6ES7221-1BH22-0XA8选型说明

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1 引言为了保护机床和维修方便，PLC有显示和检测机床故障的能力。一旦发生故障，维修人员就能根据机床的故障显示号去确定故障类别，予以排除。但在实际加工过程中，我们发现有时PLC同时显示几个故障，它们是由某一个故障引起的连锁故障，排除了初始的引发故障，其它故障报警就消失了。可是从机床PLC显示的所有报警故障中，维修人员并不知道哪个故障是初始引发故障，维修人员只能逐个故障去查，这就增加了维修难度，造成人力物力的浪费。几个故障同时显示时，处理问题的关键是解决初始故障，所以准确判断并检测到初始故障对机床维修工作是非常重要的。我们设计了一种机床PLC初始故障诊断功能，通过PLC程序，准确判断出初始故障的报警号。维修中，首先排除初始故障，其它引发故障自行消失，这样就极大地方便了机床的维修，tigao了机床维修的快速性和准确性。 2 初始故障诊断原理我们设计的PLC程序不单单是把各个故障都能检测和显示出来，还能把关键的初始故障自动判断出来，PLC初始故障判断程序如附图所示。

下面举例说明初始故障诊断原理。以3个故障为例，其中设置了3个故障检测位，分别为R500.0、R510.0、R520.0；3个初始故障检测位为R500.2、R510.2、R520.2；F149.1为系统复位信号。初始状态时，无报警出现，故障检测位都为“0”，初始故障检测位也都为“0”，复位信号F149.1为“0”。在3个故障中假设首先发生第二个故障。在程序扫描的个周期内，其对应的故障检测位R510.0变为“1”，R500.2、R520.2、F149.1初始值为“0”，初始故障检测位R510.2变为“1”，通过自锁保持为“1”，直到故障被排除，系统复位信号发出后“1”状态才被解除。在程序扫描的第二个周期内，R510.2保持为“1”，实现了对R500.1、R520.1的封锁，即使此时另外某一个故障检测位为“1”，也不能导致其初始故障检测位变为“1”。通过此PLC程序的控制，就能从同时发生的众多故障里准确地判断出初始故障。 3 应用实例 实例1 我们在维修北京机床研究所生产的JCS018数控机床时，遇到了多个故障同时发生的问题，如换刀报警和液压报警同时出现。维修时，我们一般从故障根源查起，先检查液压控制部分，然后才能确认故障出在换刀过程中。检查后我们才知道换刀的动力由液压驱动来提供。PLC控制程序设计中，当遇到换刀故障时，为防止更大的意外发生，在报警的同时也断开了液压控制，因此换刀故障发生时出现了两个报警信息。为遵循原机床的设计思路，而又能准确地发出报警信息，我们给JCS018数控机床增加了对初始故障的检查功能。按照前面的程序分析，换刀和液压故障检测位分别为R500.0和R510.0，初始故障可从初始故障检测位R500.2和R510.2读出。当该机床再发生类似故障时，就能很快地判断出初始故障。 实例2 我们在维修一台钻铣加工中心时，也遇到类似现象。该机床配有一个刀具容量为40把刀的刀库，可以自动完成多道工序的钻铣操作。机床主轴电动机为三相异步电动机，主轴电动机只有一种转速，而主轴通过齿轮变速实现12级有级变速。在自动执行某段程序时，程序中的辅助功能既有换档功能S代码，又有找刀功能T代码，只要有一个代码指令没有执行完，辅助功能完了信号则不能发出，即认为此段程序中的辅助功能没有完成，不能继续执行下一个程序段。假如换档功能出现故障时，首先发出换档报警信号，辅助功能完了信号不能发出，超过一定时间后，又发出找刀报警信号，则会认为找刀动作也未完成。如果加上初始故障判断功能，就会使维修人员准确地检查出故障原因，及时解决问题。 4 结束语我们设计的机床PLC初始故障检测功能，在几个故障同时显示时，能准确地判断出初始的引发故障，给机床维护带来了极大方便，避免了许多无意义的工作，tigao了维修效率。在实际应

