西门子6ES7231-7PF22-0XA0产品特点
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tigao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。
可编程序控制器（PC）的应用中，我们常会碰到对继电器控制系统的改造问题，这时我们往往要参考原有的继电器控制电路来编制PC的应用程序。因此，在编程时，我们应注意PC控制系统与继电器控制系统工作方式上的一些不同。
下面我们看一个例子：一个继电器控制回路如图1 所示。
因继电器控制系统是以“并行”方式工作的，而且其触点的通断需要一定的动作时间。所以当该电路起动后，时间继电器KT延时时间到时，KT是否能继续保持通电状态，需要同时考虑“并行”的两个动作过程：KT的常闭延时触点断开，KA1失电，KA1常开触点断开；KT的常开延时触点闭合，KA2得电，KA2常开触点闭合。这两个过程作用的结果，来决定KT的状态。同时，触点动作时间的存在，使得电路出现时序竞争。因此该电路不能可靠工作。如果加入虚框中的回路，并如图1把KA2的常开触点换成KA3的常开触点（见图1中括号）。结果是KT动作后，KT自身失电，就不会继续保持通电状态。
同样是这个电路，我们用PC来实现，梯形图如图2 所示。
PC是以“串行”方式工作的，也就是以扫描的方式，循环地、连续地、顺序地，逐条执行程度的方式工作。同时，PC中，软触点的动作可认为是瞬时完成的，且其能把本次动作的结果记忆保持到下一次扫描运算时为止。即具有记忆保持功能。按这样一个顺序“串行”的工作方式，梯形图动作顺序如下：当在某一扫描周期中TIM00延时到后，则：
1. TIM00常闭触点断开（OFF），0000 OFF；
2. TIM00常开触点闭合（ON），0001 ON；
3. 0000常开触点OFF，0001常开触点ON，TIM00继续保持通电状态。而且不论我们在0001与TIM00之间再加多少级前面继电器电路所加的虚框中的回路，并把0001常开触点换成所加回路后一级继电器的常开触点，TIM00仍能继续保持通电状态。
同样的电路，由于继电器控制系统和PC控制系统工作方式上的差异，两者会有不同的动作结果。注意到这一点，我们在编程时，就会避免一些不应有的错误。同时利用PC的一些特点，编出功能
一、概述
锅炉是目前城市的主要空气污染源，尤其是在北方城市，烟筒林立的现象仍然存在。改善这种情况的方案之一是拆除那些设备陈旧、效率低、污染大的小锅炉房，合并成大锅炉房实行集中供热，并采用计算机控制、变频器等先进技术，从而有效地减少污染，tigao效率，节约能源，同时也可以tigao供暖质量，目前很多城市在实施这一方案。
某高校原有四台个小锅炉房，现改造合并成一座大锅炉房，新建四台锅炉，其中一台15吨蒸汽锅炉，三台20吨热水炉，负责全校教学区，宿舍区，家属区的供暖任务，以及食堂，浴池等的供汽任务。我们结合多年设计锅炉控制系统的经验，为新锅炉系统设计了热工控制部分，锅炉的鼓风，引风，炉排，以及供暖循环泵等都采用变频调速控制，锅炉系统则采用自行设计的计算机集散控制系统，实现了供暖锅炉的现代化控制与管理。本文介绍此集散控制系统的设计与实现。
二、系统总体结构
锅炉系统工作在高温高压条件，有一定的危险性，对控制系统的可靠性要求高，因此在系统结构上，我们采用了集散型控制系统的方案。系统主要由现场控制层、车间监控层和企业管理层三个层次构成。选择研华Adam5511软PLC做现场控制单元，每台5511完成一台锅炉的控制任务;监控层采用奔腾III工业控制机做上位机操作站，显示实时数据以及操作画面;系统设置有数据库服务器及WEB服务器，管理人员可以通过
internet浏览锅炉的实时和历史数据，并据此进行系统的运行优化等工作，构成了系统的管理层。现场控制站与操作站之间采用RS485总线，MODBUS协议通讯;操作站、工程师站及服务器之间采用以太网连接。整个系统可靠性高，同时又具有先进的控制与管理功能，而其成本较采用进口DCS低一倍以上，因此是类似系统的方案。系统的总体结构如图1所示。
图1 系统总体结构
三、系统功能设计
1） 车间监控层及管理层
监控层设置两台（或多台）操作员站、一台工程师站，一台服务器。操作员站采用研华奔腾III工业控制微机，主要用于锅炉系统的数据显示及进行控制操作，工程师站采用奔腾IV微机，用于进行系统参数设定及系统维护。
操作员站的主要功能是提供给锅炉系统操作人员一个直观方便的人机界面。系统可具有两个或两个以上的操作员站，他们具有同样的功能并互为备用。操作员站设置有如下显示画面。
