6ES7222-1BD22-0XA0保内产品

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随着我国微电子技术的发展，PLC技术在机械加工的各类机床的电气设备的改造和新型设备的自动控制中得到日益广泛的应用，本文将阐述家用缝纫机的机加工组合机床的PLC改造实例。

1 组合机床的运动及控制情况

浙江某缝纫机厂，拥有很多的加工缝纫机部件的组合机床，用以生产家用缝纫机。如对家用缝纫机的机壳实施机械切削加工的组合机床，其动力头分布与运动情况如图1所示。图1中动力头Ⅰ、Ⅲ分别用于针距大孔和夹线器孔的钻削加工，动力头Ⅱ用于挑线杆行线槽的铣削加工。M1，M2和M3均为三相异步电动机，分别为Ⅰ、Ⅱ和III动力头的切削主运动提供动力。为便于控制组合机床运动，在组合机床上装了许多行程开关，以的位置信号。图1中的行程开关的压动情况为：SQ51、SQ61和SQ71分别为Ⅰ、Ⅱ和III动力头在原位时压动;SQ52、SQ63和SQ72分别为Ⅰ、Ⅱ和III动力头工进到位时压动;加工时Ⅱ动力头先动作，当压合SQ62时，Ⅰ、III动力头才能离开原位。另外还有：后插销滑台降、升到位分别压动SQ11、SQ12;人工拔、插定位销分别压动SQ21、SQ22;针孔杆拔、插销分别压动SQ31、SQ32;夹具松开、夹紧分别压动SQ41、SQ42。

组合机床中的液压系统的油泵也由一台三相异步电动机M0驱动。液压系统的个功能是给三个动力头的进、后运动提供动力，液压系统三个动力头的进给、后退运动由液压系统中的三个三位五通换向电磁阀分别控制，动力头从快进转换到工进由液压行程调速阀控制，与电气控制无关。液压系统的二个功能是：用于加工件——机壳的夹紧和松开。其中机壳的装夹过程是：将机壳（工件）放于工作台上，先由液压驱动后插销滑台上升，再进行人工插销定位，接着由液压驱动针孔杆插销定位，后是液压驱动下夹具压夹紧工件。夹紧过程的动作由液压系统中的三个二位五通换向电磁阀控制，这三个换向阀带械自锁。加工好的机壳（工件）的下卸过程正好与装夹过程相反。同样，松开过程的动作也由液压系统中的另三个二位五通换向电磁阀控制。所以加上三个动力头的进、退动作，共有12个电磁阀线圈的通断电进行控制。

组合机床的单循环、循环和调整三种工作状态的选择由组合开关SA的三个位置选择;SB1、SB2为油泵电动机M0的起动、停止按钮;SB3、SB4为选择循环工作（含单循环）状态时组合机床工作的起动、停动按钮;其余按钮SB11～SB62（共15个）均为选择调整工作状态时组合机床的点动调整控制按钮。无论选择何种组合机床工作状态，油泵起动是组合机床工作的前提，油泵停止组合机床立即停止工作。选择单循环或循环工作状态时，点动调整按钮 SB11～SB62不起作用;选择调整工作状态时，组合机床工作起动、停止按钮SB3、SB4不起作用。

因此原组合机床的控制电路有一个组合开关、19个按钮、4个接触器、12个行程开关、12个电磁阀线圈、还有众多的中间继电器、时间继电器，其控制电路的接线非常复杂，电器触点易损坏。所以使用时间一长，性变差，故障率增大，维修困难，从而使生产受到很大的影响，因此迫切需要对此组合机床的电气控制电路进行技术改造，经分析决定采用PLC控制技术，以满足生产性的要求。

2 PLC控制的设计

2.1 PLC的I/O分配表

根据组合机床的电气控制、液压系统原理，设备要求的输入/输出均为开关量，分析输入、输出点数，选择了日本OMRON公司的CPM1A-40CDR型的PLC，继电器输出。其中PLC的输入点是24点，输出是16点。16个输出点对应控制4台电动机的4个接触器，12个电磁阀线圈，刚好够用。对于输入点，有SA的3个档位、油泵电动机的起动、停止按钮，循环工作的起动、停止按钮和调整用的15个按钮共22个输入点，另有行程开关输入点15个，这样有 37个输入点，因此PLC的24个输入点不够用，为此采用输入公共端切换的方法来扩充PLC的输入点数，将单循环和循环控制的输入置于一条公共线上，而将点动调整的输入置于另一条公共线上，这两条公共线的切换由组合开关SA完成。保证每种情况下的输入点不过24 点。具体的PLC的I/O点分配表如表1 所示。

