6ES7231-7PF22-0XA0现货充足
1 引 言
随着计算机技术引入工业控制系统，PLC已经成为工业自动化控制系统的重要组成部分。包钢原料场是一个大型综合原料处理系统，整个综合料场占地约6平方公里。要保证一个大型现代化钢铁企业正常运转，首先必须保证原料正常、稳定、高效供应。包钢原料场工艺复杂、设备多、距离长，原料场主要生产设备有：胶带运输机、堆料机、取料机、带斗门机、圆盘给料机、卸车机、移动小车等。由这些设备组成输入、混匀、配料、输出等主要系统。这些运输系统由皮带运输机构成复杂的运输网络，工艺流程复杂。为提高设备效率，稳定地向高炉、烧结供料，必须实现原料处理作业的自动化控制。
2 控制系统的组成及原理
电气控制设备主要由浙江中控技术有限公司的GCS-1控制系统和各种电机和变频器组成。
2.1 网络结构
2.1.1 系统网络拓扑图
由于整个料场设备很多，所以控制系统依据现场电气的分配原则分为11个控制站（电磁站），分别控制混匀系统、卸料系统、矿石及焦炭筛分系统、原料输入系统、原料输出系统、除尘系统的各个设备。每个控制站均采用冗余的PLC控制系统，通过双层双光纤环网与中心调度室进行通讯，来实现设备的监控。系统整体架构如图1。
图1 系统整体网络结构拓扑图
2.1.2 双层光纤环网
由于系统分站较多，地域广，而且系统要求的可靠性很高，所以在网络结构中采用冗余方式。双层光纤环网由两个平行的单层光纤环网构成，主要网络部件采用MOXA的光纤转RJ45口的光纤环网交换机。它除了具备光纤网络的传输距离远，传输信号不易受到干扰的特点外，还具有环网的优点，处在环网中的任何节点断开或环网中的任一点断开，并不会影响网络的正常运行，只是由原来的环网变为单总线的网络结构，从而提高了网络的可靠性。双层的环网结构本身就具有冗余的功能，使网络更加可靠。
2.1.3 控制站内部网络结构
在各控制站中均配置为冗余的CPU，使各站具有冗余功能，各有两个光纤环网交换机，用于连接两层光纤环网。由于整个综合料场是一个整体，工艺系统结构紧密，设备间连锁信号较多，而我们各个控制站的分站原则是按照电气站进行分离的，主要依据是现场各个设备所在的地理位置，人为将整个系统进行分割，所以在各个控制站的站间数据交换将非常频繁，而且相对比较重要，因此我们将CPU以太网接口直接与光纤交换机相连。
三、控制系统方案
1. 将定位过程划分为脉冲当量不同的两个阶段
要获得高的定位速度，同时又要保证定位精度，可以把整个定位过程划分为两个阶段：粗定位阶段和精定位阶段。这两个阶段均采用相同频率的脉冲控制步进电机，但采用不同的脉冲当量。粗定位阶段：由于在点位过程中，刀具不切削工件，因此在这一阶段，可采用较大的脉冲当量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。例如步进电机控制脉冲频率为20HZ，脉冲当量为0.1mm/步，定位距离为120mm，则走完全程所需时间为1分钟，这样为速度显然已能满足要求。精定位阶段：当使用较大的脉冲当量使刀具或工作台快速移动至接近定位点时，（即完成粗定位阶段），为了保证定位精度，再换用较小的脉冲当量进入精定位阶段，让刀具或工作台慢慢趋近于定位点，例如取脉冲当量为mm/步。尽管脉冲当量变小，但由于精定位行程很短（可定为全行程的五十分之一左右），因此并不会影响到定位速度。
为了实现上述目的，在机械方面，应采用两套变速机构。在粗定位阶段，由步进电机直接驱动刀具或工作台传动，在精定位阶段，则采用降速传动。这两套变速机构使用哪一套，由电磁离合器控制。
2. 应用功能指令实现BCD码拨盘数据输入
目前较为先进的V80系列PLC不仅具有满足顺序控制要求的基本逻辑指令，而且还提供了丰富的功能指令。如果说基本逻辑指令是对继电器控制原理的一种抽象提高的话，那么功能指令就象是对汇编语言的一种抽象提高。BCD码数据拨盘是计算机控制系统中常用到的十进制拨盘数据输入装置。拨盘共有0~9+个位置，每一位置都有相应的数字指示。一个拨盘可代表一位十进制数据，若需输入多位数据，可以用多片BCD码拨盘并联使用。
