動停止計算，結果被存於D0中，40ms計時完畢時，D1內容被清除為0，當控製信號再度為ON時，D1重新接受計數。SPD指令主要目的在求出回轉速度的比例值，而測得之D0的結果與回轉速度成比例，由下列公式求得電機轉速[2]。
式中: N:轉速;
n:旋轉設備轉一圈所產生的脈波數; 
圖2 係統控製接線圖 表1 係統中各I/O功能表
4 係統軟件設計
步進電機工作都要經過加速→高速→減速→低速→停止的過程，它的脈衝頻率特性如圖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 脈衝頻率特性
PLSR指令為附加減速功能的脈衝輸出指令，通過設定脈衝輸出的最大頻率值，全部脈衝輸出的總脈衝數和加減速的時間，來控製步進電機的速率及轉向。該指令的加減速的變速 段數固定為10段，輸出時以每次增加S1/10的頻率開始輸出脈衝，每個頻率輸出脈衝的時間都是固定S3/9。圖4是根據電氣控製原理，結合PLC的程序設計方法和生產工藝要求，設計的控製軟件程序流程圖。
圖4 運行時序圖
5 結束語
本文針對火車車輪軸溫檢測，設計的基於可編程控製器和步進電機的控製係統，實現了對火車車輪軸承的自動拍照，具有控製簡單、運行穩定可靠、開發周期短等優點，是一種切實可行的步進電機控製方案。