1997年太钢引进的按国二十辊轧机、冷热不锈带钢退火线、光亮线等新装备，是以扩大不锈钢生产能力。冷轧煤气混合加压站，是太钢不锈带钢退火线的配套设施，有加压机3台，气源为高炉煤气、焦炉煤气。由于生产线工况不稳而造成用量大幅度频繁波动；同时由于气源管网方面的状况较差，高炉煤气压力波动范围3—10kPa，焦炉煤气压力波动范围1．5。6．5kPa；其波动有时频率很快，仅靠仪表调节产生震荡，无法通过人工调节；经常出现长时间的低压，造成混压困难，甚至造成高炉煤气蝶阀关闭、机前负压的险兆。
太钢于1999年6月采用了西门子SIMATICS7—300PLC、德国UNI公司热值仪、西门子变频技术等进行全过程自动控制改造，实现了混合煤气热值、加压机后压力双稳定的目标，确保了不锈钢的正常生产，节能效益非常可观。
1系统概要
改造后的系统构成复杂，仅调节阀就有九个，此外还要增加变频器，由计算机控制切换调节3台风机转速；增加热值仪，串级调节高焦配比。采用西门子S7—300PLC和研华IPC 610工控机构成DCS系统。S7—300PLC作为下位机来实现所有信号的采集、运算、调节，其特点是：模块化、无排风结构、易于实现分散、运行、。CP5611卡为S7—300PLC与工控机的通讯接口卡，具有RS485接口和87．5kbps的通信速率，传输距离可达50m，使用中继器可达9100m。
2控制原理
本系统含四个调节回路：
2．1热值调节
热值是用户气源的主要质量指标之一。
冷轧煤气7昆合加压站以高炉煤气为主气，它不可控制，取决于用户用量；焦炉煤气为辅气，要求控制其两道阀门，使高、焦配比约4：1。
2．1．1“高焦限幅”辅热值
本回路为一串级、交叉限幅调节系统。以热值调节为主环，焦炉煤气流量调节为副环，加入了高焦煤气流量单交叉限幅。焦炉煤气流量的设定值不单单取决于热值调节器输出信号，而且受到高炉煤气流量的瞬时值的限制，即按高、焦理论配比值求出应配焦炉煤气流量值，乘以1．05和0．95作为输出信号的上、下限幅值。
该控制思想一则使焦炉煤气流量调节器的调节量不至于过大，从而使高焦配比值在小范围内波动；二则使主环调节器不至于产生调节饱和，加快了滞后较大的主环的动态响应，改善了系统的调节品质。
对热值仪信号故障也有保护性，在实际的运行中，我们发现工人有时忘记了给热值仪过滤器排水，使煤气人口压力太低，燃烧不够，造成仪表信号显示偏低很多，即使焦炉煤气阀开到大，也不可能把热值调至“正常”，但此时热值调节器输出信号受到高炉煤气流量的交叉限幅，故在此三个信号中，终以上限值为焦炉煤气流量调节器的设定值，从而使焦炉煤气流量调节阀被约束在了一定的阀位，终使混合煤气热值波动稳定在一定范围内。
2．1．2“双阀同控”避“瓶颈”
原设计一阀自动、另一阀手动，实际上两阀都在手动方式，因而常常顾此失彼，致使南、北阀位相差太大；若采用两路单的调节器，二阀阀位加混乱，当系统工况变化较大时，其中一阀就会成为调节的“瓶颈”；若采用双调节器进行调节，二阀各自进行动作，虽能使系统在某一阀位组合状态下稳定，但有可能造成二阀阀位相差太大，同样可导致“瓶颈”的现象。
对此采用单台调节器串调双阀的控制方案，即在计算机中设置一台软调节器，其输出信号给到2台手操器，同时带动2台电动蝶阀。为防止二阀同时动作造成调，将2台手操器内的死区设置的有所差别，当调节器输出要求的阀位信号与实际阀位反馈信号出现偏差时，死区小的手操器（电动调节阀）动作，若偏差不大时，就能纠正过来；当调节量不够时，偏差增大，死区大的手操器（电动调节阀）也动作，加大调节力度，使系统回到稳定状态上。当系统出现较大偏差时，常会出现同时出二者死区范围的现象，则二阀一同动作，使偏差减小到一定范围，此时大死区的电动调节阀停止动作，剩余的小偏差靠死区小的调节阀来进一步精调到位。
2．2混压调节
