6ES7235-0KD22-0XA8一级代理
1 引言
数控机床是典型的机电一体化系统。PLC工程现场界面涉及光、机、电、气、液等复杂的输入输出信令，加之PLC对于信号的逻辑处理具有的抽象运算特征，使得工业现场故障处理工作通常是相当的复杂困难，PLC机电系统现场故障往往使得缺少工程经验的设备管理者们束手无策，较长时间的故障处理处理可以大幅度降低产能，严重影响生产。本文以就事论事的方式平铺直叙具体的机电工程现场故障处理案例，保留住故障处理经验中珍贵的分析判断过程。
2 数控机床故障诊断案例
2.1 甄别PLC内外部故障实例
配备820数控系统的某加工中心，产生7035号报警，查阅报警信息为工作台分度盘不回落。在SINUMERIK 810／820S数控系统中，7字头报警为PLC操作信息或机床厂设定的报警，指示CNC系统外的机床侧状态不正常。处理方法是，针对故障的信息，调出PLC输入/输出状态与拷贝清单对照。
工作台分度盘的回落是由工作台下面的接近开关SQ25、SQ28来检测的，其中SQ28检测工作台分度盘旋转到位，对应PLC输入接口110.6，SQ25检测工作台分度盘回落到位，对应PLC输入接口110.0。工作台分度盘的回落是由输出接口Q4.7通过继电器KA32驱动电磁阀YV06动作来完成。
从PLC STATUS中观察，110.6为“1”，表明工作台分度盘旋转到位，I10.0为“0”,表明工作台分度盘未回落，再观察Q4.7为“0”，KA32继电器不得电，YV06电磁阀不动作，因而工作台分度盘不回落产生报警。
处理方法：手动YV06电磁阀，观察工作台分度盘是否回落，以区别故障在输出回路还是在PLC内部。
2.2 诊断接近开关故障实例
某立式加工中心自动换刀故障。
故障现象：换刀臂平移到位时，无拔刀动作。
ATC动作的起始状态是：（1）主轴保持要交换的旧刀具。（2）换刀臂在B位置。（3）换刀臂在上部位置。（4）刀库已将要交换的新刀具定位。
自动换刀的顺序为：换刀臂左移（B→A）→换刀臂下降（从刀库拔刀）→换刀臂右移（A→B）→换刀臂上升→换刀臂右移（B→C，抓住主轴中刀具）→主轴液压缸下降（松刀）→换刀臂下降（从主轴拔刀）→换刀臂旋转180°（两刀具交换位置）→换刀臂上升（装刀）→主轴液压缸上升（抓刀）→换刀臂左移（C→B）→刀库转动（找出旧刀具位置）→换刀臂左移（B→A，返回旧刀具给刀库）→换刀臂右移（A→B）→刀库转动（找下把刀具）。换刀臂平移至C位置时，无拔刀动作，分析原因，有几种可能：
（1）SQ2无信号，使松刀电磁阀YV2未激磁，主轴仍处抓刀状态，换刀臂不能下移。
（2）松刀接近开关SQ4无信号，则换刀臂升降电磁阀YV1状态不变，换刀臂不下降。
（3）电磁阀有故障，给予信号也不能动作。
逐步检查，发现SQ4未发信号，进一步对SQ4检查，发现感应间隙过大，导致接近开关无信号输出，产生动作障碍。
2.3 诊断压力开关故障实例
配备FANUC 0T系统的某数控车床。
故障现象：当脚踏尾座开关使套筒顶紧工件时，系统产生报紧。
在系统诊断状态下，调出PLC输入信号，发现脚踏向前开关输入X04.2为“1”，尾座套筒转换开关输入X17.3为“l”，润滑油供给正常使液位开关输入X17.6为“1̶1;。调出PLC输出信号，当脚踏向前开关时，输出Y49.0为“1”，同时，电磁阀YV4.1也得电，这说明系统PLC输入/输出状态均正常，分析尾座套筒液压系统。
当电磁阀YV4.1通电后，液压油经溢流阀、流量控制阀和单向阀进入尾座套筒液压缸，使其向前顶紧工件。松开脚踏开关后，电磁换向阀处于中间位置，油路停止供油，由于单向阀的作用，尾座套筒向前时的油压得到保持，该油压使压力继电器常开触点接通，在系统PLC输入信号中X00.2为“l”。但检查系统PLC输入信号X00.2则为“0”，说明压力继电器有问题，其触点开关损坏。
故障原因：因压力继电器SP4.1触点开关损坏，油压信号无法接通，从而造成PLC输入信号为“0”，故系统认为尾座套筒未顶紧而产生报警。
解决方法：更换新的压力继电器，调整触点压力，使其在向前脚踏开关动作后接通并保持到压力取消，故障排除。
2.4 诊断中间继电器故障实例
某数控机床出现防护门关不上，自动加工不能进行的故障，而且无故障显示。该防护门是由气缸来完成开关的，关闭防护门是由PLC输出Q2.0控制电磁阀YV2.0来实现。检查Q2.0的状态，其状态为“1”，但电磁阀YV2.0却没有得电，由于PLC输出Q2.0是通过中间继电器KA2.0来控制电磁阀YV2.0的，检查发现，中间继电器损坏引起故障，更换继电器，故障被排除。
