PLC控制汽车座椅试验系统的研究

吕元蒙

（长春汽车检测中心有限责任公司天津分公司）

随着现代科学技术的发展，汽车行业发展的也越来越快，市面上的各种新车型也是层出不穷。随着人民生活水平的提高，除了对汽车传统3大件的性能和可靠性有高的要求外，对汽车门锁，汽车玻璃升降器及汽车座椅等汽车零部件的性能和可靠性要求也越来越高。因此汽车零部件的验证试验工作对汽车的产品质量的考核也起到了非常重要的作用。面对汽车座椅试验技术标准的进步和提高，公司现有设备不能满足汽车座椅导轨及操纵杆耐久试验的要求。为了解决这一问题，从经济、简单实用、能耗、研制周期角度考虑，针对座椅导轨及操纵杆耐久试验的特点，决定采用PLC作为控制系统，配合气缸、电磁阀、座椅工装夹具、电气装置及机械装置等元件，制作成不同车型座椅可用通用性强的座椅导轨及操纵杆耐久试验台，满足各车型项目的开发和OTS试验。

1 PLC简介

1.1 可编程序控制器

早期的PLC只能做些开关量的逻辑控制，但近年来，PLC采用微处理器作为中央处理单元，不仅有逻辑控制功能，还有算术运算、模拟量处理甚至通信联网功能，正确应称为PC，但为了与个人计算机有所区别，仍称其为PLC[1]。

1.2 基本结构

可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本组成如图1所示。

图1 可编程控制器基本组成

电源：电源用于将交流电转换成PLC内部所需的直流电目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。

中央处理单元（CPU）：中央处理器是PLC的控制中枢，也是PLC的核心部件，其性能决定了PLC的性能。中央处理器由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集中在一块芯片上，通过地址总线、控制总线与存储器的输入、输出接口电路相连。中央处理器的作用是处理和运行用户程序，进行逻辑和数学运算，控制整个系统使之协调。

存储器：存储器是具有记忆功能的半导体电路，它的作用是存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。其中系统程序是控制PLC实现各种功能的程序，由PLC生产厂家编写，并固化到只读存储器（ROM）中，用户不能访问。

输入单元：输入单元是PLC与被控设备相连的输入接口，是信号进入PLC的桥梁，它的作用是接收主令元件、检测元件传来的信号。输入的类型有直流输入、交流输入、交直流输入。

输出单元：输出单元也是PLC与被控设备之间的连接部件，它的作用是把PLC的输出信号传送给被控设备，即将中央处理器送出的弱电信号转换成电平信号，驱动被控设备的执行元件。输出的类型有继电器输出、晶体管输出、晶闸门输出。

PLC除上述几部分外，根据机型的不同还有多种外部设备，其作用是帮助编程、实现监控以及网络通信。常用的外部设备有编程器、打印机、盒式磁带录音机及计算机等[2]。

2 试验台的总体方案设计

2.1 设计的要求和任务

本试验台是一个对汽车座椅导轨及操纵杆耐久进行检验控制的试验台。熟悉座椅轨道和操纵杆耐久的运动过程，根据标准中的要求进行试验台的控制方案设计：1）根据制定的控制方案选择合适的执行动作元件；2）根据座椅的安装形式，设计制定一套通用的座椅试验平台，能够合理布置安装座椅、电磁阀及气缸等；3）电气原理图的设计；4）编写系统控制软件；5）进行座椅耐久试验，对系统功能进行验证。

2.2 控制方案设计

根据标准要求，用PLC控制气缸执行动作，大致可分为以下几个步骤来进行：1）操纵杆控制气缸伸出使操纵杆抬起，滑轨解锁；2）座椅前后滑动控制气缸伸出，座椅从前止点运动到后止点；3）操纵杆控制气缸缩回使操纵杆放下，滑轨锁止；4）操纵杆控制气缸伸出使操纵杆抬起，滑轨解锁；5）座椅前后滑动控制气缸缩回，座椅从后止点运动到前止点；6）操纵杆控制气缸缩回使操纵杆放下，滑轨锁止。

2.3 方案设计重点

1）小气缸的解锁动作，汽车座椅要实现前后滑动的前提是解锁机构要处于解锁状态，小气缸动作解锁后要保持一定时间，在此时间内大气缸动作实现汽车座椅的前后滑动。这个控制逻辑就不是传统的前后顺利控制逻辑，编程时需要用特殊控制逻辑去实现。