混压调节在实际中既影响热值、又影响加压机后压力。所以，混压调节不好，则热值调节、加压机后压力调节都无从谈起。本回路为一串级随动调节系统，在控制回路中建立数学模型，煤气混合压力的设定值随着高、焦气源的压力波动而自动计算设定，同时又加以上下限幅，使工艺操作变得加合理。从热值的稳定方面来看，机前混压能够随高、焦煤气压力波动而适时适度地调整，保证了焦炉煤气能够按所需的量顺利配人；从加压机后压力的稳定方面来看，机前压力变化范围不至于太宽，减少了对加压机后出口压力调节的干扰。
混压调节就是控制高炉煤气的两道阀门。为了避免“瓶颈”，同样如上所述，也采用了一台软调节器控制2台电动调节阀的方式，减少对机后出口压力调节的干扰。
2．3加压机后压力（变频）调节
加压机后压力是用户气源的主要质量指标之一，本回路为一定值单回路调节系统。其设定值为3．5kPa，当加压机后出口压力升高／降低时，增大／减小变频器的输出频率。从而改变加压机的转速，以“变”求“稳”。在计算机和变频器上都设置了运行频率，从而保出口压不至于太低，也保证了自带油泵能够给出足够的油压油量，以免烧坏轴瓦。这两个频率运行下限是保证加压机设备、用户正常生产的两道防线。
2．4加压机后压力（泄放）调节
这是加压机后压力调节的另一手段。本回路为一定值单回路调节系统，其设定值为14kPa，当加压机后出口压力升高／降低时，增大／减小泄压阀的开度，以“泄”求“稳”。
2．4．1变频、泄放“双管齐下”稳压力
通常，泄放调节器的设定值变频调节器的设定值，一般情况下，变频器负责系统全部的调节，而泄放阀处于关闭的“休闲”状态。当用户突然大减量，造成出口压骤然升高，变频的调节速度不足以使出口压降下来时（即出口压过14kPa），泄放回路立即参与调节。泄放回路比例带、积分时间都设得很小，因而，动作很快，与变频“双管齐下”，可使压力降下来，保证了用户气源压力稳定，避免了以前类似情况下加压机进入喘振的可能，了设备。在调节过程中，绝不会出现既保持加压机转速较高，又使泄放开启一定高度的“稳定平衡”状态。
综上所述，本系统在控制思想和软件编制上有如下的特点：
（1）小偏差小动作、大偏差大动作，既加决了响应速度，又提高了调节精度。
（2）两阀在调节过程中，”不会造成“瓶颈”现象。阀位死区大的南阀阀位“阶段”性地跟踪死区小的北阀阀位。当偏差产生时，北阀“有错必纠”，南阀对北阀在调节中所累计的阀位变化不会坐视不管，而是“该出手时就出手”，大力度地“调一把”（当北阀阀位调到一定开度时效果就不显著了，此时取决于南阀的开度）。
（3）死机情况下、变频器仍然能保证运行。无论主机从机中任一掉电，或二者都掉电，变频器都运行在其保护下限频率上，加压机不会停机，保证了用户的正常生产。
（4）简单易“倒机”。通过软件的巧妙设计，使加压机的切换变得非常简单：将变频器输出频率下调为零、此时原运行的加压机处于停止状态，电流很小，可拉掉其开关，并马上再合上另一台备用加压机的开关，因变频器末停，3—4分钟即可调频加速到工作状态。当然二者切换期间，需关照冷轧关小烧嘴。
控制系统在WIN98环境下运行，组态软件为STEP7V5．0及Kingview5．0。系统利用组态软件Kingview5．0的驱动程序与下位S7—300PLC进行数据通讯，包括数据采集和发送数据／指令；下位S7·300PLC则通过MPI卡与上位计算机交换数据，每一个驱动程序都是一个公共对象，这种方式使通讯程序和组态软件构成一个完整的系统，保证了系统率地运行。
3系统画面
系统画面分为两大类：操作员画面、工程师画面。
操作员画面：向操作人员了各种数据、曲线、功能键，显示内容丰富鲜明、操作简捷。
工程师画面：工程师在调节中进行参数修改和设定的重要环境，也是自控系统的。
4结束语
该系统自投运以来，在生产正常的情况下，热值稳定在6．0左右，压力稳定在13．5kPa左右，满足了用户的要求，同时变频运行于30—40Hz左右，泄放阀一般处于关闭的状态，大大减少了泄放煤气量和净焦煤气量，达到了预期的生产、提高产品质量、节能降耗的目的。

