大连西门子中国授权代理商CPU供应商

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1 概述 
1.1 引言  
随着我国经济的不断发展，社会高度信息化，新的高科技技术不断应用到各个方面中，使得智能化已成为一种发展的必然趋势。智能化也往往是从设备自动化系统开始。本文主要根据个人工作经验就一台水冷螺杆机组来阐述PLC控制设计与智能化空调系统的关系。  
1.2 PLC原理及应用 
空调冷冻系统的控制有3种控制方式：早期的继电器控制系统、直接数字式控制器DDC以及PLC(可编程序控制器)控制系统。继电器控制系统由于故障率高，系统复杂，功耗高等明显的缺点已逐渐被人们所淘汰，直接数字式控制器DDC虽然在智能化方面有了很大的发展。但由于DDC其本身的抗干扰能力问题和分级分步式结构的局限性而限制了其应用范围。相反，PLC控制系统以其运行、使用与维护均很方便，抗干扰能力强，适合新型高速网络结构这些显著的优点使其逐步得到广泛的应用。 
可编程控制器是计算机家族中的一员。于上个世纪中后叶被发明后，在机床、各种流水线的输送机械、发电、化工、电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用，早期的可编程控制器被称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）, 即简称为PLC。 
PLC具有功能强大、使用、维修简便等许多优点。对于传统的继电器电路来说，它难以实现复杂逻辑功能的和数字式控制，而且要实现一定规模的逻辑控制功能不仅设计繁琐，难以实现升级，并易发故障，维修复杂，现在已被大中型设备的控制系统所抛弃。而PLC正被广泛的应用并且已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。随着科学技术不断的飞跃发展，PLC也不断得到完善和强大，同时它的功能也大大过了逻辑控制的范围，如联网通信功能和自诊断功能等。因此今天这种装置被我们称作可编程控制器，不过我们还是习惯简称这种装置为PLC。  
2 PLC的体系结构 
PLC结构图 
PLC实质上是一种被于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一致的。如图2.1.1所示： 

                    图2.1.1 PLC硬件的基本结构  
PLC主要是模块式的，包含CPU模块、I/O模块等，PLC一端接传感器，另一端接执行器，从传感器得到的数据经PLC读、运算等处理下达给执行器，执行器动作。PLC相当于继电器的作用，其好处是性高，自动化程度高、可进行网络化等。 
3 PLC控制系统主要功能与特点  
3.1 PLC控制系统功能说明 
 
在空调系统上PLC系统有如下功能：  
◆ 数据显示功能  
显示机组的运行参数，包括冷水出口温度、冷水入口温度、冷却水出口温度、冷却水入口温度、蒸汽压力、蒸汽阀门开度，以及溶液泵、冷剂泵等所有屏蔽泵的运行状态和各种故障报警的详细信息。 历史数据的存储及检索功能 对重要的数据进行在线存储，数据的存储时间长为10年。可以通过历史报表或者历史趋势曲线的方式检索历史数据。  
◆ 控制功能  
根据设定的参数，并考虑经验运行数据，PLC应用反馈数据 (如室内温度等)进行PID调节，以保证运行参数满足系统要求。控制系统有三种运行方式：就地手动、软手动和自动。就地手动就是通过就地手动操作设备对机组进行控制，软手动是通过PLC对机组进行手动控制，自动则是根据编好的控制程序自动控制相关设备的启、停及调节量。采用程序控制方式，杜绝冷剂污染，有效便捷地实现冷水、冷却水的变频控制。通过有效合理地开、停控制，达到启动速度快、停机时间短的目的，即能节省能耗，还能避免结晶，从而提高空调系统的性和经济性。  
◆ 连锁与保护功能  
各机组相关设备的启、停具有一定的连锁关系和时间顺序，该功能由PLC的连锁程序完成。同时，为保证机组的运行，对相关参数采取了一定的保护措施，如冷水、冷却水与机组的连锁控制、冷却水系统与冷却塔的连锁控制等。  
3.2 系统特点  
◆ 灵活性  
本控制系统选用可利用公司的小型一体化PLC代替传统空调主机控制系统中的单片机，较大程度地提高了系统配置及控制的灵活性，能好地满足不同用户的不同需求。同时，明显缩短了程序开发周期。  
◆ 高性  
PLC控制能够在恶劣的环境中长期、无故障运行，并且易接线、易维护、隔离性好、抗腐蚀能力强，能适应较宽的温度变化范围，平均无故障时间间隔(MTBF)大于15年。  
◆ 强大的功能  
现代的PLC的编程语言遵从易学、易懂、易用的标准。除了具备传统PLC助记符和梯形图编程功能外，还具有结构化语言和顺序功能图编程功能。PLC提供各种功能模块，包括各种通讯功能选择、通讯参数设置，以及可以具体到某年、某月、某日、某个时刻的多种定时器和长定时器等，方便了各种功能的实现，有利于缩短开发周期和节省程序容量。  
4 控制方法 
4.1 
对于冷冻水系统，其出水温度取决于蒸发器的设定值，而回水温度取决于蒸发器接收的热量，空调冷冻水出水温度与冷冻水的回水温度设计大温差为：5℃（比如：出水7℃，回水12℃），现采用在蒸发器出水管和回水管上装有检测其温度的变送器、PID温差调节器和变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水温差（如：△T=5℃）控制，即可使冷冻水泵的转速相应于热负载的变化而变化。 
 
