西门子6ES7231-7PC22-0XA0选型说明

PLC；矿用阻车器本体；**、二设定值；“抱轨”;“松轨”  
矿用阻车器的自动装置，它采用了旋转编码器作为测距传感器，PLC作为控制核心，绞车房信号控制采用了日本三菱公司的FX2N-80MR先进技术。另外，阻车器本体采用了液压马达、三位四通电磁换向阀等液压元件来实现阻车器“松轨”（或“抱轨”）的机能工作。 
1 阻车器自动装置的工作原理 
在绞车启动时，绞车房主控PLC（可编程逻辑控制器）对编码器发生脉冲进行计数，PLC根据计数的转换为绞车的旋转角度和旋转方向，从而判断出矿车现在的位置和运行方向。 
当出矿车的位置在某一轨道阻车器预定“松轨”点时，主控发出松开轨道指令同时送给该阻车器自动装置的液压马达和电磁换向阀的（Y1）电磁铁，从而被其控制的阻车器本体开始实现松开轨道动作；当检测矿车的位置运行到该道阻车器设定的“抱轨”点时，主控PLC发出抱紧轨道指令送给该装置的液压马达和电磁换向阀（Y2）电磁铁，从而被其控制的阻车器本体实现抱紧轨道动作。(分别见图1、图2所示) 

2 工作过程 
矿车下行时，本装置待命，PLC主控接通电源，绞车启动，当矿车运行到PLC内部计数器**设定值时，发出“松轨”信号，阻车器装置液压马达开始启动，同时电磁换向器电磁铁（Y2）得电，于是电磁换向阀向左移动。此时，油液由液压缸右腔流入，左腔流出。那么，活塞杆驱动阻车器本体就实现“松轨”动作，从而使阻车器本体处于松开轨道状态，矿车放行；当矿车运行到达*二设定值时，发出抱轨信号，液压马达开始启动，同时电磁换向器电磁铁（Y1）得电，（Y2）断电，于是换向阀向右移动。此时，油液由液压缸左腔流入，右腔流出。那么，活塞杆驱动阻车器本体就实现“抱轨”动作，使阻车器本体处于抱紧轨道状态。 
矿车上行时，与下行时恰恰相反。 
当矿车运行速度大于或等于115%时(或出现飞车、溜车事故时)，限速继电器瞬时动作。相应地，安全回路中一组限速继电器常闭触点（GSJ2、GSJ1）就会断开，从而切断绞车安全回路，迫使绞车安全制动停车。

3 应用中必须考虑的几个问题 
1）绞车传感器、旋转编码器(ASS)安装问题： 
编码器：为了检测矿车运行现在距离，故编码器安装在绞车轮上。另外，要求编码器轴安装与传动轴误差不大于0.2mm。 
传感器：为检测绞车开动后，旋转编码器是否能够正常投入工作，故需安装绞车传感器。传感器的磁钢也需安装在绞车轮上，传感器面与其磁钢平行距离不大于5mm。(见图3所示) 

2）液压缸问题： 
液压缸利用活塞杆来实现推动阻车器，使阻车器达到抱轨（或松轨）位置的有效行程（依实际工作情况可定出具体数据）。然后对液压缸正确选型，从而能够实现所需的机能动作。 
3）联接问题： 
阻车器与液压缸的活塞杆的联接方式。（是传递动力能量的关键处，需采用刚性联接或储能联接装置两种形式） 
4)定性保护问题： 
为保证使阻车器本体能够可靠地达到预定（抱紧、松开轨道）位置，需考虑在阻车器本体上安置两组限位继电器。另外，考虑到液压系统中油压、油温和油速能够有效的得以控制与保护以及能够实现其功能，液压系统需加安全阀、溢流阀和节流阀等保护元件。 
5）需要注意的问题： 
检修绞车设备时，阻车器本体必须置于闭合状态。即：“抱轨”状态。 
总之，矿用阻车器自动装置是基于PLC在绞车电控领域中的推广与应用，它结合绞车提升低频电控系统基本实现了自动化控制的目的。使它又一次体现于提升外围设备群中的一种技术改革道路上的创新型的延伸与拓展形态。显而易见，与原先传统的矿用阻车器装置（手动操纵式阻车器）相比，矿用阻车器自动装置的功能更齐全、性能更稳定、性更高。 

