西门子6GK7243-1EX01-0XE0一级代理
PLC在机械制造的设备控制中应用非常广泛，但在普通车床数控化改造中，用PLC作数控系统的核心部件还是一个新的课题。随着PLC技术、功能不断完善，这将是一种发展趋势。本文对此加以讨论。
2 车床的PLC数控系统控制原理设计
2.1 车床的操作要求
车床一般加工回转表面、螺纹等。 要求其动作一般是X、Z向快进、工进、快退。加工过程中能进行自动、手动、车外圆与车螺纹等转换；并且能进行单步操作。
2.2 PLC数控系统需解决的问题
车床的操作过程比较复杂，而PLC一般只适用于动作的顺序控制。要将PLC用于控制车床动作，必须解决三个问题：
图1 数控系统原理图
1）如何产生驱动伺服机构的信号及X、Z向动作的协调；
2）如何改变进给系统速度；
3）车螺纹如何实现内联系传动及螺纹导程的变化。
将PLC及其控制模块和相应的执行元件组合，这些问题是可以解决的。
2.3 数控系统的控制原理
普通车床数控化改造工作就是将刀架、X、Z向进给改为数控控制。根据改造特点，伺服元件采用步进电机，实行开环控制系统就能满足要求。Z向脉冲当量取0.01mm，X向脉冲当量取0.005mm。选用晶体管输出型的PLC。驱动步进电机脉冲信号由编程产生，通过程序产生不同频率脉冲实现变速。X、Z 向动作可通过输入手动操作或程序自动控制。车螺纹的脉冲信号由主轴脉冲发生器产生，通过与门电路接入PLC输入端，经PLC程序变频得到所需导程的脉冲。刀架转位、车刀进、退可由手动或自动程序控制。图1为数控系统原理图。
3 PLC输入、输出（I/O）点数确定
所设计的车床操作为：起点总停、Z、X向快进、工进、快退；刀架正、反转；手动、自动、单步、车螺纹转换。因此，输入需14点。根据图1得输出需9点。I/O连接图如图2所示（以三菱F1S-30MT）为例。
图2 I/O连接图
4 驱动程序（梯形图）设计
4.1 总程序结构设计
手动、自动、单步、车螺纹程序的选择采用跳转指令实现。图3是总程序结构框图。若合上X12（X13、X14、X15断开），其常闭断开，执行手动程序；若X12断开，X13全上，程序跳过手动程序，指针到P0处，执行自动程序。
4.2 手动程序梯形图设计
手动程序、自动程序需根据具体零件设计，这里仅以Z向快进、工进、快退的动作为例加以说明。其梯形图如图4所示。
图4 Z向手动程序梯形图
在执行手动程序状态下，按X0，Y1接通，作好起动准备。按X2，辅助继电器M0接通。通过T63计时及Y2触点组合，产生频率为103/2i的脉冲信号（i为计时时间，根据需要设定，单位为ms），驱动Z向快进。当按下X3时（M0断开），M1接通，M1与定时器T32组合使Y2产生频率为 103/2j的脉冲（j>i），由Y2输出，实现工进。按下X4时，M0、Y3同时接通，电机快速反转，实现快退。限于篇幅，其它程序梯形图略。
5 结束语
数控车床在我国机械制造业中的应用正在迅速发展，但高精度数控机床价格昂贵，而且在实际生产中有大量形状不太复杂、精度要求一般的零件，这就需要精度一般的数控车床加工。
同时，我国现有大量可用的普通车床，对这些车床进行数控化改造是用少的投资来提高生产效率、提高效益的有效途径。以前车床数控化改造用的是Z80、8031 芯片作数控系统的核心部件，它的价格较贵且系统较复杂。用PLC作为车床的数控系统，有成本低、系统简单、调整方便等优点，必将会得到广泛应用。
1 引言
修水县是江西省的蚕桑大县，蚕丝产量是该县的经济支柱，且关系到千家万户农民的切身利益，为了提高蚕种的产量和质量，促进蚕桑经济的发展，该县蚕桑局委托我们开发蚕种孵化过程的温湿度实时控制系统。
2系统结构及控制流程
