西门子模块6ES7223-1BH22-0XA8产品特点

1.引言

　　由于实验室原有的控制系统使用的是十年前的人机界面和PLC，故其硬件均已老化，性能下降，在运行的过程中经常出现死机、黑屏、重启动，甚至某些画面参数不能修改;同时由于无相应的PLC编程器、编程软件和人机界面软件，因此可维修性也差。为了解决这些问题，我们采用西门子S7-200PLC和北京亚控公司的组态王6.05工控组态软件 的控制方案对小丸包衣制粒机的控制系统作了改进。

2.小丸包衣制粒机系统组成

　　小丸包衣制粒机系统组成如图1所示。小丸包衣制粒机是专门用于实验室或车间小批量生产的。药粉或类似的物料能在流化床中进行干燥、制粒以及包衣等过程。流化床物料容器底部装有筛网，药粉或小丸颗粒等类似的物料被盛放在筛网上。流动的空气经过滤处理后经容器底部的筛网向上流过，当流速达到一定速度时，颗粒 (药粉)就会被空气托起，床内粒子就开始流化起来，形成流化床。流化床内的颗粒(药粉)在容器中剧烈搅动，并延伸到容器的扩展区，细微的粉末或轻微的颗粒则被粘附在袋式过滤器上。为了防止袋式过滤器的堵塞，控制滤袋升降的气缸会有一个间歇的抖动操控。空气经过袋式过滤器、控制风量大小的风门和风道被风机引出室外的大气中。在这个过程中，流化床容器内的微粒能完全充分的与空气流接触，并且搅动剧烈，因而能够很好的完成充分干燥，良好制粒，精致包衣等制药过程。

　　图1 小丸包衣制粒机系统组成

3.系统主要控制要求

　　小丸包衣制粒机操作的基本控制要求包括五个方面。

　　(1) 产品温度控制

　　通过控制进风温度来控制产品温度。进风温度控制精度为±3℃，产品温度控制精度为±2℃。

　　(2) 进风风量的控制

　　控制精度为±40m3/h。

　　(3) 雾化压力的控制

　　即喷液装置喷射压力的控制，控制精度为±0.1bar。

　　(4) 密封压力的控制

　　产品容器必须与扩展仓密封，形成一个密闭的流化床反应器。采用油压装置进行密封，密封压力在35-70bar之间。

　　(5) 滤袋的抖动控制

　　抖动有单滤袋抖动和双滤袋抖动，有手动抖袋和自动抖袋。

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4.控制方案的选择

在电动伺服系统中减速器是一个重要部件,其性能对系统有着显著影响,其中首要的是总传动比的选择。

传动比选择的一般原则

（1）使减速器的转动惯量（换算到轴上）小。（2）使传动间隙小,或者减速器造成的传动误差小。（3）使电动机驱动负载产生大的加速度。对于操纵导弹舵面的舵机而言,快速性是重要的指标,所以一般应按加速度大原则来选择传动比。

按负载加速度大原则选择传动比

纯惯性负载设负载为纯惯性的,转动惯量为jl,并有一定的摩擦力矩mf。设电动机转子转动惯量为jm,减速器传动比为i,则换算到负载轴上的力矩平衡方程为imm-mf=（i2jm+jl）.ωl（1）式中mm———电动机输出的力矩;ωl———负载角加速度。由（1）式得.ωl=imm-mfi2jm+jl（2）对（2）式求导数 .ωl/ i,并令其为零,解得i=mfmm+（mfmm）2+jljm（3）即为满足加速度大条件的佳传动比。假若负载摩擦力矩mf=0,则有i=jljm（4）即为常用的选择佳传动比的公式,其实际意义是当按此式选择传动比之后,则电机转子惯量折算到负载轴上的值等于负载转动惯量。

即有i2jm=jl（5）满足此条件的传动比即可使负载有大的加速度。其次由（3）式可看到,摩擦力矩或恒定的负载力矩将使传动比增大。其意义也是明显的,因为mm一定,负载力矩增大时,只有提高传动比,才能提高推动负载的力矩。所以在设计中应根据实际负载情况,适当提高传动比。下面进一步分析负载对佳传动比的影响。