可编程控制器(PLC)是一种新型的通用自动控制装置，具有功能强、使用灵活、可靠性高、环境适应性好、编程简单等优点，但其缺点是：工作速度较计算机慢，输出对输入的响应有滞后现象；使用中、高档PLC，要求使用者具有相当的计算机知识。因此，在设计PLC控制系统时，分析和研究PLC输入／输出响应的滞后原因非常重要。 
关键词：PLC；输入／输出响应；滞后；梯形图 
1 PLC中输出滞后输入现象导致的结果 
在继电器控制线路中，个个并联电路是同时加电压，并行工作的，由于实际元件动作的机械惯性，可能会发生触点竞争现象。在梯形图中，各个编程元件的动作顺序是按扫描顺序依次执行的，或者说是按串行的方式工作的，在执行梯形图程序时，是自上而下，从左到右，串行扫描，不会发生触点竞争现象。 
表面上看起来完全一样的继电器控制线路图与梯形图，它们产生的效果可能不完全一样，甚至某些作用完全相反。完全一样的继电器控制线路图与梯形图，控制目的都是为了实现“当X0动作后X1动作，使Y2自保持,使Y0复位”的功能。

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当X0动作后，Y0得电并自保持，且为Y2接通、自保持创造了条件。接着X1动作，使Y1得电，Y1的动断点先切断Y0，结果使Y0 复位的目的实现了，但使Y2总不能得电。在图（b）中，当X0动作后，Y0“得电”并自保持，在X1动作后， Y1“得电”。所以，在当前扫描周期内，当程序扫描到下面的Y0 、Y1动合触点时，因其线圈此时均已“得电”，它们均处于接通状态。这样，Y2能“得电”且自保持。待到下个扫描周期时，Y0 被复位，达到了控制目的。

   
当X0,X1相继动作后，由于Y3,Y4的动作惯性，使Y0在Y2得电且自保持后被复位，达到了控制目的。在X1未动作时，Y1,Y3,Y4均“得电”.在X0动作后，Y0“得电”自保持，待扫描到Y2，Y2不能“得电”。即使X0动作后X1马上动作，顺序扫描又会使Y0复位。结果，Y2仍不能得电。

2 分析输出响应对输入响应的滞后现象的原因 
2.1 PLC程序执行过程 
PLC对用户程序的执行过程是以微处理器的周期性顺序循环扫描的工作方式进行的。PLC投入运行后，便进入程序执行过程，它分为三个阶段进行，即输入采样、程序执行、输出刷新。PLC开始运行时，首先输入输出状态寄存器原来的内容，然后进行自诊断，自检CPU及I/O组件，确认工作正常后开始循环扫描。PLC的每一个扫描过程可用图1表示。

(1)输入映像寄存器中的数据，是在输入采样阶段扫描到的输入信号的状态集中写进去的，在本扫描周期中，它不随外部输入信号的变化而变化。 
(2)输出映像寄存器（它包含在元件寄存器中）的状态，是由用户程序中输出指令的执行来决定。 
(3)输出寄存器中的数据是在输出刷新阶段，从输出映像寄存器中集中写进去的。 
(4)输出端子的输出状态，是由输出锁存器中的数据决定的。 
(5)执行用户程序时所需的输入、输出状态，是从输入映像寄存器和输出映像寄存器中读出的。 
2.2 PLC输入／输出响应的滞后现象 
在设计PLC控制系统中，较显着的不足之处是输入／输出有响应滞后现象。从PLC的输入端有一个输入信号发生变化到PLC的输出端对该输入变化做出反应，需要一段时间，这段时间称为响应时间或滞后时间。 
（1）执行程序按工作周期进行，每一工作周期又分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。PLC梯形图及其程序执行过程中各映像寄存器及输出端状态表(表1)，现分析 
根据执行程序的三个阶段，可将X0映像寄存器，Y2、Y0、Y1映像寄存器及其输出端的状态填入表1中。现分析