修水县蚕桑局蚕种孵化楼共三层，每层有6个孵化室，根据技术要求和孵化室的地理位置，我们采用了按层控制的方案，即每一层的6个孵化室为一个独立的控制系统，使用一个PLC对其温度和湿度进行控制，各PLC通过双绞屏蔽线与工控机互联，整个系统为二级计算机监控，系统结构如图1所示。图中温湿度变送器采用北京昆仑海岸传感技术中心的JWSF-3AC-E型温湿度变送器，该变送器为三线制电流远传，输出为标准的4～20mA电流信号(两路)；巡检仪也采用北京昆仑海岸传感技术中心的XSL/A16BS3巡回检测报警仪，具有16通道4～20mA电流输入(实际只用了12通道，其中6个温度通道6个湿度通道)，输出为数字信号，共19位，其中D18～D14为通道编码，D13为极性，D12～D0为温湿度数值，各通道数据分时巡回输出，通过设置各通道的量程上、下限还可巡回显示各通道的温湿度数值；PLC采用西门子S7-200系列CPU226(增加扩展模块EM223)，由于西门子PLC提供的是RS485串行接口，而工控机只提供了RS232串行接口，所以在PLC和工控机之间必须使用RS485/232电平转换器。
控制方案为：安装在各孵化室的温湿度变送器将孵化室的温湿度信号转换成4～20mA的电流信号并送至巡检仪，巡检仪根据事先设置的量程上、下限将电流信号转换成温湿度数据并巡回显示，同时还以二进制形式巡回输出这些数据至PLC，PLC以开关量的形式采集这些二进制数据，并按照规定的格式将这些二进制数据转换成各孵化室的温湿度数据，然后与按工艺要求设定的温湿度数据进行分段比较、判别，发出控制信号，控制信号经控制板功率放大，驱动相关执行器(空调、加热器和补湿器)实施孵化室的分段温湿度控制。采用上述控制方案既保证了在工控机或通信发生故障时，可根据巡检仪显示的数据，采用人工调节的方式对孵化室的温湿度进行控制，又避免了在PLC中增加A/D转换模块，从而确保了系统的可靠性，降低了成本。
3软件设计
根据控制方案及用户要求，工控机主要完成下列功能：工艺流程的设置，控制参数的修改，实时数据的显示、报警及保存，蚕种销售的管理等。我们选用Delphi作为前台程序设计语言，设计各种人机界面和工控机部分的通信程序，Microsoft Access作为后台数据库系统，用于保存各孵化室的分段温湿度设定值、整点实际值、报警记录及蚕种销售记录等，修改控制参数的人机界面如图2所示。
由于工控机既要完成人机界面操作，同时又要与PLC进行串行数据通信，为了保证人机界面的操作不影响数据通信的正常进行，而数据通信的进行也不会造成人机界面的停滞或反应不及时，我们在程序中引入了多线程的机制，将程序处理的任务分为两个线程：响应用户操作线程和数据通信线程，并且把响应用户操作线程作为主线程，该线程具有高优先级，以保证系统能够快速响应操作员的各种操作，而数据通信线程的优先级设为较低。
PLC部分的程序主要完成各孵化室温湿度的实时采集，并与设定值进行比较、判别，发出控制信号，控制空调、加热器、补湿器及电机的启停，确保空调、加热器及补湿器两次启动的短间隔时间满足系统设置的要求，还确保了空调(用于制冷)和加热器不会同时开启。PLC的另一个任务是与工控机进行串行通信。
4串行通信
西门子S7-200系列PLC的通信口主要有两种工作方式：PPI方式和自由口方式，PPI方式专门用于西门子PLC与其编程器或人机接口产品之间的通信，不对外公开，而自由口方式完全对用户开放，采用自由口方式，S7-200系列PLC可以与任意具有串口的设备进行通信。
自由口通信采用主从方式，工控机为主站，PLC为从站，PLC始终处于被动状态，随时准备接收计算机的通信请求帧，只有在PLC接收到工控机发送来的请求帧后，才能回送相应的帧。工控机发送请求帧采用周期性通信，周期为10秒。本系统采用半双工方式通信，物理层采用RS485协议，波特率为9600bps，数据长度8位，停止位1位，采用奇校验。