初速度不为零时佳传动比的选择导弹在机动飞行时,舵机要接受2种控制信号,种是导引头来的指令信号,它是频率较低而幅度大的信号;第二种是自动驾驶仪来的控制弹体姿态的信号,它是高频小幅度信号,要求舵机能快速响应。后一信号是叠加在前一信号上的,这时负载速度不为零,而且存在铰链力矩。因此我们需要分析在此条件下,如何选择传动比。

首先,在ωl≠0时,电机的输出力矩按其线性的机械特性（图2）应表示为设负载为综合的,即存在惯性、粘性及恒定负括干摩擦及铰链力矩）。力平衡方程为

i（mo-bmiωl）=（i2jm+jl）ωl+blωl+于是.ωl=imo-ml-（i2bm+bl）ωli2jm+jl求导数 .ωl/ i,并令其为零,解得优传动比i=mlmo+bmmo（blbm-jljm）ωl+[mlmo+bmmo（blbm-jljm）ωl]2+jljm式中ml———恒定负载力矩;bl———负载粘性摩擦系数;ωl———负载角加速度。

当ml=0,ωl=0时,则得到与（4）式相同的所以（10）式是普遍适用的。令i2o=jljm,m=mliom0,ω=ioωlωo,b=bli2obm则（9）式简化为i=iio=m+（b-1）ω+[m+（b-1）ω若m=0,b=0,i=ω2+1-ωω=0,i=m2+1+mb=1,i=m2+1+m即在b=1时速度对传动比选择无影响,一般1的情况下,i是随m及ω的增大而增大的在考虑负载综合作用及初速不为零的条件下传动比是要比io大一些。实际设计时,可按矩及角加速度的变化范围选取某一中间值。

　　4.1 两种不同方案的比较

　　小丸包衣制粒机的改进有两种方案可供选择，见表1:

　　在满足控制要求的前提下，控制系统硬件设备的选择应该追求佳的性能价格比。由于该机器的使用频率不高，平均每月一次，同时环境良好，因此采用PC+PLC的控制方案。当机器不用时，PC机可作它用。换句话说，利用公用PC机即可作人机界面。

　　4.2 PLC硬件配置

　　根据前面对控制系统的要求，选用西门子S7-200系列PLC。S7-200系列PLC体积小，重量轻、安装方便、功能齐全、配置灵活、运行可靠、编程简单，具有可观的经济性和更强的适应性，完全可以满足上述控制要求。

　　4.3 人机界面组态软件

　　组态软件选择北京亚控公司的组态王6.05。这是一款具有易用性、开放性和集成能力的通用组态软件。组态王使用简单，适合各种简单和复杂的任务。只需要进行填表式操作，即可生成适合于用户的“监控和数据采集系统”，可有效用于控制自动化过程, 组态王6.05版是在bbbbbbs2000的平台上运行的，因此选用组态王是较为完善和方便的选择。整个控制系统的构成如图2所示:

　　图2 控制系统的构成

5.系统硬件设计

　　控制系统选用西门子S7-200系列PLC，选用了中央处理单元模块CPU224、数字量扩展模块EM223、模拟量输入模块EM231、模拟量输出模 EM232、模拟量输入输出模块EM235。其中的中央处理单元模块CPU224外部接线图如图3所示、输入输出地址分配如表2所示。

　　图3 PLC外部接线图

　　图4 主程序框图

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6.系统软件设计

　　6.1 PLC程序设计

　　主程序框图如图4所示，其中子程序0为初始化程序，子程序1为检查扩展模块是否正常，子程序2为模拟量采样子程序，子程序3为对各执行设备输出的采样，子程序4为对各被控量和执行设备异常的报警子程序。由于篇幅所限，各子程序框图在此从略。



　　6.2 人机界面组态

　　组态软件选择北京亚控公司的基于bbbbbbS2000平台的工业控制组态软件“组态王”6.05版。只需要进行正常通信设置和填表式操作即可完成人机界面组态。运行组态画面程序和PLC用户程序，根据小丸机操作的顺序功能，点击组态画面上的各个按钮，通过模块上各输出位对应的发光二极管，观察各输出信号的变化是否满足设计的要求。组态画面设计了设备控制、过程控制、过程参数等画面。其中设备控制画面如图5所示。



