西门子6ES7211-0AA23-0XB0诚信交易

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引言

为了延长PLC控制系统的寿命，在系统设计和生产使用中要对该系统的设备消耗、元器件设备故障发生点有较明白的估计，也就是说，要知道整个系统哪些部件容易出故障，以便采取措施。现以我厂特种水泥1号线的PLC过程控制系统为例，对PLC过程控制系统故障分布规律进行分析，希望能对PLC过程控制系统的系统设计和U常维护有所帮助。

1 系统故障的概念

系统故障一般指整个生产控制系统失效的总和，它又可分为PLC故障和现场生产控制设备故障两部分。PLC系统包括中央处理器、主机箱、扩展机箱、I／O模块及相关的网络和外部设备。现场生产控制设备包括I／O端口和现场控制检测设备，如继电器、接触器、阀门、电动机等。

2 系统的故障统计及分析处理

2．1 我厂特种水泥1号线过程控制系统简介

2000年该系统改造时采用日本二菱公司的A2系列PIC为核心组成的PLC过程控制系统。系统配置如图1。

图1 系统配置框图

该系统有2个集中控制室：窑尾控制室和窑头控制室，其中窑头控制室为主站；2个现场工作站：窑尾生料自动配料工作站和窑尾成球盘自动加水成球工作站；2个电视监控系统：预热器进口下料监控和窑头电视看火。现场工作站是独立的微机自动控制系统，它与主站只进行模拟量的通讯和开关量的联锁。主站与从站间采用帧同步全双工通讯方式：

2．2 系统故障数据的统计

该系统运行近3年来PLC故障统计如表1。

现场控制设备故障统计如表2。

经统计，系统故障共计126次，其中PLC的故障比例约为4．7％，现场部分故障比例约为95．3％，：对照其他PLC过程控制系统的故障数据，并考虑该系统运行时间不是很长，该比例比较接近一般PLC过程控制系统的故障分布规律，有一定的普遍性。一般来讲PIC部分的故障比例约为5％，现场控制设备的故障比例约为95％。PLC过程控制系统故障分布的估计图[1]如图2。

图2 系统的故障分布

2．3 系统故障分析及处理

2．3．1 PLC主机系统

PLC主机系统容易发生故障的地方一般在电源系统和通讯网络系统，电源在连续工作、散热中，电压和电流的波动冲击是不可避免的。通讯及网络受外部干扰的可能性大，外部环境是造成通讯外部设备故障的大因素之一。系统总线的损坏主要由于现在PLC多为插件结构，长期使用插拔模块会造成局部印刷板或底板、接插件接口等处的总线损坏，在空气温度变化、湿度变化的影响下，总线的塑料老化、印刷线路的老化、接触点的氧化等都是系统总线损耗的原因。所以在系统设计和处理系统故障的时候要考虑到空气、尘埃、紫外线等因素对设备的破坏。目前PLC的主存储器大多采用可擦写ROM，其使用寿命除了主要与制作工艺相关外，还和底板的供电、CPU模块工艺水平有关。而PLC的中央处理器目前都采用高性能的处理芯片，故障率已经大大下降。对于PLC主机系统的故障的预防及处理主要是提高集中控制室的管理水平，加装降温措施，定期除尘，使PLC的外部环境符合其安装运行要求；同时在系统维修时，严格按照操作规程进行操作，谨防人为的对主机系统造成损害。

2．3．2 PLC的I／O端口

PLC大的薄弱环节在I／O端口。PLC的技术优势在于其I／O端口，在主机系统的技术水平相差无几的情况下，I／O模块是体现PLC性能的关键部件，因此它也是PLC损坏中的突出环节。要减少I／O模块的故障就要减少外部各种干扰对其影响，首先要按照其使用的要求进行使用，不可随意减少其外部保护设备，其次分析主要的干扰因素，对主要干扰源要进行隔离或处理。

2．3．3 现场控制设备

在整个过程控制系统中容易发生故障地点在现场，表2列出了现场中容易出故障的几个方面。

1)类故障点(也是故障多的地点)在继电器、接触器。如该生产线PLC控制系统的日常维护中，电气备件消耗量大的为各类继电器或空气开关。主要原因除产品本身外，就是现场环境比较恶劣，接触器触点易打火或氧化，然后发热变形直至不能使用。在该生产线上所有现场的控制箱都是选用密闭性较好的盘柜，其内部元器件较其他采用敞开式盘柜内 元器件的使用寿命明显要长。所以减少此类故障应尽量选用高性能继电器，改善元器件使用环境，减少更换的频率，以减少其对系统运行的影响。