另外一种简单实用的方法，就是将数控机床的输入/输出状态列表，通过比较通常状态和故障状态，就能迅速诊断出故障的部位。
2.5 根据梯形图逻辑诊断DI点故障实例
配备SINUMERIK 810数控系统的加工中心，出现分度工作台不分度的故障且无故障报警。根据工作原理，分度时首先将分度的齿条与齿轮啮合，这个动作是靠液压装置来完成的，由PLC输出Q1.4控制电磁阀YVl4来执行，PLC梯形图如下图所示。
通过数控系统的DIAGNOSIS能中的“STATUS PLC”软键，实时查看Q1.4的状态，发现其状态为“0”，由PLC梯形图查看F123.0也为“0”，按梯形图逐个检查，发现F105.2为“0”导致F123.0也为“0”，根据梯形图，查看STATUS PLC中的输入信号，发现I10.2为“0”，从而导致F105.2为“0”。I9.3、I9.4、I10.2和I10.3为四个接近开关的检测信号，以检测齿条和齿轮是否啮合。分度时，这四个接近开关都应有信号，即I9.3、I9.4、I10.2和I10.3应闭合，现I10.2未闭合，处理方法：（1）检查机械传动部分。（2）检查接近开关是否损坏。
2.6 根据梯形图逻辑诊断DO点故障实例
配备SINUMERIK 810数控系统的双工位、双主轴数控机床。
故障现象：机床在AUTOMATIC方式下运行，工件在一工位加工完，一工位主轴还没有退到位且旋转工作台正要旋转时，二工位主轴停转，自动循环中断，并出现报警且报警内容表示二工位主轴速度不正常。
两个主轴分别由B1、B2两个传感器来检测转速，通过对主轴传动系统的检查，没发现问题。用机外编程器观察梯形图的状态。
F112.0为二工位主轴起动标志位，F111.7为二工位主轴起动条件，Q32.0为二工位主轴起动输出，I21.1为二工位主轴刀具卡紧检测输入，F115.1为二工位刀具卡紧标志位。
在编程器上观察梯形图的状态，出现故障时，F112.0和Q32.0状态都为“0”，因此主轴停转，而F112.0为“0”是由于Bl、B2检测主轴速度不正常所致。动态观察Q32.0的变化，发现故障没有出现时，F112.0和F111.7都闭合，而当出现故障时，F111.7瞬间断开，之后又马上闭合，Q32.0随F111.7瞬间断开其状态变为“0”，在Flll.7闭合的同时，F112.0的状态也变成了“0”，这样Q32.0的状态保持为“0”，主轴停转。Bl、B2由于Q32.0随F111.7瞬间断开测得速度不正常而使F112.0状态变为“0”。主轴起动的条件F111.7受多方面因素的制约，从梯形图上观察，发现F111.6的瞬间变“0”引起Flll.7的变化，向下检查梯形图PB8.3，发现刀具卡紧标志F115.1瞬间变“0”，促使Flll.6发生变化，继续跟踪梯形图PB13.7，观察发现，在出故障时，I21.1瞬间断开，使F115.1瞬间变“0”，后使主轴停转。I21.1是刀具液压卡紧压力检测开关信号，它的断开指示刀具卡紧力不够。由此诊断故障的根本原因是刀具液压卡紧力波动，调整液压使之正常，故障排除。
过RS-422口或RS-232C口进行的，信息交换的方式为字符串方式，运用RS-232C或RS-422通道，容易配置一个与计算机进行通信的系统，将所有软元件的数据和状态用可编程控制器送入计算机，由计算机采集这些数据，进行分析及运行状态监测。用计算机改变可编程控制器设备的初始值和设定值，从而实现计算机与可编程控制器的直接控制，一旦确定了可编程控制器的控制指令，就能很方便地与计算机连接。
2 S7-200的自由口通讯模式
S7-200支持多种通讯模式，如点点接口(PPI)、多点接口(MPI)、Rrofibus DP等。PPI等通讯协议主要用于西门子系列产品之间的通讯以及对PLC编程。在自由口模式下，可由用户控制串行通讯接口，实现用户自定义的通讯协议。用户可以用梯形图程序调用接收中断、发送中断、发送指令(XMT)、接受指令(RCV)来控制通信操作。在自由口模式下，通信协议完全由梯形图程序控制。
S7-200CPU上的通信口是与RS-485兼容的9针D型连接器，PLC还提供了实现 RS-485与 PC机上RS-232C相连接的PC/PPI电缆，利用它可以方便地实现S7-200系列PLC与PC之间的硬件连接。
S7-200的编程软件为STEP7-Micro/WIN32，该软件有STL、FBD和Ladder三种编程模式，有SIMATIC指令和IEC131-3指令两种指令。本文所给出的范例是使用SIMATIC指令的STL编程。