4.2 
对于冷冻水系统，由于低温冷冻水的温度取决于冷却塔的工作情况，我们只需控制高温冷冻水（ 冷凝器出水）的温度，即可控制温差。现采用温差变送器、 PID 调节器和变频器组成闭环控制系统，冷凝器出水的温度控制在 T2 （ 如： 37℃），使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变化。 
 
5 系统的设计和应用总结 
由于整个实验室正在逐步筹划和建设的过程中，许多设计还处于探讨之中，众多功能还未付诸实施。 
现在本文就系统改造实现情况作简单介绍：本文的系统调试应分为两步，设备电气控制系统调试和网络系统调试。我们就已完成的设备电气控制系统设计、调试及使用情况作一下说明：针对实验室的要求：要求电气系统运行稳定，感温度高，维护方便寿命长，并能联网进行管理。除此之外在实际使用中由于压缩机的启动方式采用星三角方式启动，属于硬启动，这种启动方式对接触器的质量要求比较严格，特别是对接触器的灭弧处理等要求很严格。通过我的使用经验，在这些方面ABB做的很好，而且ABB的接触器在换时比较方便，它的盖可以拆卸，换时不需要拆下接触器底座，直接卸下盖换线圈即可。 
当然此系统设计达到了使用要求，它不仅具备基本逻辑控制功能，还具有联网通信功能和管理功能等。另外相对与老的控制系统，它工作稳定、故障率低，并能进行系统自动报警，操作及维护十分简便，维修综合成本（待机时间等）大大降低。 
6 结束语  
在智能化空调冷冻系统中，采用PLC控制系统是切实可行的，空调冷冻系统用PLC控制可以有效地保证其工作稳定、，便于维护，且性能价格比高。 同时以PLC为的高的监控系统实现了对空调主机的控制及两台主机之间的协调控制，具有、、经济、灵活等显著特点。

关键词：数控钻铣床；PLC；交流伺服；变频器；主轴

引言：在新开发的产品中有一个型号为Q7的长条铝基台，要在上面加工两个φ3.7×1.65的平底盲孔，由于要求精度高，批量大，故无法用传统的钻模在钻床上加工，也很难在传统铣床上面加工，即使能加工效率也很低，并且设备损耗和电力损耗也很大。此工件的加工有着非常广泛的代表性，生产的很多产品有着类似的要求，为此，我们设计制做了一台用于此类产品加工的设备——通用型数控钻铣床。