2)第二类故障多发点在阀门或闸板这一类的设备上，因为这类设备的关键执行部位，相对的位移一般较大，或者要经过电气转换等几个步骤才能完成阀门或闸板的位置转换，或者利用电动执行机构推拉阀门或闸板的位置转换，机械、电气、液压等各环节稍有不到位就会产生误差或故障。长期使用缺乏维护，机械、电气失灵是故障产生的主要原因，因此在系统运行时要加强对此类设备的巡检，发现问题及时处理。我厂对此类设备建立了严格的点检制度，经常检查阀门是否变形，执行机构是否灵活可用，控制器是否有效等，很好地保证了整个控制系统的有效性。

3)第三类故障点可能发生在开关、极限位置、安全保护和现场操作上的一些元件或设备上，其原因可能是因为长期磨损，也可能是长期不用而锈蚀老化。如该生产线窑尾料球储库上的布料行走车来回移动频繁，而且现场粉尘较大，所以接近开关触点出现变形、氧化、粉尘堵塞等从而导致触点接触不好或机构动作不灵敏。对于这类设备故障的处理主要体现在定期维护，使设备时刻处于完好状态。对于限位开关尤其是重型设备上的限位开关除了定期检修外，还要在设计的过程中加入多重的保护措施。

4)第四类故障点可能发生在PLC系统中的子设备，如接线盒、线端子、螺栓螺母等处。这类故障产生的原因除了设备本身的制作工艺原因外还和安装工艺有关，如有人认为电线和螺钉连接是压的越紧越好，但在二次维修时很容易导致拆卸困难，大力拆卸时容易造成连接件及其附近部件的损害。长期的打火、锈蚀等也是造成故障的原因。根据工程经验，这类故障一般是很难发现和维修的。所以在设备的安装和维修中一定要按照安装要求的安装工艺进行，不留设备隐患。

5)第五类故障点是传感器和仪表，这类故障在控制系统中一般反映在信号的不正常。这类设备安装时信号线的屏蔽层应单端可靠接地，并尽量与动力电缆分开敷设，特别是高干扰的变频器输出电缆，而且要在PIC内部进行软件滤波。这类故障的发现及处理也和日常点巡检有关，发现问题应及时处理。

6)第六类故障主要是电源、地线和信号线的噪声(干扰)，问题的解决或改善主要在于工程设计时的经验和日常维护中的观察分析。

要减小故障率，很重要的一点是要重视工厂工艺和安全操作规程，在日常的工作中要遵守工艺和安全操作规程，严格执行—些相关的规定，如保持集中控制室的环境等等，同时在生产中也要加强这些方面的霄理。

3 结束语

过程控制系统本身是一个完整的系统，所以在分析故障或处理故障时也要注意系统性，单独的对某一部分的优化有时并不能提高系统的整体性能。如过分追求元器件的精度而不考虑实际的需要以及和相关设备精度的匹配，将徒然增加系统成本。在日常维护中也有过把系统越改越复杂的现象，如采用复杂的控制方式和设备来实现本可以用简单装置来实现的控制，违背了经济、简单、实用的原则，并可能会增加故障率，这也是要注意的地方。

引言

工业自动生产线应用非常普遍，一般生产线的长度是有限的，为把物料从一条生产线搬运到另一条生产线上，常常采用输送线升降机，以提高生产效率。本文以FX-ON系列可编程控制器为例，介绍PLC在输送线升降机中的应用，这种FX-ON系列PLC机以其优的性能价格比受到用户的关注，在改造旧设备、生产线以及替代进口产品方面，取得了很好的经济效益。特别是配上嵌入式全中文MCGS组态软件，可迅速构成下位机监控系统，运行于WinCE嵌入式实时操作系统，内置流程图功能，有庞大的标准工业器件设备图形库，支持各类型PLC等硬件设备，可以完成复杂逻辑控制，并可根据实际工况灵活组态。经生产实践表明，该输送线升降机设计思路正确，运行可靠，能达到实际生产应用的要求。