笔者选用BCD码拨盘装置应用于V80系列PLC控制的系统，这样无需再设计数码输入显示电路，有效地节省了V80系列PLC的输入点，简化了硬件电路，并利用先进的功能指令实现数据的存储和传输，因此能极方便地实现数据的在线输入或修改（如计数器设定值的修改等），若配合简单的硬件译码电路，就可显示有关参数的动态变化（如电机步数的递减变化等）。为避免在系统运行中拨动拨盘可能给系统造成的波动，好设置一输入键，当确认各片拨盘都拨到位后再按该键，这时数据才被V80系列PLC读入并处理。
3. “软件编码、硬件解码”
为满足压缩输出点这一前提条件，采用“软件编码、硬件解码”的方法设计V80系列PLC的数码输出显示电路。例如，对于9种及其以下的故障状态显示，可采用8-4软件编码，4-8硬件解码，使显示故障的输出点压缩为4个，硬件电路包含74LS04、74LS48、共阴数码管等器件。
4. PLC外部元件故障的自动检测
由于PLC具有极高的可靠性，因此V80系列PLC控制系统中绝大部分的故障不是来自PLC本身，而是由于外部元件故障引起的，例如常见的按钮或行程开关触点的熔焊及氧化就分别对应着短路故障及开路故障。系统一旦自动检测到元件故障，应不仅具有声光报警功能，而且能立即显示故障代码，以便用户据此迅速判断出故障原因。
四、控制系统的软件结构
软件结构根据控制要求而设计，主要划分为五大模块：即步进电机控制模块、定位控制模块、数据拨盘输入及数据传输模块、数码输出显示模块、元件故障的自动检测与报警模块。
由于整个软件结构较为庞大，脉冲控制器产生0.1秒的控制脉冲，使移位寄存器移位，提供六拍时序脉冲，通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y430、Y431、Y432按照单双六拍的通电方式控制步进电机。为实现定位控制，采用不同的计数器分别控制粗定位行程和精定位行程，计数器的设定值依据行程而定。例如，设刀具或工作台欲从A点移至C点，已知AC＝200mm，把AC划分为AB与BC两段，AB＝196mm，BC＝4mm，AB段为粗定位行程，采用0.1mm/步的脉冲当量快速移动，利用了6位计数器（C660/C661），而BC段为精定位行程，采用mm/步的脉冲当量jingque定位，利用了3位计数器C460，在粗定位结束进入精定位的同时，PLC自动接通电磁离合器输出点Y433以实现变速机构的更换。
五、结束语
系统试验表明，本文提出的应用V80系列PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的方法能满足控制要求，在实际运行中是切实可行的。所研制的控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可应用于工矿企业的相关机床改造。
3 系统软件设计
PLC常用的编程语言有梯形图语言（LD）、顺序功能图语言（SFC）和功能块语言（FBD），四级皮带输送机控制系统属于典型的顺序控制，所以主要采用顺序功能图（SFC）编程。图2为系统程序流程图。
图2 程序流程图
顺序功能图主要采用步进梯形指令编程方式，为了编程方便，程序中采用了许多中间继电器进行程序的记忆、转换，同时程序中还使用许多内部定时器完成延时功能。
3.1 起动程序
首先，在准备工作时，把就地集中转开关闭合，北线开关闭合，给煤机选择开关闭合，要自动卸料，把自动卸料开关闭合，做好启动前准备工作。准备工作完备后，按下开车按钮，皮带运输机按编写好的程序在PLC的控制下一步步的启动。图3为起动程序流程图。
图3 起动程序流程图
3.2 工作程序
当所有的设备启动后，皮带运输机就开始正常的运煤工作，自动卸料的电动推杆式卸料器在锅炉位置开关的控制下自动工作。
3.3 停止程序
工作完毕之后，锅炉注满了，按下停止按钮，然后皮带运输机按程序逐步停止。后所有设备全部停下，等待下一次的工作开始。
3.4 故障程序
在该四级皮带运输机的故障回路中用了下降沿微分输出指令，在设备正常工作时它遇到上升沿不起作用，当故障时设备停止运行，它就接通故障继电器线圈，使故障输出，故障报警，设备停止运行。在正常的停车情况下，它被停车预告输出断开无效，使其不误报故障。