前言

煤矿安全无疑已成为社会关注的热点，不仅对社会经济有影响，更关乎矿业人员的生命安全。产生煤矿安全隐患的原因之一是对有害情况的监测和控制存在一些缺陷；并且，煤矿中各种类型系统相互独立，信息不互通，也是造成统一管理不便的原因。随着国家对煤矿安全生产的管理越来越规范，加强了对煤矿安全生产的监管力度，要求对矿井设备不仅有更全面的功能，通讯也要更加的实时可靠，以便及时了解与查询现场安全监测监控信息。 在此，我们根据自身经验，以及一些煤矿领域的相关应用，提出一种性价比非常高的现场总线通讯系统，即CAN-bus总线方案，用来解决煤矿系统的通讯问题。

煤矿通讯现状

煤矿井下的环境是非常复杂和恶劣的，需要的工作设备和监测设备也非常之多。井下检测环境的主要特点有： 　　 环境异常恶劣。系统的观测点多数都在井下和高压设备的环境中，受到较强的电磁 辐射和耐潮耐腐的考验，不仅检测的准确度受到一定的干扰，而且数据的传输也变得不那么可靠。 　　 检测对象种类繁多。矿井下的很多环境参数都会牵涉到事故的发生。比如通风不足造成瓦斯浓度过大可能导致瓦斯爆炸。一氧化碳浓度过大会导致井下工作人员中毒，等等。所以每一项相关的参数都得测量并及时准确的传输到控制中心，便于分析当前井下环境的安全程度，尽可能的避免煤矿事故。 　　 测点分布广。测点分布不仅广，而且分布不均匀，从而使传感器信号和各种检测信号传送变得复杂和困难。 　　 需要中央监控室集中监测。系统观测项目多，测点分布广，一般设置在煤矿调度室进行集中监测与控制，所以需要安全可靠的远距离传输。 　　 这里列出部分的重要煤矿设备及其相关的测量控制参数。 　　 考勤和巡检系统：实际上可以将考勤和巡检功能用一个系统来完成，不必分成独立的两个系统。该系统已使用到射频读卡技　　　 术。整个系统用于人员安全和记录管理。 　 　安全环境监测系统：主要用于测量自然环境参数，如甲烷（瓦斯）CH4浓度、一氧化碳CO浓度，二氧化碳CO2浓度、风速 　　　 风向、负压、温度、湿度、粉尘浓度等。 　 　变电所电力采集器：采集的电气参数为功率、电压、电流、电能等。非电气参数为水仓液位、变压器油温、抽风机负压、料　　　 位等。 　 　泵房控制器：泵的开停控制，甲烷（瓦斯）CH4浓度、水位、湿度、粉尘浓度和风门等。 　 　皮带机：因皮带机埋机头，拉断皮带等事故时有发生，所以对其保护应加强，实时监控煤位、防滑、巷道通讯、烟雾浓度等 　 　工作面：开停控制、甲烷（瓦斯）浓度、一氧化碳浓度、湿度、粉尘浓度和风门等。 　 　掘进头：开停控制、一氧化碳浓度、湿度、粉尘浓度、风速、风筒和风门等。 　　 这些系统可能来自不同的厂家，有不同的通讯接口，控制方式各异，那么给整体的管理带来了极大的不便。即使采用统一的接口，传统的RS-485方式也已经不适合如此大型的整体项目，当前形式迫切需要我们提出新的通讯解决方案。