1、升降机结构图与工作原理

该单元由升降梯与立体仓库二部分组成，升降梯由升降台和链条提升部分组成，由步进电机做驱动电源，由光栅尺对升降梯上升或下降的高度进行准确的定位。

图1所示为传送线升降机结构图，工作原理如下：① 工件由传送线送至一楼升降梯机内；② 工件送达二楼后，升降梯上的传感器检测到工件进入时，升降梯上的传送电机停止工作，工件由动力辊道接出，再送入二楼辊道至二楼传送线，后进入仓库；③ 仓库的传感器检测到工件进入后，传送电机停，同时升降梯开始下降，回到初始位置，等待下一个工件；④整个系统以PLC为主要控制元件，设有手动／自动两种控制方式。

图1 升降机结构图

2、PLC选择及软、硬件设计

（1） 采用24V直流电源，型号选FXon－40MR，输入为24点继电器接点，输出为16点，外部输入电源在机内，内存程序循环扫描控制，处理速度平均为5UμS/bit，程序容量950kbyt。

（2） 在外围设备方面，采用便携式编程器FX-10P/20P或采用RS232通信或RS485通信方式，与上位机连接，外部输入设备有行程开关，按钮和电磁阀等。

（3） 编制程序时，要使用外部输入相应的端子设备号：外部输入接点闭合，操作指示灯亮，输出断开，操作指示灯灭。

（4） 时间定时器当前值设为0，定时器的点数为246，预置值0.1～3276.7s或0.01～327.67s，选用T0，T1等时间继电器。

3、电气控制系统设计

（1） 根据检测单元的检测情况，若检测到的工件为合格产品，则运行至此站，升降梯上的传感器检测到工件，升降梯上的传送电机停，通过步进电机驱动使步进电机转动，经齿轮齿条使升降梯带动工件上升。

（2） 根据前面的检测结果，使用计数器，若为金属销钉且为个工件则升降梯上升至二层时停止，启动升降梯和二层上的传送电机，将工件送入，二层传感器检测到工件进行延时2s后，此层传送电机停。步进电机反方向转动，升降梯下降到初始位置，准备运送下一个工件。

（3） 根据计数器，若为金属且为第二个工件。升降梯仍重复上面的动作，将工件送入二层。

（4） 根据计数器，若为金属且为第三个工件，（在程序中认为每层可装两个工件）升降梯则带工件自动进入三层。以后依次装入工件。

（5） 若为尼龙销钉且为个工件，则升降梯带动工件先垂直上升至二层，然后启动水平电机带动升降梯水平动作，当碰到水平的内限位开关时停止水平动作，启动升降梯和二层上的传送电机，将工件送入，二层传感器检测到工件进行延时2s后，此层传送电机停。水平电机反方向转动，回到外层碰到外限位停，然后启动步进电机使其反方向转动，升降梯下降时碰到底层限位停，回到初始位置，准备运送下一个工件。

（6） 若为尼龙销钉且为第二个工件则重复上一步。

（7） 若为尼龙销钉且为第三个工件，则重复上面步骤，升降梯带动工件先垂直上升至二层，然后水平移动，碰到内层限位时，水平电机停，此时升降梯带动工件继续上升至三层，将工件送入后，启动水平电机，升降梯进行反方向的水平动作，碰到外限位时，水平电机停，步进电机继续工作，带动升降梯下降至初始位置。以后工件依次装入。

（8） 按设计思路编制程序框图如图2所示。

图2 程序框图

（9） 用基本指令有LD，SET，RST，AND，OUT，RET，END和功能指令FROM。

（10） 用外围设备——便携式编程器FX-10P/20P或电脑的PLC软件将其梯形图程序用可写的形式将指令写入，输入后PLC就按设计思路准确地完成各种操作。利用编程器或电脑的三菱PLC软件还可以完成每一条程序的读出，搜索所需要的输入/输出记号或指令，并可以检查写入的程序中有无语法错误，正确无误且用强制输出可以测试运行。

4、监控系统设计

MCGS组态软件可根据司机情况增加、裁减相应的内容，可以组态出动画窗口、曲线、报表等，并可以设置用户权限、安全级别。其结构有主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，如图3所示。

图3 MCGS组态软件结构图

全中文工控软件MCGS是一套基于bbbbbbs平台，快速构成上位机监控系统的组态软件，可运行于Microsoft bbbbbbs 95\98\ME\NT\2000等操作系统，有庞大的标准的工业器件、设备、图形库，支持各类型PLC可编程器等硬件设备，其软件使用简单，操作方便。共设计了5个界面，分别是：主界面、流程监控、故障报警、报表输出、操作规程。设计中对于I/O的配置选用串行口配置，选择串行口COM1，则弹出设置配置向导，选择PLC设备系列。

