西门子6ES7214-2AD23-0XB8产品型号

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原有4套钻、铣床设备，用于轻轨精整。其电气控制系统采用继电器及接触器构成，控制手段比较落后，控制效果完全取决于操作工经验和精神状态，各道工序间连贯性差，费时又费力，故障率较高且维修困难，影响了生产效率。因此，有必要进行技术改造。PLC控制具有可靠性高、柔性好、开发周期短等优点，特别适合于机床控制和故障自诊断系统，可以大大减少继电器等元器件的数量，提高电气控制系统的稳定性和可靠性，从而,用PLC控制系统替代体积大、投资大、耗能大的继电器是电气控制系统发展的趋势。鉴于上述原因，我们利用PLC技术对原有电气系统进行了全面技术改造。
2.系统功能
　　轻轨精整PLC智能控制系统包含铣床和钻床控制，实现的基本功能如下：
　　（1） 切换功能：可实现手动与自动控制的切换。在通常情况下使用自动档，当需要检修或调试的时候，切换到手动档。
　　（2） 自动报警功能：发生异常情况，可随时报警。当夹紧头快下、动力头快进、动力头工进以及动力头快退四个部分中任何一段出现异常情况时，与之相应的声光报警就会动作，让现场工作人员迅速采取措施，避免或减少事故所造成的损失。
　　（3） 自动记忆功能：配有“停车”及“继续运行”按钮。当工作过程中出现某些问题需要暂停运行时，按下“停车”按钮后，机床停止运行，各部分均停留在原处不动。再按下“继续运行”按钮，则机床继续运行。
　　（4） 紧急停车复位功能：配备有“紧急停车复位”按钮。当在工作过程中发生异常，或中途突然停电后恢复时，按下此按钮使机床各部件回到加工前的初始状态。
　　为实现上述功能，需要对运行过程进行智能判断，进行相应的控制。同时考虑到PLC的运算功能的限制，需要加入故障诊断模块，并进行相应的显示。
3. 系统组成
　　PLC选用三菱公司的FX2N系列可编程序控制器实现[1]，由可编程序控制器构成的轻轨精整智能控制系统结构如下：

图1. 轻轨精整智能控制系统结构图
　　该系统有输入、控制运算和输出三大部分组成。
　　1）输入部分包括操作按钮和信号检测两部分。
　　a.操作按钮用来人工设置参数或进行手动操作，处理紧急情况。
　　b.信号检测是由传感器自动监测生产线上机床的工作情况，一旦出现异常情况，马上报警提示操作者，以进行相应的故障处理，如紧急停机处理等，从而避免事故的发生。
　　2）控制运算部分
　　控制运算部分主要由PLC来完成，由控制系统的应用软件来完成信号的输入、处理、控制输出的主要功能。
　　3）输出部分包括报警装置、输送和动力装置、固定装置
　　a.报警装置由闪烁的红、黄、绿三种颜色灯和报警铃声构成，三种颜色分别对应三种不同报警级别。绿色表示系统正常，黄色表示系统参数超范围，但仍能工作，需要进行处理;红色报警并伴随报警声音，必须紧急停机处理。
　　b.输送装置由PLC输出的信号控制主电路，给电机发送指令，让其自动完成原料的传送与动力传送。
　　c.液压装置是固定装置，由PLC控制器给定的信号，经电磁阀控制液压设备，将原料固定在某一位置，为原料加工服务。
4.系统软件设计
　　4.1 PLC软件设计考虑的问题
　　利用梯形图编制控制程序，在 PLC软件设计中要考虑以下几个问题：
　　（1） 强电关断优先原则：在铣床软件设计中，只要控制信号中有强电关断的信号，则不管其它信号如何都要关断强电。如图2所示，只要关断信号XO2=1，则中间继电器 M100 都要被关断。 （2） 动作互锁原则：有些控制不能同时动作，就要进行互锁。如主轴正、反转控制，图 3为主轴互锁控制示意图，任何一个回路启动后必须同时关断另一 个回路，从而保证两者不能同时动作。

图2


图3
　　（3） 顺序联锁控制原则：即有些控制要求次序不能颠倒，这就要求前一个动作常开触点串在下一个控制动作中，同时将后一个动作中的常闭触点串在上一动作的控制回路中，如图4 所示。