CAN-bus总线特点

CAN（Controller Area Network）总线早由德国BOSCH公司提出，主要用于汽车内部测量与控制中心之间的数据通信。由于其良好的性能，在世界范围内广泛应用于其他领域当中，如工业自动化、汽车电子、楼宇建筑、电梯网络、电力通讯和安防消防等诸多领域，并取逐渐成为这些行业的主要通讯手段。 　　现场总线CAN-bus的特点： 　　1、的工业级现场总线，传输可靠，实时性高； 　　2、传输距离远（无中继远10Km），传输速率快（高1Mbps）； 　　3、单条总线多可接110个节点，并可方便的扩充节点数； 　　3、总线上各节点的地位平等，不分主从，突发数据可实时传输； 　　4、非破坏总线仲裁技术，可多节点同时向总线发数据，总线利用率高； 　　5、出错的CAN节点会自动关闭并切断和总线的联系，不影响总线的通讯； 　　6、报文为短帧结构并有硬件CRC校验，受干扰概率小，数据出错率极低； 　　7、对未成功发送的报文，硬件有自动发功能，传输可靠性很高； 　　8、具有硬件地址滤波功能，可简化软件的协议编制； 　　9、通讯介质可用普通的双绞线、同轴电缆或光纤等； 　　10、CAN-bus总线系统结构简单，性价比极高。 　　CAN-bus用于煤矿通讯系统当中，不仅可以增强系统的通讯可靠性、延长系统的距离、扩充系统的节点数，还能增强系统的实时性，让管理者和主控设备能及时了解和处理当前的井下情况，发觉事故隐患，避免事故发生。 　　对于煤矿系统的本安要求，只需总线要CAN-bus设备的电源符合本安要求即可。现场总线CAN-bus本身是符合本质安全要求的

CAN-bus总线与RS-485通讯比较

与通常应用的RS-485方式相比，现场总线CAN-bus具有更多方面的优势，可以完全取代RS-485网络，从而组建一个具有高可靠性、远距离、多节点、多主方式的设备通讯网络。同时，现场总线CAN-bus可以直接采用RS-485方式相同的传输电缆、拓扑结构 CAN-bus总线与RS-485通讯方式的特性比较如下表1所示：表1 CAN-bus总线与 RS-485通讯的特性比较特性RS-485方式CAN-bus总线拓扑结构　直线拓扑　直线拓扑传输介质　双绞线　双绞线硬件成本　很低　每个节点成本有所增加总线利用率　低　高网络特性　单主结构　多主结构数据传输率　低　高可达1Mbps容错机制　无　由硬件完成错误处理和检错机制通讯失败率　很高　极低节点错误的影响　故障节点有可能导致整个网络瘫痪　故障节点对整个网络无影响通讯距离　<1.2Km　可达10Km（5Kbps）后期维护成本　较高　很低 　　通常的RS-485设备终端（或支持Modbus通讯协议）可以通过CAN485MB协议转换器接入CAN-bus网络，方便地实现网络更新与设备升级。同样，RS-232设备终端（或支持Modbus通讯协议）可以通过CAN232MB协议转换器接入CAN-bus网络。更多的应用软件支持（包括虚拟串口VCOM、基于DLL的API编程、基于OPC的组态开发）将使网络的应用变得更加方便、灵活。 　　例如，CAN485MB协议转换器采用表面安装工艺，板上自带光电隔离模块，实现完全电气隔离的控制电路/CAN电路，使CAN485MB协议转换器具有很强的抗干扰能力，可防雷击，大大tigao了系统在恶劣环境中使用的可靠性。 CAN485MB协议转换器 性能和技术指标　支持CAN2.0A和CAN2.0B协议，符合ISO/DIS 11898规范；　支持1路CAN控制器，波特率在5Kbps～1Mbps之间可选；　支持1路RS-485 接口，波特率在600bps～115200bps之间可选；　双向环形FIFO结构的大容量缓冲区，保障实时突发大批量数据的可靠通讯；　CAN-bus接口采用光电隔离、DC/DC电源隔离，隔离模块绝缘电压：1000Vrms；　高帧liuliang：400帧/秒（扩展帧，每帧8字节数据）；　工作温度：-20℃ ～ +85℃；　安装方式：可选标准DIN导轨安装或简单固定方式；　物理尺寸：100mm*70mm*25mm（不计算导轨安装架高度）。

