西门子模块6ES7211-0BA23-0XB0型号齐全
1 引言
PLC（可编程控制器）是20世纪80年代发展起来的新一代工业控制装置，是自动控制、计算机和通信技术相结合的产物。它不仅具有优越的控制性能，良好的性能价格比，而且具有较高的可靠性和抗干扰能力，在自动控制各个领域应用相当普遍[1]。
在制药厂，为了保障药品的质量，对清洁区的洁净度和温度、湿度都有很高的要求。例如汉江药业集团一分厂对洁净区的标准是：洁净级别30万级，温度18～26℃、相对湿度45～65%[2]。因此，空调系统是否高效运行将不仅影响药品的质量，而且也会造成能源的浪费。本文就汉江药业集团的空调系统运行要求，选用PLC作为核心控制器。同时用工控机作为上位机与PLC通信，实现对整个控制系统的组态和监控。
该药厂的空调系统由两台抖动电机、一个电动风门、一台送风机、三台引风机、两台除尘风机、一个蒸汽电动阀和两个冷液电动阀组成。要求系统运行时首先打开两个电动阀，然后按一定的顺序运行各个送风机，关闭时先关闭电动阀，然后按一定顺序关闭各个风机，达到除尘、送风、降温或升温的目的，保证清洁区达到指标要求。同时，系统要具有定时自动、手动运行功能，并要求在系统出故障时可以报警并诊断故障类别。
2 系统硬件设计
该药厂空调系统长期以来是采用继电器和接触器，采用人工操作的方法进行控制，其控制系统复杂，可靠性低，维护繁琐，能源利用率低，而且经常带故障运行，设备耗损大。采用PLC，不仅能实现对开关量的逻辑控制，同时具有强大的计算功能，还能实现与工业计算机等智能设备之间的通信。因此，将PLC应用于本系统的控制，能很好的满足技术要求，具有操作简单、运行可靠、自动化程度高等优点，再加上故障诊断功能，使系统维护更简单、快捷、准确。
该空调系统需要控制九台电机，三个阀，同时需要指示，报警等功能。根据系统的控制要求，统计出其需要16个信号输入点，23个信号输出点。同时又对各种PLC性能指标、适用性、认知程度等进行比较，后本系统选用了西门子公司的S7-300型PLC，它 指令丰富，功能强大，可靠性高，适应性好，结构紧凑，便于扩展，性价比较高。PLC硬件组态如下：电源PS307 5A，CPU312C（带10点输入和6点输出），64K存储卡，扩展模块有数字输入模块SM321（32点输入），数字输出模块SM322（32点输出）。PLC配置完全满足系统需要，且便于系统扩展和组网。该控制系统的结构如图1所示。
图1 PLC控制系统的结构图
该系统以PLC为核心，PLC从控制面板以及现场获得信号，然后对执行器进行控制。上位机可以从PLC获取信息，并且可对PLC进行设置和控制。
PLC输入输出端子分配如图2所示。使用转向开关I4.0来选择系统的运行状态为自动或手动。按钮I4.1和I4.2只有在手动后才有效，用于手动控制风机、电动阀的开与关。端子I4.3～I5.6表示现场执行器的反馈信号，其中有两个端子表示现场温度的上限和下限。
输出端子Q0.0是系统运行指示信号。Q0.1～Q1.4用来控制电动机的顺序、定时运行。Q1.3、Q1.4和Q3.5控制三个电动阀的开关。Q1.6～Q2.7用来显示各个执行器的运行状态。Q3.0是系统的故障报警。Q3.1～Q3.4表示系统的故障类别，它可以表示16种故障类别，这样的设计可以充分利用PLC的端子，节约成本。
图2 输入、输出端子配线图
3 系统软件设计
系统的程序设计是在STEP7 V5.2软件平台下进行的。STEP7 V5.2可支持梯形图、SIMATIC指令和功能图。且具有指令丰富、结构清晰、编程方便的优点。在程序设计中，将整个系统分为：“手自动切换及互锁”、“自动运行定时”、“顺序开关风机及电动阀”、“故障报警与诊断”等模块。
系统进入运行状态后，首先根据转向开关确定是进入自动状态还是手动状态。在手动状态下，可以在控制面板上进行手动操作。在自动状态下，系统将自动按流程工作。在系统运行时，首先检测各执行器是否正常（接触器触点是否粘合）以及电动阀的状态。如果发现异常，则报警并给出故障类别（故障位置），然后系统处于等待状态，等待故障排除，重新运行;如果正常就进入运行状态。首先两台抖动电机运行30秒后停机，同时打开电动风门，3秒后启动空调送风机，然后顺序启动三台引风机，后是两台除尘风机。系统进入正常运行过程中，故障诊断程序不断扫描各个反馈信号，当任一风机过载不能正常运行或加热器、冷凝器工作异常超温时，空调机组自动停机，故障部位报警指示。无故障时，等待自动关机或手动关机。在每个PLC循环周期只运行一个状态的指令，这样可以节省CPU的资源，提高系统的实时性。系统控制程序的流程图如图3所示。