新的quantum 140 cpu 671 60热备处理器设计用于要求有高性控制系统结构、不能出现系统停机的关键场合，能够实现无扰切换。这种模块有两项主要功能：plc处理器和一个专门用于冗余控制的协处理器。主/备体系结构对管理plc中数据处理和通讯提供了基于硬件的自动冗余。这种性的提高可以保证无间断的过程管理与确保控制的关键功能。主备两个plc之间的数据交换使用了cpu模板上标配的100mbps以太网端口。在每个扫描周期中对所有数据进行交换，而对系统循环时间只有程度的影响。
               
另外在软件上，本次采用在unity pro 2.3编程环境中设计开发plc应用程序，在工控组态软件ifix4.0中设计编制控制系统hmi应用程序，操作站与plc之间通过工业以太网通讯。

3  主要控制回路
               
plc完成的主要控制功能：防喘振控制、定流量/定风压控制、逻辑联锁控制、润滑油控制、动力油控制、机组轴系监测及报警等。
           
3.1 防喘振控制
               
喘振是轴流压缩机固有的特性之一。形成喘振工况的原因是由于工况过了压缩机固有的允许范围，使气体不能顺利地从压缩机内部通过，在转子、叶片和静叶的表面形成气流分离，气流在压缩机内部呈紊乱状态，并同时产生强烈的振动和大量的热能积聚。喘振工况对压缩机具有很强的危害性，如不能及时，会对机组的转子和静叶造成损害，严重时，甚至可能导致转子和静叶全部报废。
               
防喘振控制的基本原理是在机组接近喘振工况时，通过调整压缩机出口处的防喘振阀，使防喘阀打开至一定角度，以增加压缩机内部通过的流量，适当降低出口压力，使工况点远离喘振区域。
               
在风机准备投运时，由陕西鼓风机厂对风机做风机特性试验和喘振试验，根据实测出的风机入口差压(δp)与排气压力p的函数关系得出风机的特性曲线和喘振曲线

根据风机的特性曲线和喘振曲线，在计算机中设定了报警、放散、紧急放风三个函数发生器。为确保风机运行，在实际中我们将喘振线平行下移2%、7%、10%得出三条同样形状的曲线作为防喘振调节系统的紧急放风线、放散线和报警线。系统的工作原理是：进口流量和出口压力经变送器测出送至计算机，经计算后得出控制防喘阀的pv值(即：测量值)，该值分别与函数发生器计算出对应流量下的报警值、放散值、紧急放风值(即：设定值sp)进行比较，当pv值达到报警值时，系统发出报警信号，提醒操作人员注意工况变化;当pv值达到或过放散值时，防喘振调节系统起调节作用，放散阀打开，使工况点重新回到放散线以下运行；若放散阀开启仍旧不能使工况点回到放散线以下，工况继续恶化，当pv值达到紧急放风值时，计算机输出信号使电动放风阀快速开启，实行紧急放风。
           
3.2 定风量/定风压控制
               
控制原理：轴流压缩机对风量和风压的调节是通过调整压缩机静叶角度的变化来实现。静叶角度的调节回路由内环控制和外环控制形成的串级回路组成。内环部分通过pid调节控制器完成：外环部分包括静叶位置变送器、静叶伺服控制器和静叶伺服机构。
               
在内环控制部分，操作人员可选择定压力或定流量控制、手动或自动控制，对目标值进行设定，由pid调节器完成对压力或的自动调节。
               
通过调节静叶角度的变化，可按工艺状态的要求增降压缩机的出力，在工艺对风量要求不大时，压缩机组的功耗负荷也随之降低，从而达到节能的效果。
           
伺服放大器：在外环控制部分，静叶伺服控制器通过比较来自位置变送器和plc的控制信号，并输出伺服指令信号驱动静叶伺服机构，推动静叶承缸按方向动作，从而完成对风机流量、压力的控制。

3.3 逻辑联锁控制
               
压缩机运行联锁用于控制对压缩机启停和运行状态为重要的关键设备，主要控制对象包括主汽电磁阀、调速器、高压电气联锁(电拖机组)、可调静叶、防喘阀快开电磁阀、逆止阀。在机组运行过程中，各种联锁功能按一定时序相互关联，用以实现对压缩机组的联锁控制，以保证机组的。其功能主要包括：启动联锁、静叶释放、自动操作、逆流保护、联锁停机。
               