　　图5 设备控制画面

7.结束语

　　由于S7-200系列PLC具有体积小、系统集成度高(电源、主机、机架、开关量输入输出等功能集成一体)、配置灵活、接线简单、安装方便、抗干扰性强等特点，同时与同性能的产品相比，很好的满足了此次系统改造经济上技术上的要求。新系统人机界面友好(全中文界面)，操作简单快捷，运行可靠稳定，受到广大用户的好评。

一可靠性高，不易发生飞车事故。用模拟电压方式控制时，如果出现接线接错或使用中元件损坏等问题时，有可能使控制电压升至正的大值。这种情况是很危险的。如果用脉冲作为控制信号就不会出现这种问题。

二 信号抗干扰性能好。数字电路抗干扰性能是模拟电路难以比拟的。

当然目前由于伺服驱动器和运动控制器的限制，用脉冲方式控制伺服电机也有一些性能方面的弱点。一是伺服驱动器的脉冲工作方式脱离不了位置工作方式，二是运动控制器和驱动器如何用足够高的脉冲信号传递信息。

这两个根本的弱点使脉冲控制伺服电机有很大限制。

(1)控制的灵活性大大下降。这是因为伺服驱动器工作在位置方式下，位置环在伺服驱动器内部。这样系统的pid参数修改起来很不方便。当用户要求比较高的控制性能时实现起来会很困难。从控制的角度来看，这只是一种很低级的控制策略。如果控制程序不利用编码器反馈信号，事实上成了一种开环控制。如果利用反馈控制，整个系统存在两个位置环，控制器很难设计。在实际中，常常不用反馈控制，但不定时的读取反馈进行参考。这样的一个开环系统，如果运动控制器和伺服驱动器之间的信号通道上产生干扰，系统是不能克服的。

(2)控制的快速性速度不高。

从原理上说，的伺服系统应包括从位置指令脉冲给定到实际位置输出的全部环节，即包括位置控制、速度控制、驱动电机、检测元件、机械传动部件等部分。但在很多系统中，为了制造方便，通常将伺服系统的位置控制部分与cnc装置制成一体，所以，人们平时习惯上所说的机床伺服进给系统，一般是指伺服进给系统的速度控制单元、伺服、检测部分，而不包括位置控制部分。

数控机床所采用伺服进给系统按控制系统的结构可以分为开环控制、闭环控制、半闭环控制、以及混合控制。按伺服进给系统使用的伺服电动机的类型，半闭环、闭环数控机床常用的伺服进给系统可以分为起直流伺服驱动和交流伺服驱动两大类。在20世纪70年代至80年代的数控机床上，一般均采用直流伺驱动；从80年代中、后期起，数控机床上多采用交流伺服驱动。

直流伺服驱动系统一般按其主回路采用的功率放大元器件类型，又分为“晶闸管调速方式”（简称为scr速度控制系统）和“晶体管脉宽调制调速方式”（简称pwm速度控制系统）两类。在控制上可以采用模拟量控制或数字量控制，，因此，在某些场合还可以分为模拟式与数字式两种类型。

交流伺服系统一般采用pwm调制信号控制功率晶体管进行驱动放大的主回路，并按其指令信号与控制形式，分为模拟式伺服与数字式伺服两类。初期的交流伺服系统一般是模拟式伺服系统，而目前使用的交流伺服系统通常都是采用数字量控制的全数字式交流伺服系统。

在多年的维修工作中，处理过许多有关数控机床进给伺服系统的故障，我针对进给伺服系统的常见故障做了归纳总结。常见的进给伺服故障有以下几种：

1、超程

当进给运动超过由软件设定的软限位或者硬限位开关位置时，就会发生超程报警，一般会在数控系统的显示器上显示报警内容，根据数控系统的说明书及原理图，即可排除，解除报警。注意：如果机床的某个轴未行使至终端位置而发生超程报警，通常是由于机床在行驶过程中限位开关线断或限位开关被东西卡住。

2、过载

通常当进给运动的负载过大，频繁正、反向运动以及传动链润滑不良或斜铁有研伤，电机动力线接地等原因时，均会引起电流大，电机温度过高或电机过载报警。有时机床运行的过程中驱动控制单元、驱动元件、电机本身故障也会引起过载报警。一般会在数控系统的显示器上显示伺服电动机过载、过热或过流等报警信息。同时，在强电柜中的进给驱动单元上、指示灯或数码管会提示驱动单元过载、过电流等信息。