工控机部分的通信程序由Delphi实现，利用Delphi实现串行通信的方法有多种(如使用控件、调用API函数、嵌入汇编、调用动态链接库等)，我们采用了SPComm控件实现串行通信，其主要属性有：CommName、BauRate、ParityCheck、ByteSize、StopBits等，分别用来设制串口名、波特率、是否校验、采用奇还是偶校验、数据长度、停止位数等，主要方法有StartComm、StopComm，分别用来打开和关闭串口。
本系统中工控机与PLC之间传输的信息有两种：工控机发送的组态数据(温湿度的设定值，空调、加热器、补湿器两次启动之间的短间隔时间等)和PLC发送的现场数据(主要是各孵化室的温湿度数据和空调、加热器、补湿器及电机的状态)，因此，我们定义了如下通信协议(其中XX为从站号)。
每当PLC接收到工控机发出的信息后即触发中断服务程序，中断服务程序根据事先定义的帧格式(即通信协议)识别其内容，作出相应的响应。在工控机发送组态数据时，若出现无应答、应答错误或累计和错误，工控机延时10秒后再发R命令，若连续6次出现上述情况，则发出通讯错误报警。在工控机接收现场数据时，若出现无应答、应答错误，上位机延时10秒后重发T命令，若连续6次出现上述情况，也发出通讯错误报警。
5结束语
本系统投入运行一年来，据用户反映可靠性高、效果好。由于控制精度高，工艺正确，孵化出来的蚁蚕强健、好养，成茧茧层厚、茧丝长、净度优，社会经济效益十分明显。
1 引言
三峡MQ2000型高架门机（以下简称高架门机）作为原电力部机械制造局的重点项目，从上世纪90年代初开始调研、设计，当时的设计指导思想是立足国产，创国内，为三峡工地提供先进、可靠、使用维护方便的优质产品。高架门机自1995年底在吉林水工机械厂完成整机出厂调试，1996年开始用于三峡工地，至今已有7年多，为三峡工程的建设作出了应有的贡献。高架门机的主要技术指标见表1。
2 电机与调速方案
高架门机有起升机构、变幅机构、回转机构和大车机构，其中起升机构、变幅机构和回转机构采用直流电动机加可控硅整流的调速方案，大车机构则采用交流电动机加液力耦合器的方案。
根据当时国情，直流电机采用上海南洋电机厂引进国外先进技术生产的Z4系列直流电动机。高架门机的起升机构在安装功况小幅度时大起重量为63t，额定速度为28m/min，而在浇筑功况时，满罐（20t）时要求速度为63m/min，空罐（5.6t）时则为100m/min，调速范围很宽。因而在安装功况，采用改变电枢电压的恒转矩调速方案，而在浇筑功况，当电机超过额定速度后采用减少励磁电流的弱磁升速恒功率调速方案。
可控硅整流装置则采用当时国内先进的由天津三开厂与德国西门子合资生产的6RA22系列全数字直流调速装置。整个控制系统的控制与调节都由16位的微处理器来实现。一个带有数字显示器的参数设定单元，不再需要其它的附加设备，便可完成参数的设定与调试。电枢由两个反并联无环流三相全控桥供电，为电枢可逆系统，并有较宽的弱磁调速范围。由于采用微机控制，使系统的调试过程大为简化，既可根据经验进行手动优化，也可通过一个调用参数对电流调节器、速度调节器及励磁特性曲线进行自动优化，从而实现佳控制。装置还具有完善的故障诊断、报警、显示和保护功能。
3 PLC硬件配置与应用软件
3.1 PLC
采用日本光洋电子（无锡）有限公司生产的SU-6型PLC，硬件配置见图1。
司机室与电气房各装一套PLC，利用一对一方式通讯，节省了大量的控制电缆，便于安装、维护，提高了可靠性。
3.2 GV50-E型触摸显示屏
由于三峡地区雾多，能见度差，视觉存在死角（看不到吊钩），在司机室联动台配置了一台触摸显示屏，能实时动态以图形和数字同时显示整机状况，如时间、吊钩高度、回转角度、变幅幅度等，出现故障时能同时显示故障代码，如图2所示。根据需要，还可切换显示。
高架门机的回转机构可360°回转，变幅机构只能在小幅与大幅之间运行，从俯视图上看，吊钩可处于小幅一个圆与大幅一个圆之间360°任一位置，吊钩的高度则用棒形图来表示。