启动联锁：用于保证机组在启动前具备的外部条件和内部状态全部符合要求。外部条件主要有润滑油温度(>20℃)、润滑油压力(>150kpa)、动力油压力(>11.0mpa)、静叶位置(全关)、防喘阀位置(全开)等。内部条件是指用于机组联锁的各种内部存储器的状态在开机前全部复位。
               
自动操作：指机组在解除开锁后的工作状态。在机组启动过程中，可调静叶、防喘阀和逆止阀闭锁在位置，当达到额定转速稳定运行后，按下“自动操作”，机组解除闭锁后，向工艺加载送风，可调静叶、防喘阀都可以开始自动调节。
               
逆流保护：在防喘阀调节的作用下，在机组接近喘掁时防喘阀自动调节，可保证机组工况不致达到喘掁点。考虑到特殊情况(如防喘阀调节失灵)，机组也有进入喘掁区的危险，所以设置逆流保护。这样在运行过程中自动判别机组是否发生喘掁和逆流用于在确实发生喘掁的情况下执行联锁，以确保机组的。
               
联锁停机：当机组发生重大故障时，为避免造成重大设备事故，立即停机。联锁停机的外部条件主要是润滑油压过低(<60kpa)、动力油压过(<9mpa)低、主电机跳闸、轴位移过大(>+0.6mm或<-0.6mm)、压缩机持续逆流、手动停机。当以上任一条件满足，则启动联锁停机，联锁停机在关闭机组驱动能源的同时，将可调静叶、逆止阀、防喘阀自动诸锁在位置，同时并保持造成停机的原因，直至存储器复位。
           
3.4 油系控制
               
油系控制主要包括：润滑油系统、动力油系统以及电加热器的控制。
               
润滑油系统设置两台油泵，互为备用，其中一台为主泵，另一台为备用泵，当油压低时，备用泵自动启动，油压的不足；当油压恢复正常、主泵运行正常，备用泵停止工作。动力油系统油泵也是如此工作。
               
电加热器由plc控制，当润滑油或动力油温低时电加热器工作，当油温高时，电加热器接触器断开，停止工作。
           
4  系统关键
               
应用了modicon plc设计安钢380m3高炉自动化控制系统，具有如下一些显著特点。
           
4.1 热备处理器
               
硬件上新的quantum 140 cpu 671 60热备处理器，具有强大的处理和存储能力，并且双机热备具有性、易扩展特性。在生产过程中能够无扰切换，确保关键功能的性。

quantum热备意味着：
               
(1) 特制的cpu，热备功能不附加任何专门的硬件模块；
               
(2) 热备时编程，系统参数仅通过一个对话框加以定义；
               
(3) 清晰的操作模式，有cpu模块的微型终端、一台编程pc；
               
(4) 主备两个cpu的应用程序可以不同，但这样也不会中断冗余连接。
               
这样的热备可满足用户的生产率要求，这意味着管理系统性可以得到的，确保关键设备的运行。
           
4.2 自动化软件平台unity pro 2.3
               
软件上采用了施耐德电气新一代自动化软件平台unity pro 2.3编程软件，unity中提供了完整的功能和工具集，将应用程序结构对应到过程或设备的结构上，包括程序段、数据监视表、操作画面等等。联机修改，可以在保程序连续性的基础上将所做的修组，并在运行中一次直接传输到plc上，这样所做的修改可以在一个扫描周期中同时生效，通过减少停机时间缩减开发成本并优化运行。运行期间画面通过以图形对象的形式来表达变量状态，使得调试易于进行。unity pro在开发和兼容性方面提供无可匹敌的潜力，用户界面友好，使得开发软件容易，用户能够快速掌握易于降低培训成本。
               
另外以ifix4.0监控工具软件开发的监控系统，能够很好地满足生产工艺的要求，同时调整、移植较为方便。
           
4.3 ups供电
               
在采用了plc双机热备的基础上，为进一步提高系统的性，以上设备采用一台ups供电，在主电源故障的情况下，保证风机正常工作，允许有一个小时的处理时间不会影响高炉的正常顺行。
           
5  结束语
               
安钢380m3高炉轴流风机自控系统自2007年12月投运以来，运行状况良好，检测精度高，抗干扰能力强，特别是防喘振曲线的在线显示和控制已在风机的和经济运行方面发挥了重要作用，表现了良好的实用性、稳定性、性、性，整个系统不但具有很高的自动化水平，而且充分满足了生产工艺的要求，对高炉的重要生产环节实现了集中的实时监控，为高炉的稳产、高产提供了良好的设备保证，为安钢集团公司的增铁增效创造了良好的条件。

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