一、系统概述

系统构成如图1所示，控制部分采用PLC，并配以人机界面进行程序参数修改、设定，

以及运行状态显示监控，可编程设置人机界面的内容。三轴均为全数字交流伺服系统，各轴伺服电机通过连轴器带动滚珠丝杠，以移动配有直线导轨的工作台和主轴铣头，其定位准确，速度快。主轴铣头由变频器控制，根据及工件和进给量，来设置主轴合理的转速，并在程序中设定它的启动停止。各轴均设二端限传感器和原点传感器，冷却和润滑也都有异常检测，在报和人机界面处显示报警信息。为便于调试和检修，各项操作均设手动功能，如手动各轴快慢移动、主轴高低速旋转、切削液及润滑开关等。此机床整体虽为半闭环控制，只要选件、装配、程序编制及操作合理，精度和稳定性还是能满足使用要求的。

二、硬件配置

PLC选用永宏的FBS-40MCT，该型机具有较高的性价比，体积小，功能强，24点输入，其中有16点高速计数器，频率可达120K，16点输出，其中有4轴步进或伺服输出整合在里面，输出频率可达120K，使应用起来非常方便，接线简捷。编程软件WinProladder有梯形图之称，易学易用且功能强大，编辑、监视、除错等操作非常顺手，按键、鼠标并用及在线即时指令功能查询与操作指引，使编辑、输入效率倍增。

接点分配：取各轴伺服电机的Z相信号作原点开关，要分接在几个高速输入点上，用中断进行机床原点复归，其余限位开关、操作开关、液位检知等常规接点可按顺序依次接入。X、Y、Z三轴伺服电机连在前3轴伺服输出点，主轴高低速、冷却、报警等接在其余输出点上。

X、Y、Z3轴伺服系统均选用相同的，和利时的ES系列全数字交流伺服驱动器0040E-CBCEE-02，和60系列小惯量的伺服电机60CB040C-2DE6E。该伺服系统功能比较完善，如能耗制动、电子齿轮、自动加减速等，具备多种脉冲串输入，保护功能也比较完备，有欠压、过压、过流、过载、堵转、失速、位置差、编码器异常等。在此设备中按集电开路驱动方式连接至PLC，脉冲输入频率为200K,伺服ON、Z相信号等也做相应连接。

变频器选用富凌的DZB70B0015L2A，规格为单相1500W，400Hz，有多步速供编辑使用。由于正常使用时不频繁变速，故速度调节设定不引出，只在变频器操作面板上调节，设定两个速度，高速用于加工，低速用于对。调节相关参数与主轴匹配，如基频、基压、运行频率上限、载频等，并改动相应跳线。

主轴没有采用传统方式，而是根据加工需要，采用了雕刻机用的电主轴，安阳莱必泰的ADX80-24Z/1型，其体积小、噪音低，直径只有80mm,这样使整个主轴箱便于整体密封，可有效地防止加工中的碎屑飞溅到Z轴的丝杠和导轨上造成损害，也使主轴箱外表显得美观。它的转速为24000转/分，使正常工作转速6000-14000转有一个合适的余量范围。

人机界面选用人机电子的通用可编程文本显示器MD204L，它可以以文字或指示灯等形式监视、修改PLC内部寄存器或继电器的数值及状态。

三、软件设计

机床工作的流程图如图2所示，开机后先检测手动开关是否有效，若手动开关有效

 

即利用各手动控制开关执行手动操作的项目。若手动开关无效，则启动原点复归程序，各轴进行机床原点复归，先回Z轴再回其它两轴，当所有轴都原点复归成功后才能进行到下一步。若和工装夹具、工件程序均没有变动，可复位到加工预备状态而不进行对，若需对，则打开对开关启动对程序，3轴分别对，即找工件原点，利用手动各轴移动开关快慢移动各轴，使工件的三个面分别碰触低速旋转的，刚好碰上为止。对好后，按对OK确认，再输入补，经过程序处理，即形成工件原点也就是编程0点，编程时根据此0点按照图纸计算路径，可使操作者思路清晰，编辑运算简单。操作者编辑的是用户程序，可以编辑轨迹，就是各轴移动坐标，还有移动速度、循环加工时的循环次数等。编好程序后或使用当前程序时，即复位到预备状态：各轴移动到初始位—一个合适的位置，装卸工件方便、不易碰触时，装上工件，按启动即可开始加工，主轴运转，冷却液开，各轴按程序设定坐标移动。当加工结束时，机床复位，即各轴又移动到初始位，主轴停，冷却关，这时可卸下工件，完成加工过程。