3 S7-200 PLC端的通讯程序实现
PLC程序分为主程序和中断程序。主程序完成初始化通信口、开中断、判断、发送数据等功能,中断程序完成接收和发送数据的功能。接收指令(RCV)启动或终止接收信息功能，必须为接收操作指定开始和结束条件。发送指令(XMT)在自由口模式下依靠通讯口发送数据。
3.1 控制字的选取
反映CPU工作方式的模式开关当前位置的特殊存储器位为SM0.7，它控制自由端口模式的进入。当SM0.7为0时，模式开关处于TREM位置;当SM0.7为1时模式开关处于RUN位置。而只有当模式开关位于RUN位置时，才允许进行自由口通讯。SMB30是自由口模式控制字节，用来设定校验方式、通讯协议、波特率等通讯参数(其它控制字的设定参阅有关书籍)。
3.2 程序的一些简单介绍
NETWORK1
LD SM0.1 // 次扫描
MOVB 16#09，SMB30
//自由口通讯模式:9600波特率,无奇偶校验,8个数据位
MOVB 16#7C，SMB87 //接收信息状态字节
MOVB 16#53，SMB88
//设置信息的开始字符“S”
MOVB 16#45，SMB89
//设置信息的结束字符“E”
MOVW +5，SMW90
//设定空闲行的时间间隔(ms)
MOVW +179，SMW92
//字符间/信息间定时器超时值(ms)
MOVB 60，SMB94 //接收字符的个数
NETWORK2
LD SM0.1 MOVB 16#53，VB2499
//设置接收和发送缓冲区的首地址
ATCH 发送完中断，9
//把发送完成中断和发送完成中断子程序连接起来
ATCH 接收完中断，23
//把接收完成中断和接收完成中断子程序连接起来
ENI //允许中断
PLC程序的主要流程框图如图1所示:
图1 PLC程序流程4 自由口通讯在PC 端程序实现
为了充分利用计算机数据处理的强大功能，可以在上位机编写程序来实现计算机与PLC的通讯。可以用VC或VB实现上位机和PLC的通讯。
4.1 利用VC6.0 或VC6.0 MSComm控件实现
MSComm控件Microsoft公司提供的简化的bbbbbbs下串行通讯编程的ActiveX控件，它为应用程序提供了通过串口收发数据的简便方法。PC机通过RS-232口与PLC进行通信，该通信控件提供了使用RS-232开发串行通信软件的细则，使用事件驱动或查询方式来解决开发通信软件中遇到的问题。事件驱动是一种强大的处理问题的方法，对事件发生的跟踪和处理在通信软件中用Oncomm来实现，它包括检测和处理通信错误等;查询方式则要求设计者自行读取CommEven值，并判断发生何种事件，再对之进行处理。该控件有许多重要的属性，主要的属性如附表所示。
附表 MSComm属性
开发通信软件只需上述几个重要属性设置好通信口，然后用SetOutput指令发送命令。按照通信协议，待PC机与PLC握手成功后，可按特定的数据格式通过Getbbbbb或SetOutput来接收或发送数据。
4.2 利用VC6.0 CSerialPorts类实现
如果在程序中使用多个串口，而且还要做很复杂的处理工作，那么好不用MSComm控件。如果这时候不愿意自己编写底层函数，就可以使用CSerial Ports类。
这个类是由Remon编写的。其中详细的功能可以在其网站上查询。
将SerialPort.h 和 SerialPort.cpp两个类文件复制到工程文件夹中，用 Project -> Add to project -> Files命令将上述两个文件加入工程。
串口的初始化:
在这种方式下，串口的初始化通常放在一个自定义的函数中，这样可以使用多不同的端口，下面以初始化COM的为例给出部分代码。
void CtestView::OpenCom2()
{ DCB dc;
dc.DCBlength = sizeof(DCB);
dc.BaudRate = CBR_9600;
//数据传输速率为9600
dc.ByteSize = 8;
//8位数据位
dc.StopBits = ONESTOPBIT;
//1位停止位
dc.Parity = NOPARITY;
//无校验
}
其中DCB(设备控制块)是一种数据结构，用以实现串口属性的设置。
数据的接收和发送:
数据接收是调用了ReadByte函数，每次读取一个BYTE型变量，多个数据的读取可以通过循环实现。数据发送是调用WriteByte函数，每次只能发送一个无符号的char型或者与之等价的数据，多个数据可以通过循环实现。