在**周期中，因为在输入采样阶段，X0为OFF，则输入映像寄存器中的X0为OFF状态，所以Y2、Y0以及Y1线圈均为OFF状态。 
在*二周期中，PLC扫描对梯形图是自上而下，从左到右进行的。当扫描到Y0-1接点时，由于Y0在上一周期中为OFF状态，则Y0-1接点仍为OFF，因而Y2也仍为OFF。当扫描到X0接点支路时，在输入映像寄存器中的X0已为ON状态，因而Y0线圈为ON状态。这时Y0-2接点为ON状态，当扫描到该支路时，Y1线圈为ON状态，但它对X0来说，已滞后了一个工作周期。在此周期中，由于Y0线圈为ON状态，则Y0-1接点在输出刷新阶段也应为ON状态。 
在*三周期中，扫描仍是自上而下，从左到右进行的。由于Y0-1接点在元素映像寄存器中的状态已为ON，因此，在程序执行阶段，当扫描进行到该支路时，Y2为ON状态，但这时它对X0而言，已滞后了两个工作周期。 
由上述分析可知，Y0线圈和Y1线圈的接通，要滞后X0接点接通一个工作周期。Y2线圈的接通，要滞后X0接点接通两个工作周期。 
（2）产生输入／输出响应滞后的其它原因。 
除此之外，还有输入滤波器电路的滞后作用、输出继电器的机械滞后作用等影响时间的快慢。 
3 结论 
（1）PLC 采用循环扫描的工作方式，在执行程序时，即使是和继电器控制线路图相一致的梯形图也有可能导致执行结果不同。 
（2）在扫描周期中由于输入信号只在输入阶段读入，在程序执行阶段，即使输入信号发生变化，输入状态表的内容也不会改变，所以在本次循环不能得到响应，这就是PLC的输入／输出响应的滞后现象。较大滞后时间为2～3个周期，具体与编程方法有关。但这种滞后响应，在一般工业控制系统是完全允许的。某些需要输入输出快速的场合，可以采用快速响应模块、高速计数模块以及中断处理等措施来尽量减少滞后时间。 

主要对高精度PCB数控机床的电气控制系统进行介绍,提出了电气控制系统总体方案以及设计框架。并详细介绍了高精度PCB数控机床的电气控制系统的硬件设计和各功能模块。系统采用SIMOTION D、变频器、电机、光栅尺构成全闭环控制系统。同时为了提高生产率而采用工件自动夹紧、机械手自动换、断检测等多种功能,实现机床监控的自动化。 
关键词:数控机床;电气控制;可编程逻辑控制器;抗干扰 
PCB数控钻床是用于对PCB板进行加工的一种机床,其本质是通过对孔进行平面定位来控制微孔加工钻床。一般运动执行方式有两种:一种是采用伺服电机或者步进电机和滚珠丝杠作为运动执行部件,*二种是通过直线电机直接带动工作台运动。新的电气控制系统设计采用模块化的设计技术,从机床的机械部分、控制系统的硬件和软件方面进行全新的设计。可以实现高精度的闭环控制,高可靠的状态控制,率的加工方式以及友好的人机界面。 
1电气控制总体设计 
1.1机械设计 
总体布局采用X、Y轴分立式结构,装配简单,两方向运动质量基本相同。X、Y轴的电机带动滚珠丝杠旋转,通过螺母副带动工作台在X、Y方向上移动。Z轴结构对于高速钻孔较其重要,设计和制造严格保驱动电机主轴和钻孔主轴共线。采用上端固定下端悬臂丝杠结构,采用弹性联轴器。滚珠丝杠和导轨采用国际。机床底座,横梁,工作台采用全花岗石,保证高精度稳定性和温度稳定性。 
1.2电气控制原理 
机床基本工作原理如下图1所示: 
 
这个系统的工作原理是,机读取文件信息,把数据传递给SIMOTION D,再根据这些收到的数据控制电机模块驱动电机带动工作台进行位置控制,光栅尺实时检测工作台的位置信息并传递给SIMOTION D,实现对工作台进行位置调整满足对位置的精度要求。由于光栅尺信号不能直接识别,所以通过传感器模块转换为标准的信号传递给SIMOTION D。被接收到主轴的转速信息通过模拟量模块输出一个相应的电压控制变频器驱动主轴转动。工作台的工作状态可以通过多个传感器如接近开关、断检测传感器、深度检测传感器等检测到并传入系统。这些传感器的信号先送到扩展模块中,再送入SIMOTION D中,运用强大的工艺处理、逻辑处理能力,对这些信号进行处理,从而完成整个的加工任务。 
2PCB数控机床电气控制 
为了实现较高的控制精度,采用变频器、电机、光栅尺构成全闭环控制系统。同时为了提高生产率,数控机床具有工件自动夹紧、机械手自动换、断检测、通信检测自动建立通信连接以及位检测等多种功能,实现机床监控的自动化。 
2.1硬件结构 
数控机床是由上位机软件、下位机软件、硬件电路和机械部分组成。硬件电路负责机床的驱动、各部分之间信息的传递以及系统的保护等。 
(1)机械手换。 
机械手为气动型有两个自由度,向上伸出机械臂和加紧。分别通过对电磁阀的开关控制实现对机械手气缸进气控制使机械手可以自由的伸出、收回、加紧和松开。为了被正确的放回库,机械手的伸出长度可以由SIMOTION D控制,实现方式为机械手的运动活塞带有磁性,在气缸外壁安装磁性感应开关,当机械手运动到某一位置时感应开关接通,SIMOTION D收到信号后立即关闭机械手的进气路达到机械手限位目的。

