摘要：公司牵引车电气系统主要是以电液元件为控制对象，目前还多使用传统的继电器控制。这就需要多个中间继电器，时间继电器，转换开关等电气元件。而且使用继电器实现互锁与联动往往要利用多个继电器才能实现控制，占用很大的空间。继电器间还要通过导线连接，其联络线与连接端子密集，加之时间继电器的延时常常不很准确，时间配合很困难，增加了故障的几率，不利于维护和故障。

目前在给民航的某型号飞机牵引车由于引入四轮转向系统，且增加应急电泵组系统，变速箱换档保护等，加之原来就比较复杂的逻辑互锁关系，原有的继电器控制系统现已经很难胜任这些任务。因此，在此我们选用欧姆龙的CP1H型PLC与NT5Z触摸屏，对电控系统进行重新设计、升级。四轮转向角度检测采用了欧姆龙10位绝对值编码器。

关键词：牵引车；电液元件；PLC；绝对值编码器

1 Omron CP1H 简介

CP1H 定位于小型机，但它却是基于CS/CJ特别是CJ, CJ是中型PLC平台)平台的，因此具备了很多中型机的功能，如脉冲输出和模拟量输出等。

虽然定位于小型机应用领域，但速度和处理功能已经远远高于小型机的范畴了，所以较一般小型机具有明显的性能优势，其处理一条基本指令所需要的时间仅为0.1μs，而一般小型PLC产品的CPU处理相同的指令所需要的时间都在0.6μs以上。

CP1H支持标准的DeviceNet现场总线，也能对应Ethernet, CLK等。另外，CP1H-XA还支持4通道输入/2通道输出的模拟量输入/输出功能，这使得同一个CPU还可以实现模拟量的监控。

CP1H所具有的可标准搭载4轴的高速脉冲输出功能在高精度定位方面可发挥优势。CP1H-X系列可实现100kHzX2轴和30kHzX2轴的高速脉冲输出;CP1H-Y则内置了1MHz的线性驱动器输入/输出，同时还具有20点(12点输入，8点输出)的通用输入/输出，实现100kHzX2轴和30kHzX2轴的脉冲输出功能。

CP1H的高速计数器功能最大l00kHzX4轴和lOkHzX8轴，合计12轴的计数器，内置了8点输人中断功能，并具有50μs脉宽的脉冲捕捉能力。

CP1H配备了标准USB1.1端口和2个串行通信接口(RS-232C和RS-485)，在连接PT、各种元器件(变频器、温控器和智能传感器等)，以及PLC之间的串行连接的同时，还能方便地实现与计算机的连接。

2 四轮转向系统

在本设计中采用两根美国DANA公司213型转向驱动桥作为前后桥，并在此基础上增加三个电磁阀和前后桥转角传感器构成。如图1液压原理图所示：

图1 液压转向系统原理图

模式切换电磁阀4位于中立位置时为前桥二轮转向，左位为前后桥四轮向心转向，右位为前后桥四轮蟹行转向。在蟹行、向心两种四轮转向模式时，前后桥转向油缸均串联工作，从而液压上保证前后桥转向角的一致性。

前桥回中电磁阀5和后桥回中电磁阀6在行驶时位于中立位置。当切换蟹行或向心模式工作后，需要回中操作时，可使用一键回中功能自动进行车轮回中。触发回中按键，PLC根据前后转向桥转角传感器输入信号，自动辨别电磁阀5和电磁阀6的上电方向，并输出控制指令控制转向油缸强制转向机构回到中立位置。转向系统安全阀10保证系统正常工作压力范围。后桥转向油缸双向液压锁7实现液压油缸的位置保持。

3 转角测量

前后桥转角传感器应能精确识别前后桥的中立位置和实时偏转方向,且要求传感器掉电后再上电仍能反映当前车轮相对中位时转角。根据以上要求，在此选用欧姆龙绝对值型旋转编码器对车轮转角进行测量，其具体性能参数如下：单圈10位精度、格雷码输出。编码器利用支架与齿轮传动结构，安装于前后桥和转向轴心部件之间，安装角度预先调整好，使其中位时编码器输出为90°，这样可以保证车轮转动范围内编码器输出值连续。编码为NPN晶体管输出，所以扩展模块COM端接24V高电平。