若运行中出现故障，使某一设备不能正常运行，只要该设备因故障而停车，一个下降沿到了，就会接通PLC中的故障中间继电器，故障线圈闭合，把运行电路断开全部停车，发出故障报警声。等到故障解除然后恢复正常。
4 结 语
，本系统方案不仅选择了成熟、可靠的软/硬件，并充分考虑了系统的扩展性，符合控制管理一体化潮流，对今后控制功能和管理功能的扩充提供了很好的基础。本系统自投入运行以来，运行状态良好，自动化水平达到国内同行业的水平，取得了良好的经济效益和社会效益。此项目的经济效益约20万元。
本系统的创新点主要有：改用气垫带式输送机，没有滚筒和承载托辊，减小了摩擦损耗和功率消耗；电气控制采用PLC与接触器结合，解决了传统的继电器接触器控制的诸多问题，提高了系统的抗干扰能力，降低了故障率，使运行安全可靠。
1 系统功能
1.1 系统组成
热电站装机容量13000KVA,全部采用煤发电，安装了四台大型锅炉，小的75吨，大的165吨，燃煤量大，运输皮带长，级数多，运输控制保护闭锁多。
热电站燃料准备系统主要有桥式抓斗起重机、给煤机、皮带输送机、皮带鼓风机、除铁器、刮板输送机、棒条筛、环锤式破碎机、煤位传感器、锅炉位置开关等组成。图1为四级皮带运输系统框图。
图1 四级皮带运输系统框图
1.2 控制要求
热电站燃料准备系统，是一个大型的皮带运输系统，工作任务重，带锅炉多，用煤量大，上燃料的保障性、可靠性、准确性、及时性，直接关系和影响着全厂的供电质量和生产效益，所以必须保障这套系统在运作过程中的可靠性。
要求皮带运输系统从后一条皮带按四、三、二、一逆序启动，加可靠的互锁环节。前三条皮带都是气垫式皮带运输机，在皮带启动前要求首先启动它们各自的鼓风机，把皮带吹起，以减小皮带运行时的摩擦，如果鼓风机没有开动，不允许皮带开动，皮带和鼓风机之间要加互锁。四号配仓皮带给锅炉下料，用电动推杆犁式卸料器进行手动和自动下料控制。
用煤流传感器、行程开关控制皮带运行时间。为了提高了系统运行的可靠性，正常运行时进行集中自动控制，在故障或特殊情况时可以现场手动控制。
在每级皮带上都装有除铁器，由于煤中混有杂物，如铁器、易燃易爆的金属物质，特别是雷管，雷管若随煤混进锅炉，将会引起爆炸等危险事故的发生。雷管外面是铁皮裹着，除铁器可以对其起作用，阻止雷管等进入锅炉，引起事故，造成不必要的损失。所以除铁器不开动，皮带不允许开动。
皮带运输机没有开动，不允许开振动给煤机，若给煤机先开，会压死皮带，使其无法正常启动。同样，振动给煤机没有开动，不能启动抓斗起重机往给煤机中送煤，否则会压死给煤机，使其无法启动。
两台振动给煤机，一台正常使用一台备用，相互独立不可同时开，要求加互锁。
所有的皮带运输机设备都运作起来后，系统正常工作，使用自动下料，电动推杆犁式卸料器动作抬起放下，要靠锅炉的位置开关控制，自动抬起放下。出现故障，使用手动下料，加一个手动电葫芦使电动推杆犁式卸料器动作抬起放下。
系统要求皮带按一、二、三、四顺序停车，在皮带上装有煤流传感器，要求煤流传感器精度要高，当煤流走完后，通过煤流传感器把皮带停下来。先停给煤机，再停一号皮带，按煤流走完的顺序停皮带，上一级皮带煤流未走完，下一级皮带不允许停下，不能误动作，加必要的互锁保护。
在考虑集中控制的同时，也要考虑现场控制，以免现场发生故障，不能停车，要设现场故障停车开关。设有故障检测及报警系统，对皮带运输机运行状况进行监控，若系统某一部分发生故障，要有报警信号，传入控制室，运行设备在集控室设指示灯，正常运行工作，指示灯亮;故障时指示灯闪烁，电铃响；停止状态指示灯灭。
2 系统硬件设计
2.1 气垫带式输送机
采用气垫带式输送机，既将通用带式输送机的支承托辊去掉，改用设有气室的盘槽。
由于气垫带式输送机没有滚筒和承载托辊及其阻力，由盘槽上的气孔喷出的气流在盘槽和输送带之间形成非接触支承气膜，在通过盘槽时不出现挠曲和摩擦，从而显著地减小了摩擦损耗，气垫输送带的磨损和撕裂现象比槽形托辊输送带少得多，有效地克服了通用带式输送机的接触支承缺点，因此摩擦力小。功率消耗比普通带式输送机低，也不需要更换和修理托辊费用。不发生盘槽与输送机接触而损坏胶带的现象，鼓风机的维修费仅为槽形托辊修费的一小部分，控制设备也较为简单。
2.2 PLC选型