(2)断检测。 
短检测采用光纤传感器,为OC门形式,三根接入线可以直接接24V电源,信号线可以通过电阻介入24V构成电平输出。传感器的一根光纤输出一束红外线,另一根光纤接受这束红外线,这样可以通过是否被遮挡判断道具是否失效。其原理图如图2所示。 
 
2.2系统功能模块 
软件的设计是整个系统的组成部分,是硬件按照要求工作的指挥者。下位机软件是运行在序,负责从上位机接收数据并控制执行部件工作和检测机床状态的任务。已经组态好轴以后就可以通过程序对轴进行操作。SIMOTION D内部程序是由操作系统调用的,SCOUT为我们提供了大量的功能块方便调用。 
(1)轴使能功能块。 
此功能块主要是对即将启动的轴进行初始化。在启动一根轴之前必须先对此轴进行使能。步骤为在中选择要使能的轴,选择使能方式。 
(2)轴的位置控制功能块。 
轴的位置控制功能块是驱动一根轴运动到*的位置。 
(3)轴的回零功能块。 
对于非**值编码器,每次系统上电轴必须回零以确定轴的当前位置。 
(4)关闭轴功能块。 
在轴不再启动时可以关闭轴。在关闭轴后如果在操作轴运动是非法的会造成停机。 
2.3调试结论 
本系统具有6根轴,使用了接近开关、深度检测传感器、机械手、压力传感器和变频器等多种输入输出器件,各器件之间的相互融合性对系统的性能具有决定性作用。所以本系统的调试工作较为重要。经过空载调试、主轴调试、传感器工作参数调试、自动换和上位机控制调试,可以知道,高精度PCB数控机床的电气控制系统是成功的,具有高的可靠性和抗干扰能力,具备较高的动态特性与快速反应能力。其中电机调试中的低速鸣叫与其载波频率相关,而一般鸣叫则与其电流增益相关,严重的振动则是伺服增益参数需要较大调整,也就还需要进一步努力。 

随着计算机技术、微电子技术以及数字化通信技术的飞快发展，可编程序控制器（PLC）产品结合类计算机产业中较先进的技术手段以及电气自动化控制的重要理论，在其性能指标及功能上进一步完善并丰富，打破了传统的PLC概念，在电气控制领域的发展范围越来越大。  
论文关键词：可编程序控制器（PLC）； 电气控制； 应用  
可编程序控制器（PLC）主要以计算机的微处理器为基础，综合计算机的应用技术、通讯技术以及自动控制技术而发展起来的一种通用控制器。虽然PLC由较为复杂的微处理器组成，但是在实际应用过程中，完全不必了解微处理器的内部结构。较初，PLC还仅是作为继电器接触器控制系统的替代品，而自从进入电气控制系统领域后，凸显了其*有的优越性，以其自身强大的抗干扰能力、自诊断功能等，提高了电气控制系统的可靠性，基本解决了普通继电器及接触器中常见的故障问题，经过调试后可长期地运行。本文将对PLC的特点、基本工作过程、在电气控制中的应用等问题进行分析与阐述。  
1 可编程序控制器（PLC）的特点  
1.1 体积小、重量轻  
**小型的PLC底部尺寸＜100mm，重量＜150g，其功耗仅为数瓦。由于其体积小，很容易装入机械中，便于机电一体化的实现。  
1.2 实用性普遍  
PLC可适用于各种规模的电气控制场合，除了基本的逻辑处理功能之外，当前大多PLC具有数据运算能力，并可应用于数字控制领域中。近年来，PLC的功能日益完善，PLC的应用已经普遍到温度控制、位置控制及CNC等多个控制领域。  
1.3 抗干扰能力强  
由于PLC采用了现代化的大规模集成电路技术，在内部电路、生产工艺等方面均采取先进的抗干扰处理技术，具有较高的可靠性。另外，PLC还自备硬件故障自动功能，一旦出现故障即可发出警报。在软件应用中，应用者还可编入外围器件的自诊断故障程序，让系统中出了PLC之外的电路与设备也能获得自我保护功能。  
1.4 应用简单、普遍  
PLC作为直接面向企业的工控设备，具有接口容易、编程语言易于被工程技术人员接受并理解等特点，尤其图形符号及梯形图语言、表达方式等与继电器电路图基本类似，只需通过PLC的少量开关量逻辑控制指令就能熟练实现在电气控制中的应用。  
1.5 维护与改造方便  
PLC通过存储逻辑替代了接线逻辑，减少了控制设备外在的接线，较大减少了控制系统设计和建造的时间，为后期维护提供了方便，同时程序较易改变，可较快应用于生产过程的改变。  
2 可编程序控制（PLC）的基本工作过程  
PLC及相关外围设备的设计原则应满足“与工业控制系统为一个整体、方便功能扩展”，所有的电气控制系统的实现都是根据工艺要求，较终提高生产效率及产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应满足被控对象的基本要求，并对实际工作现场进行研究、收料，并实现设计人员与操作人员的密切配合，共同拟定可操作方案，对可能潜在的问题进行共同分析、共同解决。并在满足各方控制要求的前提下，考虑控制系统的简单性与经济性，方便后期的使用及维修，并确保电气控制的安全性、稳定性。PLC在电气控制中的基本工作过程为：  
（1）现场信息的输入：在系统软件的控制下，按照顺序对输入点进行扫描，并读取输入点的状态。  
（2）程序的执行：对用户程序中的指令按顺序扫描，并根据输入的状态及指令进行逻辑性运算。  
（3）控制信号的输出：根据以上逻辑运算的，输出状态寄存器向各个输出点同时发出相应的信号，以实现所需的逻辑控制功能。  
以上过程完成后，再重新开始，并反复执行，每执行一次即完成一个扫描周期。 在实际应用时，很多机械设备的工作流程可分为一系列不断重复的顺序动作，而PLC的工作程序恰与其相似，因此PLC程序能很好地与机器动作相对应，且程序的编制简单、直观，易于修改，减少了开发软件的费用，并缩短软件开发周期。 