两个编码器需要输入IO共有20个点，由于主控制器本身IO只有24输入，而且需要多个模式按钮输入及频率输入，所以在此扩展了一个40点的CP1W-40EDR，利用其2.00～2.09及3.00～3.09输入IO，读入编码器的输出值。如图2所示。

图2 转角测量原理图

该方法尽管占用了多个开关量输入点，但由于目前的PLC开关量输入输出点数的价格较便宜，且PLC本身有通讯接口，并可进一步实现与人机界面通信，与其它实现方法相比具有很高的可靠性、较好的性价比、较强的可操作性和实用性。

4 应急电泵组控制

如图1中所示电动应急转向泵12的作用与转向泵11作用一样，即为转向系统提供液压源，其目的是在发动机或转向泵出现故障时进行四轮回中操作，从而实现牵引车被牵引或拖动。其动力源采用车载电瓶驱动直流电动机实现。

由于应急电泵组使用的是蓄电池供电，蓄电池不可能长时间供电，所以在设置上我们要求电泵组运行20s后自动停机30s以上才可以再次运行。图3示出其实现程序：

图3 应急电机梯形图

I1.00为复位按钮开关，按下开关，应急电泵组工作，通过TIM0002设置工作20s后停止，且通过TIM0003锁定30s。Q101.07为应急电机控制接触器。

5 转速测量

本车型中采用的360型2档变速箱是美国DANA公司专门为工程机械行走车辆设计，速度和扭矩满足高性能要求。其变速原理是液压缸带动齿轮啮合位置，改变传动比，从而达到变速的目的。其动作是靠外部液压源和换档电磁阀接通来执行，如图4所示。该变速箱内部集成换档到位行程开关并可以装配转速传感器。变速箱结构简单，可靠性高，但其对换档时转动速度要求比较高，当齿轮转速高于某阈值时换档会出现打齿现象。

图4 变速箱换档原理

因此本设计中我们利用CP1H高速计数功能，对变速箱输入转速进行监视，当转速超过设定的域值，锁定变速箱换档油缸动作，该变速箱换档保护功能，成功解决了由于误操作而打齿的现象。CP1H输入IO 0.08为高速计数器0，选择线性输入模式，增量脉冲输入，然后将传感器输出直接连接至PLC输入IO 0.08，使用PRV2指令读入转速值。

瞬时转速测量是通过磁电式传感器实现的，在此我们选用了北京波谱公司的S12型转速传感器，安装在变速箱输出齿轮端。转速范围在0～3500r/min，根据齿数可以换算最后检测频率为0～6.3kHz。

6 人机界面的应用

图5 牵引车仪表系统

欧姆龙NT5Z液晶屏拥有丰富的图表及指示功能，此处，我们共计13路报警指示灯，2路模拟信号指示表，模拟量直接输入给CP1H-XA，经过标定输出显示在仪表上。

用在车辆仪表上，我们只需调用相应的功能块并设置好其与PLC的通讯及对应变量地址即可。使用简单方便，界面友好(见图5)。

7 结束语

某型飞机牵引车在新近改型设计中引入CP1H型PLC，进一步提高了车辆功能，并使车辆具有很好的扩展性。四轮转向功能的加入，一键回中功能，良好的人机界面，使车辆操作简单方便，更加人性化。但对欧姆龙PLC应用在电液移动设备上还有以下建议：

(1)需要增强PLC抗震性，在我们牵引车上使用了胶垫等缓冲零件进行安装；

(2)继电器型输出PLC应可以直接驱动1OA以下连续电流的负载，能满足液压系统电磁阀控制的要求，这里我们是通过增加继电器进而驱动电磁阀；

(3)供电电源范围应设计为12V-24V直流电源，适合用于车载，由于本文中牵引车采用了24V供电系统，所以直接可在车辆上应用，但公司主流产品都为12V电源系统，欧姆龙的产品就不再合适。以上几点建议在西门子专门为电液移动设备开发的LOGO控制模块上都已经实现。希望可以得到OMRON公司的重视。

参考文献

[1] 曹玉平液压传动与控制. 天津:天津大学出版社,2003

[2] 张凤珊.电气控制及可编程序控制器.北京:中国轻工业出版社,1999

[3] OMRON公司.CP1H OP Manual W451-CN5-01.200602S01．

[4] 张祝新.工程车的液压系统设计与研究.机床与液压, 1001 - 3881（2002）1 - 115 - 2．

作者简介

张辉 中国农业机械化科学研究院博士研究生,研究方向：液压电气控制与液压系统设计。