4.3 利用PCommPro应用软件实现
与PLC通讯时，PC机还可采用的PCommPro应用软件，该软件是通过Win32初级API函数的调用来控制和使用通讯端口。与VB/VC中的MComm控件相比较，使用较复杂些，但通讯效率高输出控制较好。
在程序中PC机接收数据采用回调函数的处理方式，即欲建立事件，需给定一个函数的地址，当事件发生时，Pcomm便到该回调函数所在的地址去执行该程序代码。所谓回调函数是指当调用一个函数时(尤其是API)，该函数会要求调用者提供一个函数的地址，当被调用函数执行后，会再去调用此函数，目的是将结果传送回来让用户知道，或是该被调用函数需要另一个参考的函数运算等,这种做法就称为回调。Pcomm中的回调函数主要介绍以下几种。
Sio_term_irq:当收到终止字符时引发事件程序;
Sio_cnt_irq:接收到固定字符时引发事件;
Sio_modem_irq:当硬件线路的电压发生变化时，引发事件，硬件线路包括DCD，DSR，CTS，RI4支管脚;
Sio_break_irq:当接到中断信号时引发事件。
在程序设计中要根据具体的情况来选择不同的回调函数。例:数据以ASCII值形式传递时，可以使用Sio_term_irq函数，即当收到终止字符时引发事件程序，也可以使用其它回调函数。但当传递的数据以字节形式表示时，使用Sio_term_irq函数可能会引发一些问题，是因为传递的数据值可能与函数所设置的终止字符相同，可能造成接收数据的不完整。
图2 PC的主要程序流程框图
应用到的其它函数还有如下:
sio_open():打开通信端口;
sio_ioctl():设置传输的端口参数，给定的参数有三个，有端口号码、波特率和参数模式(由数据位、停止位和奇偶检验位3部分组成);
sio_read():从接收缓冲区中读取字符串;
sio_write():把发送缓冲区中的数据发送出去;
sio_close():关闭通讯端口,此操作会导致所有的接收和传送操作都停止。
PC程序的主要流程框图如图2所示。
5 结束语
S7-200的自由口通讯方式，使用户可以通过PLC指令自己定义通讯协议，从而与任何公开通讯协议的RS-422或RS-232C接口设备进行通讯，使通讯范围大为增加，控制系统配制更加灵活。随着计算机的普及，人们更希望在享受PLC高性能控制功能的同时，利用个人计算机大量丰富的软件，将PLC的信息转换成各类画面显示，并可以对PLC的参数进行实时修改，达到管理、控制一体化。
要说明用PLC实现水轮机组自动控制的过程。
2 设备工艺特点及控制要求
2.1 电站的自动控制工程内容
(1) 发出命令脉冲以后，机组的起动、并网、调节负荷、停机，发电转为调相运行及调相转发电运行等操作，都需自动完成;
(2) 能自动保持机组的正常工作条件，如速度调整和励磁调整，轴承的润滑和冷却，调相的压水等等;
(3) 水轮机前闸门及机组附属设备和公共设备的自动操作;
(4) 机组发生事故时，自动停机并将机组从系统中切除;当机组发生不正常状态时，自动发出报警信号，并采取预定的措施以恢复正常工作。
2.2 机组控制流程
机组的自动控制包括机组润滑系统、冷却系统、制动系统及调相压水系统的自动控制，机组的启动、停机，机组由调相转发电、由发电转调相等工况的转换，机组的保护与信号等。
下面分别给出机组起动、停止、发电转调相操作程序框图，如图1、2、3所示。
图1 机组起动操作程序框图
图2 机组正常停机操作程序流程图
图3 机组由发电转调相操作程序流程图
3 系统设计
3.1 硬件设计
(1) 输入和输出点分配及辅助继电器M的安排见附表所示。
根据I/O的使用点数，并考虑将来的发展需要，确定采用三菱FX2N-128MR型PLC。
(2) PLC接线图
对于PLC接线，见图4。PLC的输入点一律用常开触头，负载统一采用110V直流电源。调相水位信号装置41DSX及导水叶剪断销信号装置41JDX需另接220V交流电源(此部分电路略)，将其接点接入PLC的输入点。取消频差继电器CLJ的比较回路，其接点用开关模拟替代。
图4 PLC接线图
3.2 程序设计
梯形图程序如图5所示。
图5 梯形图(a)
图5 梯形图(b)
图5 梯形图(c)
4 结束语
PLC用于模拟小型水电站水轮机组自动控制系统运行以来，其性能比原来的继电接触器式控制优越得多。同时由于操作方便，安全可靠，各种信号显示直观，故障率大大降低，几乎实现了控制系统lingguzhang。该装置有良好的开拓市场。
