PLC控制汽車座椅試驗系統(tǒng)的研究

呂元蒙

（長春汽車檢測中心有限責(zé)任公司天津分公司）

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車行業(yè)發(fā)展的也越來越快，市面上的各種新車型也是層出不窮。隨著人民生活水平的提高，除了對汽車傳統(tǒng)3大件的性能和可靠性有高的要求外，對汽車門鎖，汽車玻璃升降器及汽車座椅等汽車零部件的性能和可靠性要求也越來越高。因此汽車零部件的驗證試驗工作對汽車的產(chǎn)品質(zhì)量的考核也起到了非常重要的作用。面對汽車座椅試驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的進步和提高，公司現(xiàn)有設(shè)備不能滿足汽車座椅導(dǎo)軌及操縱桿耐久試驗的要求。為了解決這一問題，從經(jīng)濟、簡單實用、能耗、研制周期角度考慮，針對座椅導(dǎo)軌及操縱桿耐久試驗的特點，決定采用PLC作為控制系統(tǒng)，配合氣缸、電磁閥、座椅工裝夾具、電氣裝置及機械裝置等元件，制作成不同車型座椅可用通用性強的座椅導(dǎo)軌及操縱桿耐久試驗臺，滿足各車型項目的開發(fā)和OTS試驗。

1 PLC簡介

1.1 可編程序控制器

早期的PLC只能做些開關(guān)量的邏輯控制，但近年來，PLC采用微處理器作為中央處理單元，不僅有邏輯控制功能，還有算術(shù)運算、模擬量處理甚至通信聯(lián)網(wǎng)功能，正確應(yīng)稱為PC，但為了與個人計算機有所區(qū)別，仍稱其為PLC[1]。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

可編程邏輯控制器實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，基本組成如圖1所示。

圖1 可編程控制器基本組成

電源：電源用于將交流電轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部所需的直流電目前大部分PLC采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源供電。

中央處理單元（CPU）：中央處理器是PLC的控制中樞，也是PLC的核心部件，其性能決定了PLC的性能。中央處理器由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集中在一塊芯片上，通過地址總線、控制總線與存儲器的輸入、輸出接口電路相連。中央處理器的作用是處理和運行用戶程序，進行邏輯和數(shù)學(xué)運算，控制整個系統(tǒng)使之協(xié)調(diào)。

存儲器：存儲器是具有記憶功能的半導(dǎo)體電路，它的作用是存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他一些信息。其中系統(tǒng)程序是控制PLC實現(xiàn)各種功能的程序，由PLC生產(chǎn)廠家編寫，并固化到只讀存儲器（ROM）中，用戶不能訪問。

輸入單元：輸入單元是PLC與被控設(shè)備相連的輸入接口，是信號進入PLC的橋梁，它的作用是接收主令元件、檢測元件傳來的信號。輸入的類型有直流輸入、交流輸入、交直流輸入。

輸出單元：輸出單元也是PLC與被控設(shè)備之間的連接部件，它的作用是把PLC的輸出信號傳送給被控設(shè)備，即將中央處理器送出的弱電信號轉(zhuǎn)換成電平信號，驅(qū)動被控設(shè)備的執(zhí)行元件。輸出的類型有繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘門輸出。

PLC除上述幾部分外，根據(jù)機型的不同還有多種外部設(shè)備，其作用是幫助編程、實現(xiàn)監(jiān)控以及網(wǎng)絡(luò)通信。常用的外部設(shè)備有編程器、打印機、盒式磁帶錄音機及計算機等[2]。

2 試驗臺的總體方案設(shè)計

2.1 設(shè)計的要求和任務(wù)

本試驗臺是一個對汽車座椅導(dǎo)軌及操縱桿耐久進行檢驗控制的試驗臺。熟悉座椅軌道和操縱桿耐久的運動過程，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的要求進行試驗臺的控制方案設(shè)計：1）根據(jù)制定的控制方案選擇合適的執(zhí)行動作元件；2）根據(jù)座椅的安裝形式，設(shè)計制定一套通用的座椅試驗平臺，能夠合理布置安裝座椅、電磁閥及氣缸等；3）電氣原理圖的設(shè)計；4）編寫系統(tǒng)控制軟件；5）進行座椅耐久試驗，對系統(tǒng)功能進行驗證。

2.2 控制方案設(shè)計

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，用PLC控制氣缸執(zhí)行動作，大致可分為以下幾個步驟來進行：1）操縱桿控制氣缸伸出使操縱桿抬起，滑軌解鎖；2）座椅前后滑動控制氣缸伸出，座椅從前止點運動到后止點；3）操縱桿控制氣缸縮回使操縱桿放下，滑軌鎖止；4）操縱桿控制氣缸伸出使操縱桿抬起，滑軌解鎖；5）座椅前后滑動控制氣缸縮回，座椅從后止點運動到前止點；6）操縱桿控制氣缸縮回使操縱桿放下，滑軌鎖止。

2.3 方案設(shè)計重點

1）小氣缸的解鎖動作，汽車座椅要實現(xiàn)前后滑動的前提是解鎖機構(gòu)要處于解鎖狀態(tài)，小氣缸動作解鎖后要保持一定時間，在此時間內(nèi)大氣缸動作實現(xiàn)汽車座椅的前后滑動。這個控制邏輯就不是傳統(tǒng)的前后順利控制邏輯，編程時需要用特殊控制邏輯去實現(xiàn)。