图3 系统软件流程图
4 系统故障诊断
故障诊断是该系统中的一个重要环节。及时有效的给出故障报警和故障位置可以帮助技术人员快速准确的查找故障和恢复故障，这一点在药品的生产过程中非常重要，因为药品生产对工作环境要求很高。
本程序中的故障诊断分为启动前、启动中和启动后三个级别的故障诊断。在启动前，判断各执行器触点是否处于断开状态，主要是根据输入端子的反馈信号的有无进行判断;在启动过程中，由于各风机均需要间隔启动，可以在程序中给每台电机设定两个定时器，一个用于电机定时，一个用于反馈信号定时，当启动时间到而反馈信号没有时，就可判断出该电机出现故障。启动完毕后，再次判断各接触器状态，此时，由于抖动电机运行30秒后处于关断状态，其它风机处于运行状态，判断方法同启动前故障诊断方法。根据运行情况，系统主要存在9大故障。为此，采用4个输出端子指示故障类别（可扩展指示16种故障）。
5 结束语
本文作者创新点是采用西门子S7-300完成药厂空调控制系统，尤其是设计了故障诊断程序，根据PLC自带指示灯可查看故障类型，给用户带来极大方便。该控制系统由汉江药业股份有限公司提出，由陕西省工业自动化重点实验室研制。经过对系统的研究、设计、开发，控制系统已投入运行。从实际的运行效果来看，满足了药品生产洁净区对空调设备的指标要求。采用PLC作为本系统的核心控制器，保证了系统运行的安全可靠，提高了设备的自动化水平，维护和检修方便。得到用户的欢迎。
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。
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。
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。
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。
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 引言
某厂的B2025龙门刨是七十年代初由武汉重型机床厂生产，其控制系统是传统的继电器-接触器控制系统，工作台前进、后退、升速、减速及超程保护等重要位置采用的是有触点的行程开关，它们动作频繁，触点经常出现粘连，或闭合不好，导致工作台工作故障，维修工作量大，影响生产;同时，机床的主拖动系统采用直流发电机-直流电动机拖动系统，调速系统采用半导体分离元件，以及接插件结构，不仅噪声大，浪费能源，而且在经过近三十年的使用后，整个系统已经严重老化，在低速段已严重不能达到加工要求，有时候甚至会出现爬行现象，调速性能极不稳定。为了充分利用机床仍然良好的机械精度以及完好的大功率直流电机，有必要利用现代控制技术和电力电子技术对机床的控制系统和驱动系统进行技术改造。
2 系统需求分析
进行机床改造的总体设计时，需要考虑到控制系统和驱动系统的协调。本机床的动作控制绝大部分属于逻辑控制，因此选择可编程序控制器来完成机床的动作控制。由于原机床的直流电机功率为60KW，成本较高，而且仍然完好，所以工作台仍然采用原直流电机驱动;而直流驱动部分涉及到调速需要，一方面在正常加工时工作台的正、反向运行速度需要根据工作台的位置自动调整，另一方面工作台的切削运动速度又要根据切削用量进行调整。结合工厂的实际情况，本机床只用于粗加工，因此，不同的速度需求主要是工作台往返工作造成的，而对具体的速度值的精度要求并不高，因此驱动系统选择欧陆590系列全数字直流驱动器594。
3 硬件组成
3.1 硬件系统方案
根据系统需求分析，确定出整个控制、调速系统的硬件方案如图1所示。
悬挂操作站主要提供工作台前进起动、工作台后退起动、工作台步进前进、工作步进后退、横梁上升、横梁下降、垂直刀架快进、左侧刀架快进、右侧刀架快进和急停等信号。
控制柜按钮主要提供工作模式选择、工作刀架选择、594使能、594使能停止、程序停车、停车和急停等信号。
各种行程开关包括工作台前进、后退中减速和换向接近开关、各刀架抬落刀行程开关、各刀架进刀行程开关和横梁放松行程开关。
