西门子6ES7223-1BF22-0XA8功能介绍

传统的饮料灌装生产线的电气设备控制系统是传统的继电器—— 接触器控制方式，在使用过程中，生产效率低，人机对话靠指示灯+按钮+扬声器的工作方式，响应慢，故障率高，可靠性差，系统的工作状态、故障处理、设备监控与维护只能凭经验被动的去查故障点。且在生产过程中容易产生二次污染，造成合格率低，生产成本增加。而自动化生产线在众多领域应用得非常广泛，其控制部分常常采用可编程控制器(PLC)控制，它使得生产线运行更加平稳，定位更加**，功能更加完善，操作更加方便。 

可编程控制器(PLC)是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动化技术和通讯技术而发展起来的一种新型工业控制装置。它将传统的继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来，成为工业自动化领域中重要、应用多的控制设备。国际电工委员会(IEC)1987年2月颁布的可编程序控制器第三稿中定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入／输出(I／O)，控制各种类型机械的生产过程。可编程序控制器及其外围设备都按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充功能的原则设计”。简单说，可编程序控制器是一个专门用于工业控制的通用计算机。 

PLC顾及了工业现场的环境，具有可靠性高、抗干扰能力强；功能完善、组合灵活；编程方便；安装、维修简单等特点。因此，在生产流水线，机床设计改造等复杂系统中，PLC代替继电接触控制已成为必然。 

在饮料灌装机设备方面，美国、德国、日本、意大利和英国的制造水平相对较高。我们可以通过这些国家的饮料灌装机的发展趋势来确定我们国家于他们之间的差距，应该向哪方面发展才能缩小之间的差距，是我国的饮料灌装机尽快跻身世界先进行列。本文在研究了PLC的特点、基本结构和控制方法的基础上，将PLC技术引入了饮料灌装生产线，设计了基于PLC的饮料灌装设备，并在杭州娃哈哈公司得到了初步应用。 

1 PLC的基本结构 

PLC本质上是一台用于控制的专用计算机，因此，它与一般的控制机在结构上有很大的相似性。PLC的主要特点是与控制对象有更强的接口能力，也就是说，它的基本结构主要是围绕适于过程控制的要求来进行设计。 

一个可编程序控制器系统的基本组成如图1所示，它包括以下几个部分。

(1)CPU模块：CPU模块是可编程的核心模块，它主要由微处理器和存储器两部分组成。 

(2)输入／输出模块：输入／输出模块是可编程控制器与现场设备连接的接口。 

(3)编程设备：编程设备是可编程控制器系统中重要的外围设备，利用它可以输入、检查、修改、调试用户程序，也可以在线监视可编程控制器的工作情况。 

(4)电源模块：电源模块将交流电源转换成可编程控制器所需要的直流电源，是可编程控制器能够正常工作。 

2 饮料灌装生产线控制要求 

(1)系统通过启动按钮设定为自动操作模式，启动后生产流水线传送带的驱动电机启动并一直保持到停止按钮动作或灌装设备下的传感器检测到一个空瓶子时停止； 

(2)当瓶子定位在灌装设备下时，延时1秒，灌装设备开始工作，5秒后自动停止； 

(3)瓶子装满饮料后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到又检测到一个新的空瓶子或停止按钮动作。系统工作流程图如图2所示。

 
图2 饮料灌装生产线PLC控制系统工作流程

3 软件设计 

软件采用梯形图编程，由模块化原则划分为相对独立的功能块。由于初始启动电流较大，若以直接通过电流大小判断电机工作状况，则会发生报警误动作。我们采用速动保护，使系统通过软件实现，当启动初始避开报警判断，再进入电流保护检测状态。 

软件设计规定了在设定方式下，不同设备的运行状态和在线设备的连锁起／停条件。系统开机后，先检测工作状态选择按钮，任何情况，急停按钮均可停止全部设备，以备突发事故时使用。 

数控设备是技术密集型和知识密集型的机、电一体化产品，其技术先进、结构复杂、价格昂贵，随着生产企业规模的不断扩大及设备自动化程度的不断提高，数控车间里所用的数控设备种类和数量也在不断增加。要想更好地利用数控机床，就必须对数控机床的结构功能及系统有充分的了解。数控机床的动作控制通常由两种方式来实现：一种是通过CNC系统(专用计算机)的数字信息来控制，即“数字控制”，如数控机床工作台的前、后、左、右移动，主轴箱的上、下移动和围绕某一直线轴的旋转运动位移量等。这些控制是用插补计算出的理论位置与实际反馈位置比较后得到的差值对伺服进给电机进行控制而实现的。这种控制的核心是保证实现被加工零件的轮廓，即除点位加工外，各个轴的运动时刻都必须保持严格的比例关系；另一种是在数控机床运行过程中，以CNC系统内部和机床上各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号的状态为条件，并按照预先规定的逻辑顺序，对诸如主轴的开停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开。液压、冷却、润滑系统的运行控制。这一类动作的控制主要是进行开关量信号的顺序控制，一般由PLC来完成。 