图4
　　影响PLC控制系统的因素很多，只要我们在软件设计时充分考虑到各方面因素，就可避免出现故障，控制系统的运行就会更加稳定 [2] 。
　　4.2 PLC基本控制程序设计
　　具体铣床控制功能框图如图5所示,钻床控制功能与之类似。

图5. 铣床控制顺序功能框图
　　4.3 故障诊断模块的程序设计
　　对于PLC系统，由于内存资源有限，复杂的智能诊断难于实现，为此加入了故障诊断智能模块，该模块以单片机为基础，采用C51编程，可方便实现各种控制算法。
　　采用故障树推理与专家经验规则推理相结合的方法，利用智能模块的I/O功能及内部信息进行故障诊断。[3][4]
　　（1） 故障结构分析
　　在进行故障诊断设计时，首先必须对整个系统可能发生的故障进行分析，得到系统的故障层次结构，利用这种层次结构进行故障诊断部分的设计。图6为系统的故障层次结构。 

图6. 故障层次结构框图
　　（2）程序设计
　　系统故障结构的层次性为故障诊断提供了一个合理的层次模型。在进行系统的程序设计时，应充分考虑到故障结构的层次，合理安排逻辑流程。在引入故障输入点时应注意两点：
　　a. 必须将系统所有可能引起故障的检测点引入PLC，这主要是从系统的安全可靠运行考虑，以便系统能及时进行故障处理;
　　b. 应在系统允许的条件下尽可能多的将底层的故障输入信息引入PLC的程序中，以便得到更多的故障检测信息为系统的故障自诊断提供服务。
5.结束语
　　经过在线调试和工业试验运行阶段后，该控制系统已于2004年正式投入运行,运行以来，效果良好,实现了预定的控制功能要求，克服了继电器、接触器控制带来的局限，避免了原控制系统辅助元件多、故障率高、工作噪声大、控制方式单一、维护困难等问题。手动与自动切换方便，抗干扰能力强，适合钢厂生产线的恶劣的工作环境,且易于计算机通讯，实现网络监控。

.引言
　　目前建筑陶瓷行业普遍采用的是隧道窑烧成工艺，在使用隧道窑进行陶瓷烧制的过程中，除了严格控制各被控点（车位）的温度和压力等物理参数外，jingque、准时地完成顶车、回车等循环过程，也是保证烧成质量的必要环节，随着计算机技术的发展，特别是可编程逻辑控制器（PLC）技术的广泛应用，使顶车工艺的控制实现了PLC自动控制，从而大大提高了系统的可靠性，保证了产品质量的稳步提高。本文以唐山陶瓷厂建筑陶瓷隧道窑的顶车工艺的控制为例，对PLC在隧道窑顺序控制中的应用进行探讨。
1.顶车工序的工艺过程
　　隧道窑是连续烧成的生产装置，通过有序的顶车操作与窑内各个被控点的严格控制相配合，使每个毛坯（半成品）在从窑头到窑尾的“流动”过程中，完成烧成曲线所要求的烧成过程。也就是说对于隧道窑的控制来讲，从宏观上看，每个被控点的参数是不变的，但对于窑内被烧制的毛坯来讲，必须严格按照烧成曲线的要求，准时经过每个被控点，才能达到理想的烧成制品。
　　，为了保证烧制的毛坯能够按烧成曲线的要求，准时地通过所有被控点，就要求窑内的窑车按时、有序地进行循环和流动，目前普遍采用的是基于逻辑控制的定时顶车控制工艺。隧道窑顶车工序的示意图如图1所示。