各类保护信号包括各刀架抬落刀电机的热保护、各进给电机热保护、横梁松紧电机的过流保护、通风电机的热保护、左右垂直刀架的位置保护横梁上下位置的保护、左右侧刀架的位置保护等信号。
速度给定电路由电位器调节输出电压，由PLC选择速度给定电路的输出电压，将此电压信号传送给594，从而控制工作台直流电机的转速和转向，实现工作台的调速和换向要求。
图1 控制系统硬件组成方案
3.2 硬件设计
本系统的输入输出全部是数字量，其中，数字量输入点总计66个，数字量输出点总计37个，因此选择西门子PLC CPU224（AC/DC/继电器）为主机，并扩展5个数字量扩展模块，它们分别是一个EM223（16DI/16DO，继电器输出）、一个EM223（16DI/16DO 晶体管输出）、三个EM221（8DI）。
速度控制电路如图2所示。直流驱动器594的B3为+10V参考电压端子，B4为-10V参考电压端子，A1为0V参考电压端子，A4为速度给定电压端子，R1～R8为可调电位器。B3与0V参考电压端子之间可以有四条回路：从B3端分别经R5、R6、R7、R8，然后到A1，这四条回路中每接通一条回路，速度给定电压端子A4就从相应的电位器上取得相应的电压，从而实现给定一定的速度，A4从这四条回路取得的电压为正电压，此时电动机正转，驱动工作台前进。同理A4从B4与A1之间所形成的回路取得四种负电压，从而实现电动机的反转，驱动工作台后退。
图2 速度给定电路
4 软件设计
按照机床的工作要求，同时考虑到尽量符合改造前操作人员的操作习惯，设置了自动工作模式和手动工作模式。
手动工作模式下能够完成垂直刀架快速进给、左侧刀架快速进给、右侧刀架快速进给、横梁升降控制、工作台步进前进和工作台步进后退等动作。
4.1 横梁升降控制
横梁升、降的前提是横梁处于松开状态;横梁下降到指定位置后，一方面要保证横梁保持水平，另一方面要尽快制动横梁的下降运动，设计中使横梁有短暂的上升动作来达到要求;横梁上升或下降完毕后还需要让横梁夹紧。图3给出了横梁升降控制PLC梯形图。
图3 横梁升降控制程序段
图3中Network 4程序段完成横梁的下降控制，当按住横梁下降按钮（I0.1），横梁开始放松（Q0.2），放松完毕，放松限位开关（I0.2、I0.3）接通下降回路，横梁开始下降（Q0.1）;横梁下降到位，松开下降按钮（I0.1），其常闭触点接通，取其上升沿接通横梁上升（Q0.0）回路并自保持，同时计时器T37开始计时，计时时间到，横梁上升结束。其它输入输出有横梁上升按钮I0.0、横梁夹紧电流继电器I0.4、横梁上升限位开关I0.5、左侧刀架与横梁互碰限位开关I0.6、右侧刀架与横梁互碰限位开关I0.7、横梁夹紧接触器Q0.3。
4.2 刀架进给、制动控制
在自动工作模式下，需要进行刀架的进给、制动控制。为了检测进给电机的转数，将进给电机的转动信号通过凸轮机构传递给行程开关。通过控制进给电机的转数达到控制进给量的目的;进给电机每转代表的进给量是通过调整进给箱的传动比实现。图5所示为自动工作模式下右侧刀架的自动进给控制梯形图。
图5 右侧刀架进给程序段
右侧刀架被选中（I3.4）工作的情况下，若进给电机过载保护继电器（I3.5）没有动作且自动进刀选择开关（I3.2）接通，同时右侧刀架处于正常位置，即右侧刀架与横梁互碰限位开关（I3.1）右侧刀架下限位开关（I3.0）未受压，则进行进给动作（Q2.4）;进给电机转动时，右侧刀架进给检测行程开关（I3.3）从接通到断开到再接通，利用其上升沿通过计数器（C3）进行计数;当计数器计数到预置值，进给完成，停止进给电机。另一方面，利用计数器的上升沿启动电容制动回路（Q2.5）并开始计时器（T44），计时时间到，断开电磁制动回路，从而完成进给过程。左侧刀架、垂直刀架的进给、制动与此类似。
通过拨码开关可以设定每次进给时进给电机的转数（限制在1～4的范围内），并将设定值存储在VW4中，从而达到调整进刀量的目的。
5 结束语
本机床经改造后一年多的运行情况证明，采用PLC和欧陆594对机床进行改造后，既没有改变操作人员的操作习惯，又增强了进给控制功能，同时提高了控制系统和驱动系统的可靠性和稳定性。本项目实施后产生的经济效益150万元。
本文作者创新点：利用PLC设计了方便、实用的速度给定电路，与采用操作员面板设定速度、利用通讯功能设定速度相比，成本低廉，适用于对速度精度要求不高的普通机床。