设计中动画连接命令语言为IF-ELSE-THEN。通过设置脚本程序可以形成一个按时间循环运行方式的过程。另外运用组态软件进行动画调试运行，会排除现场中很多问题，可对PLC的梯形图程序进行检测，大大缩短了现场调试周期，使设备运行可靠性大大增加。

5、系统特点

智能化

监控系统对智能化的要求越来越高，而此系统采用了嵌入式PC104。实时控制性指标很好。智能化程度很高，PC104模块主要特点是采用低功耗嵌入式CPU，集成度高，功能很强，由于它的实时影响能力，可在时间内把生产信息的各种数据，指标准确无误的反映上来，通过MCGS软件以报表，图形的形式显示出来，因此可视化程度非常高。独特的硬件“看门狗”能对系统运行情况进行监视，发生异常情况，及时采取应急措施。

可靠性

工业监控系统在可靠性方面要求很高，计算机控制系统在发生故障和处于死机状态时对企业的安全性，高效生产方面带来严重的影响。可靠性主要指控制系统本身要连续稳定运行，一旦系统生产故障是要有保证其安全状态的能力。系统采用PC/104标准模块，具有极好的抗震性，能够在各种复杂、恶劣的环境正常运行；存储器采用Flash电子盘，不带硬盘，避免了硬盘的旋转机械故障；其操作系统bbbbbbs CE内核具有内存管理功能，可以检查出应用程序造成的系统异常，能很好的抑制由于应用方面的错误而直接破坏系统的危险性，因而比一般监控系统具有较高的可靠性。在通讯上，由通讯口（RS232C或RS422/485）读写PLC的内部数据。将输入、输出信号读出并送到TPC150L内存，根据TPD150L参数设置，通讯程序采用的协议为：

传输速率 1200 PPS
起始位数 1bit
数据长度 8bits
偶柱校 1bit
停止位数 2bits

通讯口读写PLC的内部数据的接口程序（略）。

6、结束

采用嵌入式MCGS组态软件及其平台，作为良好的上位机人机界面，进行系统的监控和管理，PLC作为下位机执行可靠有效的控制，系统结构简洁，可靠性高，在自动化生产设备中应用越来越广泛。

牙膏封盖机是一个机电一体化的产品，其核心是控制系统。该控制系统方案基于DELTA（台达）AE系列人机界面、 SS系列PLC、ASD－A伺服系统等产品的有机组合，借助其产品的数据通讯功能能够很灵活地构造控制方案，它相对于传统的D/A模拟量控制具有可靠性更高，控制更的优点。以下重点讨论各系统如何利用通讯功能以实现其间的数据交换和如何使伺服系统的响应速度和机械的扭矩限制相配，以实现在牙膏封盖机上的牙膏封装工艺要求。

牙膏封盖机的工艺要求和机械结构

牙膏封盖机是牙膏包装生产线上的关键性设备，主要用于牙膏灌装后的封盖动作，其工艺要求如下：（1）封装速度能够配合前端灌装生产线的送料速度，实现封装速度可以调节；（2）能够对牙膏的封盖扭力进行设定，并只有在封装扭力达到设定值后才能继续封装，以保证牙膏盖的封装质量；（3）能够对来料的相关参数进行检测，并实现自动送料。牙膏封盖机的机械结构如图1所示。

图1 牙膏封盖机的机械结构示意图

控制系统的硬件配置和功能设计

通过对整个机械工艺特点和功能要求的分析，确定程序控制单元采用PLC实现，HMI人机界面作为监控单元，选择SERVO驱动单元作为速度和扭力控制单元，以满足整个机械的电气控制硬件要求，其电气系统控制硬件架构如图2所示。

1）PLC程序控制单元

程序控制单元采用DELTA SS系列小型PLC，其主要特点有：

（1）体积小巧，成本更低；
（2）14点主机设计，8点数字输入和6点晶体管输出；
（3）内建RS232和RS485双通讯端口，可以采用通讯方式读取HMI设定数据。

PLC I/O点规划如表1所示，PLC与HMI关联M辅助继电器定义如表2所示。

2）HMI监控单元

HMI监控单元的主要任务包括：

（1）模式功能的选择（运行模式M3、监控模式M2、参数模式M1）；
（2）控制功能（运行M4、停止M5）；
（3）监控功能（PLC I/O状态的读取、伺服 I/O状态的读取、加工总数等信息）；
（4）参数设定功能（封盖伺服速度设定、封盖伺服扭力设定）。