2）小氣缸解鎖到位需要氣缸停止保持。由于氣缸特點即使有限位開關(guān)觸發(fā)信號讓電磁閥閉合不給氣的情況下，氣缸還是會有一個慣性的沖擊。為了結(jié)果過沖問題，我們采用鋼絲繩來連接小氣缸和解鎖裝置，把鋼絲繩長度控制好，當(dāng)小氣缸運動到滿量程極限位置時，座椅解鎖機構(gòu)正好也處于解鎖極限位置，避免過開發(fā)生，使其能和實際使用工況接近，耐久壽命和實際情況相符。

3）控制前后滑動的大氣缸同理為了避免慣性沖擊或者過開情況發(fā)生，需要設(shè)計2個位置可調(diào)的前后限位塊，根據(jù)不同型號座椅先后滑動行程不同進行調(diào)節(jié)限位。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 硬件平臺設(shè)計

首先要設(shè)計一個通用的試驗平臺，以便能夠進行不同型號座椅的耐久使用含，根據(jù)控制方案要求硬件需求如下：

1）電控柜：設(shè)計成可控制3工位的控制柜，在試驗任務(wù)多的時候可通過添加硬件來實現(xiàn)3工位同時進行試驗?？刂乒駜?nèi)包括PLC、電源開關(guān)、電源指示燈、3工位的啟動按鈕、暫停按鈕、復(fù)位按鈕及計數(shù)器等元器件。

2）控制執(zhí)行元件：根據(jù)控制方案設(shè)計需要1個空氣調(diào)壓閥、2個電磁閥及2個氣缸。

3）座椅工裝夾具：設(shè)置制作1個通用底板，預(yù)留布置空氣調(diào)壓閥，電磁閥，氣缸及限位塊等元氣件的安裝位置。為了實現(xiàn)不同型號座椅的安裝，座椅安裝位置設(shè)計成前后2塊安裝板，座椅可以和安裝板相連，安裝板再和通用底板相連。根據(jù)座椅型號不同設(shè)計不同安裝板便可實現(xiàn)不同型號座椅的安裝。還需要設(shè)計一個滑動大氣缸和座椅連接的通用工裝，滿足不同型號座椅安裝需要。

工裝設(shè)計三維圖，如圖2所示。

圖2 工裝圖

3.2 可編程控制器PLC的選擇

本試驗臺每工位需要操縱桿氣缸伸出和縮回2路輸出，座椅前進后退2路輸出，計數(shù)器1路輸出，3工位共15路輸出，電源指示燈1路輸出，共計需要16路輸出。

輸入為開始按鈕，暫停按鈕，復(fù)位按鈕及3工位共9路輸入。

根據(jù)輸入和輸出路數(shù)需求，本試驗臺選擇歐姆龍的CPM1A型號PLC控制器[3]。

3.3 PLC輸入輸出點配置表

輸入點配置如表1所示，輸出點配置如表2所示。

表1 輸入點配置表

表2 輸出點配置表

3.4 電氣原理圖

根據(jù)已分配好的輸入輸出點配置表，進行電氣原理圖的設(shè)計，左側(cè)為輸入端，右側(cè)為輸出端，如圖3所示。

圖3 電氣原理圖

4 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計

根據(jù)控制方案設(shè)計要求，進行了梯形圖的程序編寫。主要使用了計數(shù)、計時、上升沿微分、保持繼電器等程序命令。主要程序梯形圖（以1工位為例及3個工位邏輯控制相同）。

1）啟動，如圖4所示。

圖4 啟動圖

2）操縱桿控制氣缸伸出，如圖5所示。

圖5 氣缸伸出圖

3）座椅前后滑動控制氣缸伸出，如圖6所示。

圖6 座椅前后滑動控制氣缸伸出圖

4）操縱桿控制氣缸縮回，如圖7所示。

圖7 操縱桿控制氣缸縮回圖

5）座椅前后滑動控制氣缸縮回，如圖8所示。

圖8 座椅前后滑動控制氣缸縮回圖

6）計數(shù)，如圖9所示。

圖9 計數(shù)圖

5 系統(tǒng)驗證和調(diào)試

將座椅和工裝按照試驗要求安裝好，點擊1工位開始按鈕，小氣缸伸出使操縱桿抬起，滑軌解鎖；大氣缸伸出，座椅從前止點運動到了后止點；小氣缸縮回使操縱桿放下，滑軌鎖止；小氣缸氣缸伸出使操縱桿抬起，滑軌解鎖；大氣缸縮回，座椅從后止點運動到前止點；小氣缸氣缸縮回使操縱桿放下，滑軌鎖止。設(shè)備完全按照控制方案的設(shè)計要求進行動作，可以實現(xiàn)操縱桿和滑軌的耐久試驗，達(dá)到了設(shè)備設(shè)計的要求，驗證通過，如圖10所示。

圖10 電氣原理圖

6 結(jié)論

文章介紹了PLC可編程控制器的基本組成和工作原理。通過對座椅耐久試驗標(biāo)準(zhǔn)的解讀，制定了試驗臺的總體設(shè)計方案和要求。根據(jù)具體試驗需求，確定了各硬件需求的數(shù)量及型號，設(shè)計了通用的工裝地板，能夠針對不同座椅型號制作連接安裝工裝進行耐久試驗。根據(jù)氣缸執(zhí)行的邏輯控制要求進行了PLC程序的編寫。最后進行了試驗系統(tǒng)的測試驗證能夠達(dá)到總體設(shè)計要求。PLC可編程控制器小巧便捷，價格便宜，控制程序編寫簡單，配合一些執(zhí)行部件可靈活搭建成各種試驗臺，針對一些控制簡單的試驗可做到低成本高效率。廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科研教學(xué)中，未來還會有更大的發(fā)展空間。