1 PLC程序在数控机床上的应用 

PLC为可编程控制器．在数控机床上所使用的PLC也称作PMC。它有以下优点：响应快。控制精度高，可靠性好，控制程序可随应用场合的不同而改变，与计算机的接口及维修方便。通常，数控机床上所使用的PLC程序包括系统程序和用户程序。其中系统程序包括监控程序、编译程序及诊断程序等，由PLC生产厂家提供，并固化在EPROM中，用户不能直接存取，也不需要用户干预。丽用户程序是用户根据现场控制的需要，用PLC程序语言编制的应用程序，用以实现各种控制要求。常用的PLC程序设计语言主要有梯形囝、语句表、功能块图等。 

由于数控机床很多执行机构的动作都是通过PLC的控制指令来实现的，可以利用PLC对数控机床进行故障的快速检测和维修，或者是通过修改、编写PLC程序为数控机床增添某个可执行动作或功能。 

2 数控机床的安全控制设计 

在使用数控机床的过程中作者发现：有些系统的机床在操作不当或因机床本身原因出现故障报警停机之后，需要消除报警并重新返回HOME点才能再次执行程序，可是有些系统的机床在消除报警后并不需要返回HOME点就可以直接再次运行程序。后者虽然节省了一点时间，可是却存在极大的安全隐患。某企业有一台数控加工中心就出现过这样的情况：某次执行空运行时，产生了机床报警导致停机，操作工消除报警后未回HMOE点就再次运行空运转程序，使主轴与夹具发生碰撞，造成主轴精度及动平衡超差，无法满足设备加工的工艺要求。分析其原因：当机床在运行过程中报警停机之后，机床夹具及主轴的位置状态已经发生了变化(不再是初始状态)，若是消除报警之后立即重新开始执行后续程序，就很容易导致机床主轴误动作造成主轴与夹具或工件发生碰撞。为了避免因碰撞造成的不必要的工废．进一步提高设备本身的防错能力，作者针对FUNUC系统加工中心设计了一个数控机床动作的安全控制程序，该程序的作用主要是保证在执行加工程序或者空运行程序过程中发生了机床停机报警，在操作人员消除报警后，必须执行回参考点的程序，如果不执行回参考点程序使程序、设备的夹具、主轴、刀具等恢复到初始位置，机床将无法执行加工程序或空运转程序，这样就有效避免了设备碰撞的可能性。 

2.1 设计思路 

为机床增加防错功能以实现机床动作的安全控制是通过修改数控机床的PMC程序及机床自动运行的条件，增加机床启动条件的限制，并在操作面板上增加循环启动准备好指示灯(STEN—L)、返修指示灯(RECUTL)及返修键按钮。具体方案是： 

(1)设置的机床启动条件：①x，y、z轴必须回到第二参考点，且A轴在90。状态(STA—ENI)；②主轴上的刀具为初始刀具(T6)或者为空刀(T14)(STA—EN2)；③A轴处于夹紧状态(STA—EN3)；④夹具处于松开状态(STA—EN4)。机床必须同时满足这4个条件才能够执行加工程序进行自动加工(STA—EN)。设计此限制条件的目的是使机床在发生报警后，必须先运行RETURN程序，待机床恢复至可以正常运行的状态后，才在AUTO或者MEM模式下运行机床，防止程序从中间状态启动，引起机床碰撞。 

(2)如果未满足启动条件，循环启动准备好指示灯不亮时，按下[CYCLE START]按键，机床则产生“61．0 CYCLE START NOT REDAY，PLEASERETURN!”报警，提醒操作人员机床被禁止自动加工的原因及应该采取的措施。 

(3)当有工件需要返修时，可能只需要执行某个特定的程序段，此时可以接下返修键，返修指示灯亮后，即可进行返修工件的加工。在返修加工或单段加工模式下，设备不受“循环启动准备好”条件的限制，可以循环启动。 

2.2 梯形图设计 

按照前面的设计思路，在数控机床PMC程序中增加P110子程序，生成R2.7(STS-A)；其中循环启动准备好指示灯信号输出点为Y5.1，返修键信号输入点为X4.6，返修指示灯信号输出点为Y4.6。相应的梯形图如图1示。

 
图1 安全控制功能梯形图

3 结束语 

数控机床是集计算机技术、PLC技术、自动化技术等于一身的机、电一体化产物，作为数控机床核心的控制系统直接关系到设备的正常运行，利用数控机床PLC的强大功能，可以充分发挥数控机床控制系统的作用，还可以为数控机床故障诊断及维修带来极大的方便。作者为加工中心设计的防止机床发生碰撞的安全控制功能，有效消除了因操作人员的失误导致机床主轴与夹具、工件发生碰撞的隐患，确保了生产的安全性，有良好的经济效益。