2）小气缸解锁到位需要气缸停止保持。由于气缸特点即使有限位开关触发信号让电磁阀闭合不给气的情况下，气缸还是会有一个惯性的冲击。为了结果过冲问题，我们采用钢丝绳来连接小气缸和解锁装置，把钢丝绳长度控制好，当小气缸运动到满量程极限位置时，座椅解锁机构正好也处于解锁极限位置，避免过开发生，使其能和实际使用工况接近，耐久寿命和实际情况相符。

3）控制前后滑动的大气缸同理为了避免惯性冲击或者过开情况发生，需要设计2个位置可调的前后限位块，根据不同型号座椅先后滑动行程不同进行调节限位。

3 系统硬件设计

3.1 硬件平台设计

首先要设计一个通用的试验平台，以便能够进行不同型号座椅的耐久使用含，根据控制方案要求硬件需求如下：

1）电控柜：设计成可控制3工位的控制柜，在试验任务多的时候可通过添加硬件来实现3工位同时进行试验。控制柜内包括PLC、电源开关、电源指示灯、3工位的启动按钮、暂停按钮、复位按钮及计数器等元器件。

2）控制执行元件：根据控制方案设计需要1个空气调压阀、2个电磁阀及2个气缸。

3）座椅工装夹具：设置制作1个通用底板，预留布置空气调压阀，电磁阀，气缸及限位块等元气件的安装位置。为了实现不同型号座椅的安装，座椅安装位置设计成前后2块安装板，座椅可以和安装板相连，安装板再和通用底板相连。根据座椅型号不同设计不同安装板便可实现不同型号座椅的安装。还需要设计一个滑动大气缸和座椅连接的通用工装，满足不同型号座椅安装需要。

工装设计三维图，如图2所示。

图2 工装图

3.2 可编程控制器PLC的选择

本试验台每工位需要操纵杆气缸伸出和缩回2路输出，座椅前进后退2路输出，计数器1路输出，3工位共15路输出，电源指示灯1路输出，共计需要16路输出。

输入为开始按钮，暂停按钮，复位按钮及3工位共9路输入。

根据输入和输出路数需求，本试验台选择欧姆龙的CPM1A型号PLC控制器[3]。

3.3 PLC输入输出点配置表

输入点配置如表1所示，输出点配置如表2所示。

表1 输入点配置表

表2 输出点配置表

3.4 电气原理图

根据已分配好的输入输出点配置表，进行电气原理图的设计，左侧为输入端，右侧为输出端，如图3所示。

图3 电气原理图

4 系统控制软件设计

根据控制方案设计要求，进行了梯形图的程序编写。主要使用了计数、计时、上升沿微分、保持继电器等程序命令。主要程序梯形图（以1工位为例及3个工位逻辑控制相同）。

1）启动，如图4所示。

图4 启动图

2）操纵杆控制气缸伸出，如图5所示。

图5 气缸伸出图

3）座椅前后滑动控制气缸伸出，如图6所示。

图6 座椅前后滑动控制气缸伸出图

4）操纵杆控制气缸缩回，如图7所示。

图7 操纵杆控制气缸缩回图

5）座椅前后滑动控制气缸缩回，如图8所示。

图8 座椅前后滑动控制气缸缩回图

6）计数，如图9所示。

图9 计数图

5 系统验证和调试

将座椅和工装按照试验要求安装好，点击1工位开始按钮，小气缸伸出使操纵杆抬起，滑轨解锁；大气缸伸出，座椅从前止点运动到了后止点；小气缸缩回使操纵杆放下，滑轨锁止；小气缸气缸伸出使操纵杆抬起，滑轨解锁；大气缸缩回，座椅从后止点运动到前止点；小气缸气缸缩回使操纵杆放下，滑轨锁止。设备完全按照控制方案的设计要求进行动作，可以实现操纵杆和滑轨的耐久试验，达到了设备设计的要求，验证通过，如图10所示。

图10 电气原理图

6 结论

文章介绍了PLC可编程控制器的基本组成和工作原理。通过对座椅耐久试验标准的解读，制定了试验台的总体设计方案和要求。根据具体试验需求，确定了各硬件需求的数量及型号，设计了通用的工装地板，能够针对不同座椅型号制作连接安装工装进行耐久试验。根据气缸执行的逻辑控制要求进行了PLC程序的编写。最后进行了试验系统的测试验证能够达到总体设计要求。PLC可编程控制器小巧便捷，价格便宜，控制程序编写简单，配合一些执行部件可灵活搭建成各种试验台，针对一些控制简单的试验可做到低成本高效率。广泛应用于工业生产和科研教学中，未来还会有更大的发展空间。