大型装备制造分厂的型号为tk42160c数控镗床，采用的是siemens 840d的数控系统，x轴就曾因为拖链中的伺服电机动力线接地而引起过载报警，更换新的电机动力电缆后机床正常。

3、爬行

发生在起动加速段或低速进给时，一般是由于进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益低及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是：伺服电动机和滚珠丝杠联接用的联轴器，由于联接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠与伺服电动机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢，产生爬行现象。

大型装备制造分厂的型号为2a637гф1数控镗床，x轴曾出现低速进给不稳的现象（即爬行现象），经检查发现x轴斜铁因滑润油脏而有轻微的研伤，处理后，x轴低速进给正常。

4、振动

在进给（尤其是低速）时，机床某轴出现振动现象通常是由于测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈信号干扰等；速度控制信号不稳定或受到干扰；接线端子接触不良，如螺钉松动等。当振动发生在由正方向运动与反向运动的换向瞬间时，一般是由于进给传动链的反向间隙或伺服系统增益过大所致。机床以高速运行时，可能产生振动，这时就会出现过流报警。机床振动问题一般属于速度问题，所以就应去查找速度环；而机床速度的整个调节过程是由速度调节器来完成的，即凡是与速度有关的问题，应该去查找速度调节器，因此振动问题应查找速度调节器。主要从给定信号、反馈信号及速度调节器本身这三方面去查找故障。

5、伺服电动机不转

数控系统至进给驱动单元除了速度控制信号外，还有使能控制信号，一般为dc+24v直流电压。伺服电动机不转，常用的诊断方法有：检查数控系统是否有速度控制信号输出；检查使能信号是否接通。通过数控系统的显示器观察i/o状态，分析机床的梯形图（或流程图）以确定进给轴的起动条件，如润滑、冷却等是否满足；对带电磁制动的伺服电动机，应检查电磁制动是否释放；检查进给驱动单元故障，伺服电动机是否故障。

大型装备制造分厂采用siemens 840d数控系统的型号为xk2425/2的武汉数控龙门铣床曾出现z轴伺服电机不转的故障。故障现象是无论正、反向开z轴，z轴均无动作（z轴电机不转），但无任何报警。通过观察数控系统显示器显示的“诊断”—“服务显示”—“ 驱动调整”菜单发现轴的脉冲使能信号无。而轴的使能信号由轴的驱动单元的控制板给出，故初步判定轴的控制板故障或控制板到数控单元使能信号线断。首先将z轴驱动控制板与y轴的驱动控制板更换，发现此时开z轴正常，而开y轴时出现了与z轴初相同的故障现象。故障可以确定z轴的驱动控制板故障，z轴更换新的驱动控制板后正常。

6、位置误差

当伺服轴动动超过位置允差范围时，数控系统就会产生位置误差过大的报警，包括跟随误差、轮廓误差和定位误差等。主要原因有：系统设定的允许范围小；伺服系统增益设置不当；位置检测装置有污染或调整不当；进给传动链累积误差过大：主轴箱垂直运动时平衡装置（如平衡液压缸等）不稳。

7、漂移

漂移是指当给定指令值为零时，坐标轴仍移动。通过数控系统误差补偿和驱动单元的零速调整来消。

8、机械传动部件的间隙与松动

在数控机床的进给传动链中，常常由于传动元件的键槽与键之间的间隙使传动受到破坏，因此，除了在设计时慎重选择键联结机构外，对加工和装配必须进行严查。在装配滚珠丝杠时应当检查轴承的预紧情况，以防止滚珠丝杠的轴向窜动，因为游隙也是产生明显传动间隙的另一个原因。

我公司的数控机床所使用的进给系统种有直流调速系统和交流伺服系统两大类。目前交流伺服系统应用的比较广泛，主要有fagor、siemens、num、安川等厂家生产的交流伺服系统。对于不同的伺服系统，虽然其故障时，系统的显示的状态及报警号不同，但其工作的原理基本相同，维修方法有很多相同之处。作为一名设备维修工作者，应多学、多看、常总结，这样才能通过科学的方法，行之有效的措施，迅速判别故障发生的原因，随时解决出现的问题，保证数控机床安全、可靠运行，提高设备使用率。