CAN-bus应用实现

通常由于煤矿系统要求比较完整和智能化，所以方案的完整性和可扩展性也是必须考虑的。因此，本方案在设备层用CAN-bus进行通讯，在用户层由以太网进行管理。

网络的结构如图所示，以A、B、C、D四类主要的井下检测控制设备为例，每四个为一组，在井下有多个这样的设备组分布在不同的区域对设备和环境进行检测。每个设备都挂接在CAN-bus总线主线上，CAN-bus总线的主线是一个直线拓扑结构，直线的两端称为终端，各加一个终端电阻，网络的中间不加任何电阻。 　 　由于所有的设备都可以主动向总线上发送数据，那么可以设置优先级，重要设备的信号优先级较高。同时为了防止CAN-bus总线负载过大，可以将一些必要的数据作实时发送，而另一些数据在一定的管理机制下才能向总线发送数据，比如主控制设备来查询的时候，或者按一定的时间间隔再发送。 　　有必要的话，检测控制设备之间还可以进行相互的通讯。井下设备和各级主控管理机的通讯是通过CANNET-E（CAN-bus到以太网EtherNet的智能网关）来进行转换的，以便和以太网EtherNet接口。 　　CAN总线的传输距离随着波特率的降低而增长。当波特率为5Kbps的时候，不加中继器的情况下可以达到10Km。整个系统可以根据需要距离的长度而选择合适的通讯波特率，另外总线通讯距离越长的时候要适当的加大双绞线的线径，降低阻抗以减小传输延迟 　　当煤矿通讯网络需求达到更远的通讯距离（＞10公里），或者终端数目较多（＞110个）时，安装CANbridge网桥可以成倍地延长通讯距离，也可以成倍地增加CAN-bus网络中终端设备的数目。 　　采用高强度、防水防潮的屏蔽双绞线完全能够满足煤矿通讯领域的可靠性、抗干扰性参数等方面的需求。 　　在环境要求更高的场合，可以选择使用单模光纤作为CAN-bus总线的通讯介质，以实现更远的通讯距离，更高的抗干扰能力；当然，采用光纤通讯会增加一部分CAN-bus网络的设备成本。

应用成果

目前，基于CAN-bus网络的煤矿通讯网络已经在国内西南、西北、东北等多个地方煤矿系统中获得了成功的应用

　在国家优化产品结构、tigao产品质量的指导方针下，马钢进行了一系列重大产业结构调整。2001年3月投产的马钢炼钢厂1#转炉是国家三期环保项目。这座95吨转炉无论在工艺水平，还是技术水平在国内都是较为先进的。
　　整个转炉自动化系统由基础自动化、过程自动化组成。基础自动化用工业以太网、现场总线实现资源共享，完成全厂仪、电控基础自动化；过程自动化采用客户机结构，实现炼钢静态模型计算机物料跟踪和生产高度自动控制。基础自动化系统采用的是GE Fanuc公司CIMPLICITY、PLC以及交直流传动装置。

系统结构
　　马钢炼钢厂1#转炉的设计思想是大程度的利用网络、计算机技术；大程度的简化生产操作；实现三电一体，取消仪表盘；实现自动化炼钢；建立冶炼的静态模型，实现加料、吹炼的优化炼钢；实现状态自诊断。
　　自动化系统的软、硬件采用GE Fanuc公司的90-30 PLC 5台、40多个远程站；40多台AV/DV300传动装置（DV300用于氧枪/倾动系统）；8套CIMPLICITY操作站软件。这5台PLC分别控制转炉本体、熔剂加料及一次除尘、吹氩站、上料及汽化、煤气回收。这些子系统的操作都可在独立的HMI上完成，并且主操作室中的HMI具有互备功能。

解决方案
——氧枪的控制
　　氧枪的自动控制是一种全新的控制，可以实现钢水的一次高命中率，有利于对整体的炼钢水平的tigao。氧枪的自动控制关键在于氧枪的自动定位。马钢的1#转炉系统根据工艺的设定来完成炼钢的自动吹炼、氧枪的自动定位。
　　马钢炼钢厂1#转炉氧枪转动装置是采用GE Fanuc DV300全数字直流传动，通过Profibus现场总线实现数据的交换。其位置控制是一个闭环控制。在实际应用中通过调整氧枪的抱闸、氧枪DV300传动装置的特性参数（如：起/制动电流曲线）可以得到很好的定位性能。在1#转炉中氧枪自动定位精度为±3cm。