　PLC的日常维护和保养比较简单，主要是更换保险丝和锂电池, 基本没有其它易损元器件。由于存放用户程序的随机存储器（RAM）、计数器和具有保持功能的辅助继电器等均用锂电池保护，锂电池的寿命大约为5年，当锂电池的电压逐渐降低到一定程度时，PLC基本单元上电池电压跌落到指示灯亮，提示用户注意有锂电池所支持的程序还可保留一周左右，必须更换电池，这是日常维护的主要内容。
　　调换锂电池的步骤为：
　　■在拆装前，应先让PLC通电15秒以上（这样可使作为存储器备用电源的电容器充电，在锂电池断开后，该电容可对PLC做短暂供电，以保护RAM 中的信息不丢失）；
　　■断开PLC的交流电源；
　　■打开基本单元的电池盖板；
　　■取下旧电池，装上新电池；
　　■盖上电池盖板。
　　注意更换电池时间要尽量短，一般不允许超过3分钟。如果时间过长，RAM中的程序将消失。
　　此外,应注意更换保险丝时要采用指定型号的产品。
　　I/O模块的更换
　　若需替换一个模块，用户应确认被安装的模块是同类型。有些I/O系统允许带电更换模块，而有些则需切断电源。若替换后可解决问题，但在一相对较短时间后又发生故障，那么用户应检查能产生电压的感性负载，也许需要从外部抑制其电流尖峰。如果保险丝在更换后易被烧断，则有可能是模块的输出电流超限，或输出设备被短路。
　　PLC的故障诊断是一个十分重要的问题，是保证PLC控制系统正常、可靠运行的关键。本文对常用的故障诊断方法进行了探讨。在实际工作过程中，应充分考虑到对PLC的各种不利因素，定期进行检查和日常维护，以保证PLC控制系统安全、可靠地运行。笔者近几年在维护和修理PLC系统中，总结了一些快速查找PLC系统故障原因的经验，现与大家交流如下。 
一个典型的PLC系统包括一个现场PLC站，和通过高速数据线与之相连的上位机以及模拟屏PLC站，上位机用以显示各种图形和数据，模拟屏PLC站用来驱动模拟屏上的发光二极管。整个PLC系统与外联设备相接，就构成了一个自动控制系统。 
通常将PLC当作一个黑盒子，我们可以简单地根据I/O信号来判断故障的位置。判断故障的情况有两种，即模拟屏上闪烁的故障信号和该运行的设备在模拟屏上无显示。 
1、模拟屏上闪烁的故障信号 
根据PLC控制站图纸，先检查该设备在模拟屏PLC柜内的显示状态，如果相符合再检查现场PLC柜的显示状态，同样符合时再继续检查PLC柜的I/O端子、外联设备的I/O端子，并由此推断出是设备故障还是PLC故障。以上过程可以用下面的框图表示（如图1）。 

图1 
判断PLC柜I/O端子、外联设备的I/O端子是否与状态信号相符的方法很简单，只要用万用表的直流电压档测量端子号与公共端的电压值，为24V表示断开，无信号；为0V表示接通，有信号。 
2、该运行的设备在模拟屏上无显示 
此时应判断是PLC没有给运行信号，还是给了运行信号而设备有故障不能运行。 
我们可以从现场的PLC柜的输出模块地址中观察有无信号显示，继而检查PLC站输出继电器有无吸合，再看外联设备的电气柜有无驱动信号。如有，而设备无运行，则是设备有故障，如果设备正常运行，则应从外联设备的输入端往回查，过程正好与种故障检查过程相反。 
以上过程可用下面框图表示（如图2）： 

图2 
如果设备正在运行，则按以下框图检查（如图3）。 
对模拟信号的检测，因仪表采用的是4~20mA输入，所以在模拟信号输入端串联一个万用表，检测模拟信号的电流值，并与PLC的输出值做比较，便可知道数值是否正确。

图3 
有一种简单的方法可以迅速判断是PLC故障还是电器设备的故障，就是采用短路法：将外联设备状态输入线断开，用一条导线将输入端口和公共线相连，这意味着给PLC一个接通的信号，如果PLC有显示，则PLC正常；反之为PLC故障。 
找到故障点以后应做出相应的处理。一般来说PLC发生故障的可能性较小，大部分故障原因是接线松了，或线接错了，或继电器有故障等，亦有PLC模板烧毁的情况，这时只能将PLC模板换掉。记住一定要断电操作，否则容易把好的模板烧毁，亦可能会牵连到PLC处理