图1：隧道窑顶车工序示意图
　　由于窑尾与窑头的控制方式完全相同，为节省篇幅，本文仅就窑头的控制进行讨论，并假设窑尾完全能够满足窑头控制所需要的各种控制信号的要求。顶车工序的工艺过程为：
　　设：顶车定时时间到T0↑→托车前有窑车到位13XK↑→托车在回车线方向准确定位1XK↑→9XK、10XK同时↑→油泵启动→托车上无窑车11XK↓→夹紧装置为松开状态12XK↓→1DT↑→推车机启动推动窑车上托车→13XK↓→当窑车到位后11XK↑→2DT↑→推车机返回→推车机返回到位14XK↑→推车机停止→电磁夹紧装置将窑车夹紧→夹紧到位后12XK↑→托车电机低速正向启动，托车低速向窑头方向移动→2XK↑→托车电机转为正向高速→在接近窑头的时候3XK↑→切换为正向低速，继续向窑头方向移动→当4XK↑进入定位对轨状态→对轨成功后9XK、10XK同时↑→托车电机停止→窑门电机正向启动打开窑门→打开到位后7XK↑→窑门电机停止并抱闸→夹紧装置松开12XK↓→3DT↑→顶车机前进，将窑车顶入窑内→当顶车到位后6XK↑→3DT↓→4DT↑→顶车机返回→当返回到位后5XK↑→4DT↓→顶车机停止→窑门电机反向启动关闭窑门→关闭到位后8XK↑→窑门电机停止→托车电机反向高速启动→托车快速返回→2XK↑→转换为反向低速→1XK↑→进入反向对轨定位→9XK、10XK同时↑，定位结束，托车停止→人工将窑车推到13XK处→等待下一次定时时间到。
2.系统的硬件设计
　　本系统仅涉及开关量的控制，故采用日本东芝公司的EX40-PLUS作为控制器。EX40具有基本I/O点40个，其中输入24点，输出16点，大继电器方式输出电流可达2A，完全能够满足本系统的控制要求。系统的硬件原理图如图2所示。
　　为保障系统安全可靠地工作，除在梯形图实现互锁之外，在硬件接线中也对上升、下降，高速、低速，前进、后退等接触器实现硬件互锁。
　　EX40的输入端采用共漏极接线方式，其电源由PLC内部提供。
　　本系统选用的输出方式为继电器方式，电源由外部接入，其中接触器采用220V交流供电，电磁铁和信号灯采用直流24V供电。系统各I/O点的分配如表1、表2所示。
　　表1：系统的输入分配表


　　表2：系统输出分配表



图2：系统硬件原理图
　　图2为本系统的硬件接线图，图中省略了报警指示等的接线，输入部分的开关除X0和X16为按钮外，均为行程开关。
3.系统的软件设计
　　本系统采用定时原则的顺序控制方式，系统控制结构简单，梯形图易于设计和调试，便于维护和维修。系统的程序流程图如图3所示。

图3：控制系统软件流程图
　　由图3所示的流程图可见，系统的软件设计主要包括：系统的启动和主控的形成;托车行走和定位控制;窑门开启和关闭控制;顶车机操作控制和部分超时报警控制等。系统的梯形图从略。
3.结束语
　　本系统采用微型PLC作为控制装置，特别是EX40-PLUS的大屏幕编程器，可以方便地编辑和修改梯形图程序，亦可实现联机调试和监控程序的运行情况。

.系统功能
　　轻轨精整PLC智能控制系统包含铣床和钻床控制，实现的基本功能如下：
　　（1） 切换功能：可实现手动与自动控制的切换。在通常情况下使用自动档，当需要检修或调试的时候，切换到手动档。
　　（2） 自动报警功能：发生异常情况，可随时报警。当夹紧头快下、动力头快进、动力头工进以及动力头快退四个部分中任何一段出现异常情况时，与之相应的声光报警就会动作，让现场工作人员迅速采取措施，避免或减少事故所造成的损失。
　　（3） 自动记忆功能：配有“停车”及“继续运行”按钮。当工作过程中出现某些问题需要暂停运行时，按下“停车”按钮后，机床停止运行，各部分均停留在原处不动。再按下“继续运行”按钮，则机床继续运行。
　　（4） 紧急停车复位功能：配备有“紧急停车复位”按钮。当在工作过程中发生异常，或中途突然停电后恢复时，按下此按钮使机床各部件回到加工前的初始状态。
　　为实现上述功能，需要对运行过程进行智能判断，进行相应的控制。同时考虑到PLC的运算功能的限制，需要加入故障诊断模块，并进行相应的显示。
3. 系统组成
　　PLC选用三菱公司的FX2N系列可编程序控制器实现[1]，由可编程序控制器构成的轻轨精整智能控制系统结构如下：