——倾动的控制
　　马钢1#转炉是按四点全悬挂、全正力矩设计。这种设计大限度地发挥了设备的潜力、其性能价格比高。但这种设计须对四台倾动装置进行负荷平衡，而负荷平衡又是自动化控制中的一个难点。
　　实际应用中，在DV300 传动装置中加入了一块通讯卡（DGF）。PLC的倾动给定信号通过Profibus现场总线同时给到四台DV300。每台DV300将自身装置的状态信号（如：装置的故障信号、速度调节器的输出信号等）通过DGF发往下游装置。同时将装置的工作状态通过Profibus现场总线送入PLC，由PLC决定转炉倾动电机的工作曲线。

——系统自诊断
　　转炉炼钢是一个多系统、多设备、多阶段的复杂操作的统一，而且各系统的操作又存在一定独立性。在马钢炼钢厂1#95吨转炉自动化系统中，采用了自动化系统的自诊断，使原先比较难的操作变成了容易的操作。自诊断不仅包括设备故障，还包括生产的状态、工况、条件。
　　实际应用中的自诊断包括二部分，一是利用CIMPLICITY所具有的故障报警功能完成系统的故障动画、故障登录、故障打印等功能。二是利用PLC和操作站强大的软件功能实现系统状态自诊断，完成对系统的状态、工况、条件的判断。

结束语
　　马钢平改转2000年3月18日投产，并在月内实现全自动生产并且达到设计能力。系统投入生产一年以来，自动化系统稳定，已顺利炼钢近8000炉。自动化系统和网络的设计及新的控制理念在马钢平改转中得到了充分的应用，同时为马钢增利上亿元。采用技术先进的控制系统，经实践证明取得了良好的应用效果。该系统具有通用性，可以在转炉炼钢上推广应用，继马钢1＃95吨转炉项目以后，2＃，3＃炉又在去年和今年分别得到了成功的改造。

 可编程序控制器(习惯上简称为PLC)。是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有体积小、功能强、灵活通用与维修方便等一系列优点，特别是其高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到了用户的青睐。　　

       PLC在不断发展，尚没有确切的定义，美国电气制造商协会(NEMA)(National E1ectric Manufacturer Association)对PIE的定义是：PLC是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。　　

        总起来说，PLC是一种成熟通用的工业控制计算机。其优点是：软硬件功能强、使用维护方便、运行稳定可靠。由于PLC配置方便，特别是简单易懂的图形化编程语言，易于工程技术人员掌握，因此施工设计周期可以大大缩短。另外，PLC的输入输出点均设有状态指示灯，便于故障的查找与处理。　　

        内燃机车的顺序控制一般采用继电器控制电路，中间继电器较多，接线复杂，通用性差。1990年后，液力传动工矿机车开始采用PLC完成顺序控制，取消了大部分中间继问器、计数器和定时器，减少了接线，机车控制电路得到简化，同时运用可靠性得到很大tigao。　　

         电传动内燃机车除完成比液力传动机车更多的逻辑控制外，还需要完成大量的模拟量控制。电传动内燃机车的模拟量控制主要是柴油机的恒功率控制，就是保证柴油机在某一恒定转速下，输出功率恒定。初柴油机的恒功率控制用柴油机调速器上的功调电阻实现，恒功率范围较窄。后来采用电子恒功率控制装置，又采用了微机恒功率控制装置，恒功率范围得到扩展，但是这些控制装置可靠性很差，故障频繁。随着PLC功能的不断完善，在电传动内燃机车上采用PLC完成恒功率控制成为可能。本文主要介绍PLC在DR型机车上的应用情况。　　　　