HMI监控单元采用DELTA DOP－A 5.7’系列彩色人机界面，以实现对控制系统的操作、监控和参数设置等功能，有以下主要特点：

（1）256色彩显示，5.7’ 监控界面；
（2）支持双通讯联机功能，可同时连接2种不同协议的控制器，方便架构多机联机网络；
（3）软体内建与台达PLC和伺服通讯及内部协议，可以方便编程，简化设计；
（4）可以通过多级密码设定功能来实现多用户管理；
（5）内建万年历功能。

HMI 支持双通讯联机功能，可同时连接2种不同协议的控制器。本案使用HMI的COM2与PLC进行RS485通讯，用以设定PLC 程序中的按钮等元件，并可将PLC的运行状态反馈在HMI上，此外还使用了HMI的COM1与SERVO进行RS232通讯，用以与伺服内部寄存器交换数据，架构见可图2。

该方案的优点在于无需增加任何通讯模块，其控制功能是在各控制单元硬体和软体自身通讯功能的基础上构建实现的，因此可以使成本更低、应用更方便、性能更稳定。

HMI人机界面规划如图3所示。

图3 人机界面规划示意图

表3和表4分别给出了各个要素的相关说明。

3）SERVO速度和扭力控制单元

SERVO单元的主要任务包括：
（1）对封盖时电机速度的调节；
（2）对封盖时电机输出大扭力的调节和检测。

SERVO单元采用DELTA ASD－A 系列100W伺服系统，以实现对机械封盖时速度控制和对封盖时大扭力进行限定。它有以下主要特点：除传统的位置控制、速度控制和扭矩控制外，有PR通讯模式、内部速度和内部扭矩功能；内建RS232/RS485/RS 422通讯端口，可以采用通讯方式快速获取相关数据；具有扭力限制功能，开启该功能，能够限制电机输出的大扭矩。伺服单元相关参数设定如表5所示。

这里需要说明两点。

（1）关于内部速度模式的说明

伺服速度模式主要应用于对机械速度精度要求比较高的场合。伺服单元有两种命令的输入模式，即外部模拟量输入（即S速度模式）和内部寄存器输入（即SZ 内部速度模式）。当选择SZ模式时，可以通过通讯的方式改变命令寄存器1－09（地址0109H）的内容值，并且还可通过伺服外部的DI -SPD0输入来切换命令，如表6所示，SZ模式下的时序图如图4所示。由上述可知，在内部速度模式下，只要改变伺服内部寄存器1－09的内容值, 即可改变伺服电机执行封盖的速度。

（2）关于大扭矩限制功能的说明

伺服扭矩限制功能通过伺服外部DI2 TRQLM开启后，电机的大输出扭矩设定值＝电机的额定输出扭矩×P1－12的设定％，单位NM。100W的伺服系统额定扭矩为0.318N.M，当P1－12设定为10时，电机大输出扭矩＝0.318×10％＝0.0318N.M。当伺服扭矩限制功能开启后，可由通讯方式改变命令寄存器1-12（地址010CH）的内容值, 并可通过伺服外部的DI 输入切换扭矩命令的来源。当电机输出扭矩达到设定的电机大输出扭矩后，电机会停止运转，并且以反作用力的形式保持，同时伺服单元的DO输出TQL便会由OFF变为ON，扭矩限制功能时序图如图5所示。

由上述讨论可知，只要在开启扭矩限制功能的前提下，改变伺服内部寄存器1－12的内容值，即可限制伺服电机输出扭力的大小。

（3）其他辅助单元

其他辅助单元还包含给控制回路提供电源的DC24V开关电源，DC24V微型电磁阀，以及外部紧急停止按钮等辅助电器元件。

工艺过程程序设计

牙膏封盖机控制系统并不复杂，但是对工艺过程却有严格要求。根据生产线生产设备对工艺过程各个环节对工艺的具体要求，经过分析可以绘制出整个生产过程的程序动作流程图，如图6所示。按照该动作流程图编制出各子模块的相关程序并非难事，具体程序在此从略。

结束语

在上述基于台达HMI＋PLC＋SERVO的牙膏封盖控制系统的应用案例中，文中只对基本原理作了说明。借助台达产品据通讯功能的优势，能够很灵活地构造各种控制方案，它相对于传统的D/A模拟量控制具有可靠性更高、稳定性更好、控制精度更高的优点