图1. 轻轨精整智能控制系统结构图
　　该系统有输入、控制运算和输出三大部分组成。
　　1）输入部分包括操作按钮和信号检测两部分。
　　a.操作按钮用来人工设置参数或进行手动操作，处理紧急情况。
　　b.信号检测是由传感器自动监测生产线上机床的工作情况，一旦出现异常情况，马上报警提示操作者，以进行相应的故障处理，如紧急停机处理等，从而避免事故的发生。
　　2）控制运算部分
　　控制运算部分主要由PLC来完成，由控制系统的应用软件来完成信号的输入、处理、控制输出的主要功能。
　　3）输出部分包括报警装置、输送和动力装置、固定装置
　　a.报警装置由闪烁的红、黄、绿三种颜色灯和报警铃声构成，三种颜色分别对应三种不同报警级别。绿色表示系统正常，黄色表示系统参数超范围，但仍能工作，需要进行处理;红色报警并伴随报警声音，必须紧急停机处理。
　　b.输送装置由PLC输出的信号控制主电路，给电机发送指令，让其自动完成原料的传送与动力传送。
　　c.液压装置是固定装置，由PLC控制器给定的信号，经电磁阀控制液压设备，将原料固定在某一位置，为原料加工服务。
4.系统软件设计
　　4.1 PLC软件设计考虑的问题
　　利用梯形图编制控制程序，在 PLC软件设计中要考虑以下几个问题：
　　（1） 强电关断优先原则：在铣床软件设计中，只要控制信号中有强电关断的信号，则不管其它信号如何都要关断强电。如图2所示，只要关断信号XO2=1，则中间继电器 M100 都要被关断。 （2） 动作互锁原则：有些控制不能同时动作，就要进行互锁。如主轴正、反转控制，图 3为主轴互锁控制示意图，任何一个回路启动后必须同时关断另一 个回路，从而保证两者不能同时动作。

图2


图3
　　（3） 顺序联锁控制原则：即有些控制要求次序不能颠倒，这就要求前一个动作常开触点串在下一个控制动作中，同时将后一个动作中的常闭触点串在上一动作的控制回路中，如图4 所示。

图4
　　影响PLC控制系统的因素很多，只要我们在软件设计时充分考虑到各方面因素，就可避免出现故障，控制系统的运行就会更加稳定 [2] 。
　　4.2 PLC基本控制程序设计
　　具体铣床控制功能框图如图5所示,钻床控制功能与之类似。

图5. 铣床控制顺序功能框图
　　4.3 故障诊断模块的程序设计
　　对于PLC系统，由于内存资源有限，复杂的智能诊断难于实现，为此加入了故障诊断智能模块，该模块以单片机为基础，采用C51编程，可方便实现各种控制算法。
　　采用故障树推理与专家经验规则推理相结合的方法，利用智能模块的I/O功能及内部信息进行故障诊断。[3][4]
　　（1） 故障结构分析
　　在进行故障诊断设计时，首先必须对整个系统可能发生的故障进行分析，得到系统的故障层次结构，利用这种层次结构进行故障诊断部分的设计。图6为系统的故障层次结构。

图6. 故障层次结构框图
　　（2）程序设计
　　系统故障结构的层次性为故障诊断提供了一个合理的层次模型。在进行系统的程序设计时，应充分考虑到故障结构的层次，合理安排逻辑流程。在引入故障输入点时应注意两点：
　　a. 必须将系统所有可能引起故障的检测点引入PLC，这主要是从系统的安全可靠运行考虑，以便系统能及时进行故障处理;
　　b. 应在系统允许的条件下尽可能多的将底层的故障输入信息引入PLC的程序中，以便得到更多的故障检测信息为系统的故障自诊断提供服务。
5.结束语
　　经过在线调试和工业试验运行阶段后，该控制系统已于2004年正式投入运行,运行以来，效果良好,实现了预定的控制功能要求，克服了继电器、接触器控制带来的局限，避免了原控制系统辅助元件多、故障率高、工作噪声大、控制方式单一、维护困难等问题。手动与自动切换方便，抗干扰能力强，适合钢厂生产线的恶劣的工作环境,且易于计算机通讯，实现网络监控。
　　本文作者创新点：将PLC和单片机结合，设计了用于轻轨精整钻、铣床设备的控制系统，并使之具有故障诊断和报警功能，系统结构简单，操作方便。