PLC 控制系统的特点和功能 　　

根据DF5型机车的控制要求，选用日本欧姆龙(OMRON)公司的CQM1H型PLC。　　　　

1　 特点 　　

(1)欧姆龙公司是国际PLC生产商，国内应用广泛、部件供应齐全，产品升级换代相兼容，bbbbbbS开发界面；　　

(2)通过PLC控制系统实现整车逻辑控制的无触点化，控制逻辑软件化，tigao了整车可靠性；　　

(3)机车所有开关量输入、输出信号，均采用光电隔离，为PLC的安全运行提供了可靠保证；　　

(4)机车所有开关量输入、输出信号，均有LED指示灯，指示信号的输入、输出状态，这对了解机车工作状态、快速排除机车故障，提供了有利支持：　　

(5)提供了对整车从恒功率励磁控制到机车逻辑控制的全套解决方案，有利于数据信息的综合利用；　　

(6)具有机车的电气保护和故障自动检测、显示功能；　　

(7)系统结构明晰，有利于排查机车电气系统的故障，简化了系统的常规维护。　　　　

2　 功能 　　

(1)机车操作指令、状态的接收和处理；　　

(2)柴油机恒功率励磁控制；　　

(3)机车逻辑控制；　　

(4)柴油机控制；　　

(5)辅助系统控制；　　

(6)故障检测、保护及显示记录；　　

(7)机车参数显示及参数修改等。　　　　

3　PLC 控制系统组成 　　

       PLC控制系统以DF5型机车的控制要求为基础，选用日本OMRON公司的可编程序控制器，其型号为CQM1H。该PLC为完全模块化结构，由直流24 V电源供电。共配置有11个模块。　　　　

3．1　 PLC部分硬件组成 　　

       该PLC控制系统由6部分组成，各部分的规格及参数分述如下：　　(1)24 V电源模块。用于连接24 v直流电源。　　(2)CPU模块。包括两块内插板以及16路开关量输入，内插板1暂时不用，内插板2用于频率信号输入，CPU模块具有运行、故障、通讯指示功能，可通过通讯接口外接显示器。　　(3)模拟量输入模块。共3块，12路模拟信号输入，该模块将模拟量转换为数字量，其输入范围可根据需要自行设定：-10～10 V；0～10 V；1～5 V(4～20 mA)；模拟量输入模块还具有均值处理功能和断线检查功能，均值处理功能是对每个输入值进行8次转换求平均值。当输入电压低于0．95 V或输入电流低于3．8 mA时判定为断线。　　(4)开关量输入模块。共3块，用于开关信号的输入，其电路结构如图1所示。　　 　　　　(5)模拟量输出模块。共1块，把从CPU来的数据转换为电压或电流信号输出。　　(6)开关量输出模块。共3块，48路，采用继电器输出，其电路结构如图2所示。　

3 ．2　外围设备配置 　　

       为了保证PLC控制系统可靠工作，需要配置合适的外围设备，包括电源、输出隔离模块等，还包括按钮、开关、传感器、接触器和信号显示灯等用户输入输出设备。　　　　

4　 软件开发 　　

      PLC控制程序可以采用梯形图或语句编程两种方式，由于梯形图与控制逻辑电路比较相似，易于编制与理解，控制程序大多采用梯形图编制，以机车机油泵的控制为例，其梯形图如图3所示。　

　 　图中：13．13为燃油泵控制开关；13．12为柴油机起动按钮；13．14为机油泵控制开关；102．01为机油泵控制接触器。　　使机油泵投入工作有两种方式：闭合燃油泵控制开关同时按下柴油机起动按钮；闭合机油泵控制开关使机油泵微机输出点IRl02．01得电，然后通过放大模块使机油泵接触器吸合。　　　　

5　 应用情况 　　

      该PLC控制系统已成功运用到DF5型机车上，现已推广运用于DF7G型机车，累计装车近百台，从运用情况看，机车的故障率明显下降，PLC本身基本没有出现问题，完全能够满足内燃机车的控制要求。