用PLC进行控制，外围设备少，占地空间小，是实现集控的良好设备，三菱可编程控制器（PLC）功能强，控制精度高，运行速率快，控制功能性好，可以较好地实现集中控制和就地分散控制。
现场的输入信号有起动、停止、煤流传感、南北线选择、锅炉位置、自动卸料、卸料器抬起和放下位置、给煤机选择等20个;输出信号有振动给煤机、皮带鼓风机、皮带除铁器、皮带运输机、棒条筛、破碎机、刮板输送机、卸煤器抬起和放下、故障报警、起动/停车预告等42个，为了减少成本并留有充分的余量，选基本单元FX2N-48MR和扩展单元FX2N-48ER。
5.4 上位机选型配置
根据实际需要选用14 台上位机做监控站，选一台笔记本作编程器。采用研华工控机，P4 处理器2.8G，内存512M，硬盘80G，3com 网卡，液晶显示器20 寸，其中：
热风炉操作室：2 台（2*2）；
槽下上料操作室：2 台（2*2）；
布袋除尘操作室：1 台；
综合水泵房：1 台；
高炉本体：2 台（2*2）；
笔记本选用DELL 公司产品作为编程器，配置为：DELL D610/迅驰1.73/512M/60G/康宝/64M 显卡/14.1”/232 串口。
5.5 网络部分
（1）PLC 与PLC 之间、PLC 与上位机之间采用工业以太网方式，通过多模光纤连接交换机形成光纤环网。
（2）网络部件
多模光纤交换机：2 对光口，6 个RJ45 口；采用MOXA 工业以太网交换机
尾纤：多模尾纤
光纤终端盒
多模光纤：2000 米
工业双绞线：若经过现场需穿管敷设
（3）网络图见附图三
附图三 GE FANUC RX7i系统网络配置图
5.6 软件部分选型
操作系统采用WIN2000 SP4 中文版；编程软件采用CIMPLICITY ME V5.0 版本2 套，监控软件采用IFIX3.5（无限点、2 套开发版、6 套为运行版）。
以往深沟球面内外套精磨床是采用继电器进行控制的，控制部分体积庞大，响应时间长，且可靠性不高，经常出现故障，磨床磨削工件的功能单一，有的磨床只能进粗磨，有的磨床只能进行精磨。完成一个成品工件加工，先在粗磨磨床进行粗磨，然后再将其送到精磨磨机进行精磨。基于这种情况，我们采用可编程序控制器对其控制电路进行了技术改造，将两台磨床的功能集中到一台磨床上实现，即粗磨、精磨一次完成。这样不仅可以减小控制部分体积、增强系统的可靠性，而且提高了系统的利用率，降低了成本，在实际应用中取得了很好的效果，对于工业企业实现相关机床的改造具有较高的应用与参考价值。
2 控制系统的设计思想
根据工件加工工艺的要求，控制系统设定了手动、自动、粗磨精磨定时等方案。
1. 手动/自动转换，当转换开关旋至手动状态时，自动不起作用，系统通过操作面板上不同的手动控制按钮来完成各道工序;类似的转换开关旋至自动状态时，按下启动信号，PLC则按预先设计的符合工艺要求的程序运行。
2. 粗磨阶段：油石的压力较大，主轴低速运转;精磨阶段：油石的压力较小，主轴高速运转。
3. 选用8421BCD码数据拨盘对粗磨精磨定时进行控制，工件加工时间可根据工艺要求选择不同的磨削时间，这样无需再设计数码输入显示电路，有效地节省了PLC的输入点，简化了硬件电路。
3 控制系统的硬件设计
控制系统采用日本三菱公司生产的F1-60MR可编程序控制器，其硬件框图如图1 。
图1 控制系统的硬件框图
由硬件框图可知，系统可完成如下功能：
（1） 主轴低高速自动转换。
（2） 工件架自动进退。
（3） 油石高低频振荡自动转换。
（4） 粗磨、精磨任意选时。
（5） 工件充退磁。
4 控制系统的软件设计
软件结构根据控制要求而设计，主要划分为四大模块：即手动模块，粗磨单循环模块，精磨单循环模块，循环启动（先粗磨后精磨）模块，由于整个软件结构的路程图较多，这里仅给出主程序流程图见图2和循环启动流程图见图3 （手动、粗磨单循、精磨单循流程图从略）。
图2 控制系统主流程图
图3 粗磨精磨连续运行流程图
5 结束语
通过对球面轴承外滚道超精机进行PLC控制技术改造，使得控制电路体积大大减小，消除了由中间继电器和时间继电器触点接触不良引起的系统故障。提高了生产效率，降低了工人的劳动强度，取得了显著的经济效益。