plc冗余可以分为软件冗余和硬件冗余两种。
    硬件冗余实现方式下对硬件型号有所要求，连接方式也不同，但对软件并无特殊要求。
    总是一个为master，另一个为slave。
    slave从master拷贝所有数据备用。
    系统监测到master异常时，自动无间隙实现slave的投入。
    软件冗余投资不会太大，通过软件设计实现数据的读取、备用，监测到异常时自动切换。 
   有些场合，也有人按照冷冗余、暖冗余和热冗余来区分。

    参考SIEMENS 硬件，有两个型号支持冗余：CPU414H 和 CPU417H。
    相比之下，后者速度快、容量大；但是价格要贵很多哦！ 字串7

    SIEMENS上述PLC支持同一底板上两个PLC冗余或 不同底板上两个PLC的冗余，通过子卡配合光纤实现。 
    系统组态、调试、投入后，我试着手动“stop”正在运行的PLC-master，系统实现了无间隙切换。效果很理想。
在工业系统中，对关键的、危险的或停止（故障）后对人员或设备损伤有重大隐患的控制部分经常使用冗余控制器或冗余系统。
按照使用SIEMENS S7 - 400 的经验，使用冗余控制器的系统价格要两套立控制器的价格。
使用性能稳定、切换平稳

plc中无非就是三大量：开关量、模拟量、脉冲量。只在搞清楚三者之间的关系，你就能熟练的掌握PLC了。
1、 开关量也称逻辑量，指仅有两个取值，0或1、ON或OFF。它是常用的控制，对它进行控制是PLC的优势，也是PLC基本的应用。
关量控制的目的是，根据开关量的当前输入组合与历史的输入顺序，使PLC产生相应的开关量输出，以使系统能按一定的顺序工作。所以，有时也称其为顺序控制。
而顺序控制又分为手动、半自动或自动。而采用的控制原则有分散、集中与混合控制三种。
2、 模拟量是指一些连续变化的物理量，如电压、电流、压力、速度、流量等。
PLC是由继电控制引入微处理技术后发展而来的，可方便及地用于开关量控制。由于模拟量可转换成数字量，数字量只是多位的开关量，故经转换后的模拟量，PLC也可以的进行处理控制。
由于连续的生产过程常有模拟量，所以模拟量控制有时也称过程控制。
模拟量多是非电量，而PLC只能处理数字量、电量。所有要实现它们之间的转换要有传感器，把模拟量转换成数电量。如果这一电量不是标准的，还要经过变送器，把非标准的电量变成标准的电信号，如4—20mA、1—5V、0—10V等等。(//www./ 版权所有）
同时还要有模拟量输入单元（A/D），把这些标准的电信号变换成数字信号；模拟量输出单元（D/A），以把PLC处理后的数字量变换成模拟量——标准的电信号。
所以标准电信号、数字量之间的转换就要用到各种运算。这就需要搞清楚模拟量单元的分辨率以及标准的电信号。例如：
PLC模拟单元的分辨率是1/32767，对应的标准电量是0—10V，所要检测的是温度值0—100℃。那么0—32767对应0—100℃的温度值。然后计算出1℃所对应的数字量是327.67。如果想把温度值到0.1℃，把327.67/10即可。
模拟量控制包括：反馈控制、前馈控制、比例控制、模糊控制等。这些都是PLC内部数字量的计算过程。