由于GV50-E触摸显示屏图库较简单，变幅与回转的吊钩俯视位置需逐点手动生成。先将回转光电编码器360°回转变化值分成64个区域，再将变幅光电编码器从小幅至大幅的变化值分成16份，然后逐点输入至显示屏。当变幅与回转机构动作时，通过对相应光电编码器的数据计算，图2上的吊钩俯视位置即相应变化。吊钩高度用棒形图显示则较简单，只要将起升低位置和高位置的光电编码器数据置入棒形图的低点和高点即可。当起升机构动作时，吊钩高度即相应变化。
3.3 带值编码器的主令开关
当时国内产的主令开关一般都是节点式的，个别也有带电位计的，但在繁重工况下，一般在一年左右就会损坏。因而我们专门配置了带值编码器的主令开关。值编码器在一圈内数据从0~255变化，主令开关在零位与正、反大值之间使编码器各转160度左右，也就是使主令开关在零位及正、反大位置之间约有100个点，相当于无级调速。由于编码器选用坚牢型、无接触磨损、可靠性高，从而提高了主令开关的寿命。另配有专门开发的软件，使值光电编码器在安装时无需对准数据位置，下面以升降主令编码器为例加以说明，参见图3。
值编码器安装固定后，其升降对应的旋转方向是固定的，本例中对应降方向，值编码器的数据为增加方向，中间有可能增至255后突变至0，再从零开始增加。主令开关在零位时对应的数据可能是0~255中的任一个。在设置方式下，只要将主令从零位往升方向至大值，再往降方向至大值，PLC就能自动得出数据寄存器R2101~R2104的数据。从而计算出升区间长度R2105和降区间长度R2106。进而计算出主令手柄位置在升或降区间的相对长度值，就可换算成相应的速度给定值。计算流程图参见图4（R2100存放当前主令位置对应的编码器数据）
3.4 PLC增量给定
采用西门子6RA22系列全数字式可控硅直流调速装置，利用PLC的D/A模块输出作为调速装置的速度给定，机构的恒定加速度通过PLC增量形式给出。通过“安装/浇筑”工况方式转换开关，可方便地调整机构的加速度，如安装时起升速度高为28m/min，加速时间为5s，浇筑时再结合重量传感器及电机电流等参数，使满载起升速度为63m/min，空载自动为100m/min，为提高生产率，加速时间则缩短为3s，兼顾了安装时所需的平稳及浇筑生产时的高效，参见图5。增量计算流程图见图6。
用增量给定除了可改变电机的加减速度，还可通过判断目标值是否等于当前给定值来确认电机是处于加速还是匀速状态，从而可利用电机电流等参数来计算吊钩下负荷大小，再对力矩保护曲线线性插值，计算出允许力矩值，作后备力矩超载保护。
3.5 抱闸控制软件
配有专门开发的位势负载抱闸控制软件，当电机电流大于设定值时才允许抱闸打开，防止溜钩；停机时，先电制动，当速度降到设定值以下，再投入抱闸(紧急故障状况时，则立即投入抱闸)，做到制动平稳可靠，制动器磨损少。
3.6 多重保护装置
配有多重保护装置，如限位有光电编码器，凸轮开关，极限机械开关等，重量检测有负荷传感器和电机电流等参数综合检测，正常时，所有保护同时起作用。当部分有故障时，在安全有保障的前提下，可方便地通过转换开关将部分保护切除，不影响正常生产，待允许停机时，再消除相应故障，确保安全生产，适应国情。
3.7 机房操作开关
电机低速运行值可方便地设置，在机房机构旁有相应的操作开关，以便于卷筒穿绳和调整等维护工作。
3.8 故障诊断
配置故障诊断程序，当电气故障出现时，能在显示屏上显示故障代码。
3.9 PLC程序编制
在PLC的程序编制中，巧妙地将用于顺序控制的级式编程移值到方式、功能块转换上，从而缩短了程序扫描时间，提高了实时响应速度，并使程序简洁、明了、易于调试。
4 结语
高架门机自三峡工地投入使用以来，由于其先进、可靠、使用维护方便，受到了使用单位的好评。在基本无参考资料的情况下，使国产高架门机电气控制性能上了一个台阶，可与进口设备相比美，达到了预期的设计目标。