l 流程画面：将现场控制站采集的现场数据及工艺参数显示在流程图的相应位置上，通过动画直观的显示锅炉运行状态及各种实时数据。操作人员可根据此画面了解整个锅炉系统的运行情况
l 工艺参数画面：以数据表格的形式实时显示各工艺参数与对应的名称，单位，同时可显示对锅炉耗煤量，产汽（供热）量，用水量等的计算和累积结果。
l 调节画面：将系统各控制回路的运行状态和有关参数以调节棒图的形式显示出来。可以显示回路的手自动状态。操作人员利用键盘或鼠标方便的对各控制回路，的控制参数进行再线修正。
l 报警画面：用于记录何时何地有何报警，以便有关人员查询，同时实现安全连锁控制
l 历史趋势画面：用于记录系统主要工艺参数的长期历史趋势数据，以曲线的形式显示出来，可为分析系统运行情况及效率，查找故障等提供依据。
工程师站除具有操作站的全部功能外，还具有参数设定与修改，系统维护等功能。可设定系统的各模拟量测量点的标度变换系数、热电阻、热电偶的线性化参数、孔板liuliang计算参数、给煤量计算参数、锅炉及供热热效率参数、各控制回路组态参数、及PID参数等。工程师站负责系统的打印任务，可打印即时报警，历史报警记录以及锅炉运行日志和历史数据表格等。
系统通过Web服务器将锅炉系统数据及工艺参数送至校园网或企业内部网，使有关领导可从内部网上看到锅炉系统的运行状况，并可实现系统的远程诊断和维护。
管理层实现更的管理功能，位于企业厂长经理室，可通过internet 浏览系统 的运行数据，监视系统的运行状态，对系统的运行进行计算统计和优化等。工程技术人员或企业领导无论出差何地，都可查看系统数据，甚至进行系统维护。
2）现场控制层
现场控制层采用研华公司的产品，称为软PLC的 Adam5511. 这是一种模块化的工业控制机，固化有dos操作系统，支持C语言编程，支持Modbus通讯协议，每台锅炉由一台Adam5511负责对其进行数据采集及控制，另有一台Adam5511负责系统公共部分的数据采集及控制。
每台Adam5511配置16点模拟量输入，4点模拟量输出，16点开关量输入输出。可采集16点锅炉运行现场数据，组成4个闭环控制回路。分别控制蒸汽锅炉的水位、汽压、炉膛负压，鼓风四个回路或热水锅炉的出水温度、炉膛负压及鼓风三个回路。
四、系统软件
系统的操作站软件采用了中文工控组态软件MCGS设计，MCGS是全中文工业自动化控制组态软件，可稳定运行于bbbbbbs95/98/NT操作系统，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，使生成的系统图文并貌，运行稳定可靠。
系统的现场控制站的软件采用Turbo C 3.0设计，软件采用模块化的设计方法，它以实时数据库为核心，各种数据采集、处理、运算以及控制功能都设计成功能块的形式，系统的实时数据以及各功能块参数都存于实时数据库中，各功能块通过实时数据库交换数据。可通过在上位机进行组态然后下载组态参数至5511中构成新系统。控制站与操作站之间采用modbus协议交换数据。
五、锅炉系统控制回路
锅炉是一个复杂的控制对象，其控制回路非线性严重，同时控制回路之间有耦合，因此系统采用智能变形PID算法，配和前馈等控制方法实现对锅炉个回路的控制。
小型蒸汽锅炉的控制回路主要包括蒸汽压力、汽包水位、炉膛负压和鼓风控制回路;热水锅炉则包括出水温度、炉膛负压和鼓风控制回路。
锅炉的蒸汽压力（或出水温度）以及炉膛负压、鼓风控制回路构成锅炉的燃烧控制系统其控制方案是采用蒸汽压力或出水温度为主调量，通过调整炉排转速使蒸汽压力或出水温度尽快达到给定值，同时配合风-煤配比控制鼓风量达到经济燃烧，炉膛负压回路则将炉膛内的压力保持在微负压。
热水炉的出水温度设定值跟随室外温度的变化自动修正，使用户室内的温度保持恒定，同时实现经济供热。温度设定曲线可根据不同供热时期有所变化改变。
锅炉水位控制回路使锅炉水位保持恒定，由于锅炉水位受蒸汽负荷的影响较大，容易产生假水位，因此给水控制回路引入蒸汽liuliang及给水liuliang前馈控制的三冲量控制方案，以消除假水位的影响。
除常规控制回路外，对锅炉燃烧控制系统，我们还设计了自动寻优算法。锅炉运行过程中，寻优程序将根据计算出的锅炉热效率以及燃烧情况，自动调整锅炉的风煤配比，使燃烧达到佳，从而实现节煤和减少污染的目标。
六、结束语
本文设计的集散型锅炉微机控制系统经实际使用，完全达到了设计要求。该系统的使用使城市小区供热锅炉的控制与管理达到了新的水平，可显著tigao供热系统的运行效率以及供热效果，在节约能源，减少城市污染方面效果显著。根据运行结果初步统计，供热锅炉使用变频器及本文设计的集散微机控制系统后，可以节电30-40%，节煤3-5%，一年就可收回投资成本，是城市集中供热计算机控制系统的方案。