3、 脉冲量是其取值总是不断的在0（低电平）和1（高电平）之间交替变化的数字量。每秒钟脉冲交替变化的次数称为频率。
    PLC脉冲量的控制目的主要是位置控制、运动控制、轨迹控制等。例如：脉冲数在角度控制中的应用。步进电机驱动器的细分是每圈10000，要求步进电机旋转90度。那么所要动作的脉冲数值=10000/（360/90）=2500。

plc加密的方式：  
 通过编程软件将密码（明文）同程序文件一起写入PLC中。在用编程软件连接PLC时，提示输入密码，然后PLC返回实际密码，在编程软件内部实现密码的比较。此种加密方法在写入PLC中的密码没用经过任何加密计算。比较容易破解！                                                                                                                
 通过编程软件将密码同程序文件一起写入PLC中。写入PLC的密码（密文）在编程软件内部经过一定的加密计算（大都是简单的加密算法）。在用编程软件连接PLC时，提示输入密码，然后PLC返回密文密码，在编程软件内部实现密文的比较。此种加密方法，破解有一定的难度！需要跟踪分析编程程序，找出加密算法。  
通过编程软件将密码明文同程序文件一起写入PLC中，由PLC对密码明文进行加密计算出密文存储在PLC内部。在用编程软件连接PLC时，提示输入密码，PLC不用返回密文，在PLC内部实现密文的比较。这种加密方式也不易实现，需要PLC硬件及PLC操作系统支持。此种加密方式难破解。  
   PLC的解密方式：  
直接监视通讯口，找出明文密码。  
监视通讯口、跟踪编程软件，找出密码明文与密文的关系（算法）。  
目前没有十分有效的方法。  
各种破解需要一定的技巧及经验、相关软件，真正的高手不屑于此。写此篇文章的目的不是要教大家如何破解，只是看不惯某些收费PLC密码的人，提醒PLC厂家提高密码的保密强度。

以下介绍plc的故障多发点： 
1、类故障点(也是故障多的地点)在继电器、接触器。 
如生产线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。所以减少此类故障应尽量选用继电器，改善元器件使用环境，减少换的频率，以减少其对系统运行的影响。 
2、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、三类故障点可能发生在开关、限位置、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。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、四类故障点可能发生在PLC系统中的子设备。 
这类设备如接线盒、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、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。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、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。 
尽管PLC是专门在现场使用的控制装置，在设计制造时已采取了很多措施，使它对工业环境比较适应，但是为了确保整个系统稳定，还是应当尽量使PLC有良好的工作环境条件， 并采取必要的抗干扰措施。 

plc与dcs发展到今天，事实上都在向彼此靠拢，严格的说，现在的PLC与DCS已经不能一切开，很多时候之间的概念已经模糊了。现在，我们来讨论一下彼此的相同（似）之处。
1、从功能来说。
     PLC已经具备了模拟量的控制功能，有的PLC系统模拟量处理能力甚至还相当强大，比如西门子的S7 400、AB 的Control Logix 和施耐德的Quantum 系统。而DCS也具备相当强劲的逻辑处理能力，比如我们在AC800F上实现了一切我们可能使用的工艺联锁和设备的联动启停。
2、从系统结构来说。
        PLC与DCS的基本结构是一样的。PLC发展到今天，已经移植到计算机系统控制上了，传统的编程器早就被淘汰。小型应用的PLC一般使用触摸屏，大规模应用的PLC使用计算机系统。和DCS一样，控制器与IO站使用现场总线（一般都是基于RS485或RS232异步串口通讯协议的总线方式），控制器与计算机之间如果没有扩展的要求，也就是说只使用一台计算机的情况下，也会使用这个总线通讯。但如果有不止一台的计算机使用，系统结构就会和DCS一样，上位机平台使用以太网结构。这是PLC大型化后和DCS概念模糊的原因之一。
3、PLC和DCS的发展方向
      小型化的PLC将向化的使用角度发展，比如功能加有针对性、对应用的环境有针对性等等。大型的PLC与DCS的界线逐步淡化，直至融和。
      DCS将向FCS的方向继续发展。FCS的除了控制系统加分散化以外，特别重要的是仪表。FCS在国外的应用已经发展到仪表级。控制系统需要处理的只是信号和提供人机界面以及逻辑控制，整个模拟量的控制分散到现场仪表，仪表与控制系统之间传统电缆连接，使用现场总线连接整个仪表系统。
总之， PLC系统与DCS（集散控制系统）的差别越来越小了，用PLC同样可以构成一个过程控制系统。

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