3 可编程序控制器（PLC）在电气控制中的应用  
3.1 开关量逻辑的控制  
这是PLC控制技术中较基本、较广泛的应用领域。替代了传统的继电器电路，并同时实现顺序控制及逻辑控制，既适用于单台设备的控制，也可以应用于自动化流水线中，如生产线、组合机床、磨床、镗床和龙门刨床等。  
3.2 控制模拟量  
在实际工业生产过程中，会出现很多连续变化的物理量，如温度、速度、流量、液位、压力等模拟量。这些模拟量可通过数字量之间D/A转换和A/D转换得以实现，确保编程器对模拟量实现处理。  
3.3 集中式控制系统  
集中式控制系统主要采用一台功能较强大的PLC监视系统、对多个设备进行控制，已形成“*集中式”的计算机控制体系。在该项系统中，每个设备之间的连锁、联络关系以及运行顺序等都由*PLC来统一完成。可见，集中式控制系统比单机控制系统的，更经济实惠。但如果其中一个控制对象的程序需要做出改变，就要停止*PLC的控制，同时其他控制对象也随之停止运行。  
3.4 分散控制系统  
在分散控制系统中，每一个控制对象都需要设置一台PLC，每台PLC之间能通过信号的传递而产生内部响应、发令或连锁等，或者可由上位机通过数据通信总线完成通信任务。分散控制系统中采取多台机械生产线控制的方式，每条生产线之间都有数据相连接，由于每个控制对象都是由自身的PLC来控制，所以如果某台PLC运行停止，对其他PLC不会产生影响。随着技术的不断进步，目前可由PLC承担底层的控制任务，通过网络连接，将PLC和过程控制二者结合。  
3.5 运动控制  
PLC能够对圆周运动或者直线运动进行控制。在控制机构的配置中，过去进行的为直接应用于传感器及执行机构中，而现在则可以采取**的运动控制模块。例如多轴位置的控制模块、伺服电机其单轴、可驱动步进电机等，PLC可广泛应用于机器人、机械、电梯、机床等多种场合。  
3.6 数据处理的应用  
PLC在数据处理过程中，具备数据传送、数据转换、数学运算、查表、排序及操作等功能，并完成对数据的采集、分析与处理。这些数据可以与存储于存储器中的数据同时具备参考价值，并完成控制操作。另外，这些数据也可以通过通信功能的实现而传输到智能装置中，或者打印成表。目前数据处理多应用于大型控制系统中，如过程控制系统、柔制造系统等。  
由上可见，在*范围内，可编程序控制器以其高性能价格取胜，并凭借其适应性强、可靠性高、使用方便等**特点在自动化控制领域广泛应用。再加上PLC制造成本的不断下降、功能的不断加强，已成为工业企业的可以选择设备。