西门子6ES7331-7PF11-0AB0详细说明
系统故障分析
2.1 短路接地故障
二氧化碳压缩机联锁系统采用继电器联锁系统，220vac供电，来自现场的开关量信号有60多个，来自现场控制室控制盘的有20多个，联锁系统只设计一个空气开关供电。由于建厂期间安装施工不规范，现场穿线管内的电缆在拉电缆时有的已破损，这就出现了穿线管内破损电缆处在震动状态瞬间接地打火现象。有的接线盒内使用了无绝缘把的线鼻子，电线与接头处无绝缘，用黑胶布简单包扎就安装上去，有的黑胶布的地方接触到外壳，随着时间增加，黑胶布绝缘下降，出现对地瞬间打火现象。上述两种打火情况出现后，都会引起空气开关跳闸联锁逻辑系统失电，机组停车。
2.2 现场干扰信号
现场接线盒密封不严进入蒸汽，至使接线端子绝缘下降，出现联锁系统继电器线圈电压有时是100多伏，莫明其妙的吸合。有时该释放时不释放，造成逻辑出现混乱而停车。
2.3 继电器触头松开
继电器由于质量问题，使用时间不长就出现了通电继电器常开触头不能闭合和时断时接的情况，出现莫明其妙的跳车。有时是报警触头松开出现报警，而跳车触头没有松开面没有跳车，故障千奇百怪。
3 技改解决方案
3.1 短路接地故障查找及解决
我们所碰到的短路接地故障99%是瞬间打火，主开关跳闸现象。打火结束后故障消失，用500v电阻表也测不着短路点。面对上百个来自现场的信号，只能一个点一个点排查，用了近2天时间，发现穿线管内有一处电缆破了，在振动状态下碰壁打火短路接地。由于穿线管内电缆有余量，剪掉电缆破损一节重新接好，故障消失。
对于接线盒内数十处使用了没带绝缘把的接线片，采用黑胶布包扎绝缘，绝缘降低短路接地瞬间打火，故障时有时无，外观观察不出任何痕迹，只有把接线片取下来才能发现下面有打火时烧焦的痕迹。这种故障查找费了好大的事，经过三番五次查找才得以确定。更换了带绝缘把的接线片，故障消失。
对于一处接线使用了多股软线，没用接线片压接，而是在接线柱上缠绕了3圈也没有压接垫片就进行了紧固，结果在振动状态下逐渐松开，较长的多股软线碰壁打火短路接地造成主开关跳闸停车。把多股软线重新用线鼻子压接接好后，故障消除。
为了尽快锁定短路点，我们对来自现场的80多组信号都加装了带保险的接线端子，经试验，只要有短路点，相应保险端子立即熔断，很快就锁定短路点，查找故障极其方便，缩短了停车查找故障时间。
3.2 现场干扰信号故障解决
面对莫名其妙的继电器吸合或断开，造成的停车百思不得其解，终在打开现场全部接线盒时发现多数接线盒内由于进了蒸汽，接线端子发生锈蚀，绝缘下降，从而引发干扰信号既接线端子间的串电现象，造成联锁系统误动作停车。根据上述原因，重新更换了所有接线盒内接线端子及重新更换线盒密封圈，故障彻底消除。
继电器触头松开故障查找。初几次的跳车后，查dcs所有记录，只有终跳车结果信号，没有故障信号。经分析，我公司的二氧化碳压缩机继电器联锁系统报警记录是dcs开关量卡i/o点接到一组继电器的剩余触头上完成的。dcs开关量i/o来记录继电器触头的开关状态，其它触头用于联锁连接(一个继电器共有4组触头)。dcs报警记录只能做到1秒间隔，而继电器联锁系统跳车，在十几毫秒之内就已完成，dcs打印出来的信号只是在同一时刻内，先后分不清楚。再加上初期继电器触头松开使处于临界状态，快速时通时断，跳车结束后故障又消失，这就对查找故障及判断故障来极大困难。
后来几次出现了跳车报警，但实际没有跳车，故障原因锁定在继电器部分触头松开是主要原因，判断为继电器质量原因。
后一次停车，发现继电器常开触头带电时已彻底松开，故障为继电器质量原因终确定。
全部更换了日本原装继电器后，故障排除。在继电器联锁跳车信号终输出继电器前加一延时继电器，延时1-2秒，这时dcs报警打印可以打印出故障，但由于对机组会造成的危害尚不清楚，后取消了延时。
3.3 plc事故顺序信号系统
技改项目增加一套plc事故顺序信号系统(soe)。soe系统plc采用三菱q06hplc代替dcs专门做开关量变化时刻记录用，利用q06h实现高速soe功能。新的系统将继电器开关量信号改接到plc开关量输入卡，如附图所示。dcs所需的开关量信号通过rs485通讯口实现。
附图 plc事故顺序信号系统
通过梯形图软件编程，报警记录周期小于1/4毫秒，比目前市场的soe(事故顺序记录)仪表快出4倍多，每次停车都可以清楚地打印出故障，这种办法可以很好解决继电器联锁机组控制系统快速停车而报警记录打印慢的问题。
plc具有抗干扰能力强使用寿命长运行速度块的特点。用它来做soe可以达<0.25ms/256点，完全满足各类高速soe的需要。配接dcs可以实现与plc的通讯，方便实现记录存储打印功能。采用plc一个扫描周期为时间的基本单位(分辨率)，并且一个扫描周期向一秒计数器(如d227数据寄存器)计数一次，秒计数器(d227)一秒末清零一次。当有联锁点(i/o)状态发生变化时，将系统时钟月、日、时、分、秒及秒计数器(d227)当前值计入plc的一组数据寄存器保存。根据二氧化碳压缩机控制系统联锁点在故障停车后，不是马上恢复，而是在确认复位或开车后恢复的特点，设计每一联锁点只有两条时间记录，即断开一条闭合一条，是固定寄存器记录方式，固定记录方式与传统soe栈式记录方式不同，无用信息不会将记录缓冲区顶满。当然开车前或后一定要打印本次故障停车事件顺序记录，否则停车后，上次故障停车事件顺序记录将被冲掉。为了**系统抗干扰能力，plc(i/o)各点都加20毫秒软延时。q06hplc通讯模块采用qj71c24 rs485串行通讯模块，与dcs通讯时不占plc cpu时间，而plccpu与qj71c24交换数据采用并行方式，速度极快，不影响plccpu扫描周期，从而plc可以实现分辨率小于1/4毫秒高速采集记录。
PLC(可编程序控制器)以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、控制程序可变、体积小、功能强等特点，得到了广泛应用。
我国20世纪90年代以前生产的机床、轧机、喷涂生产线等机电设备，普遍采用继电器控制，由于继电器的自身特点，对电气元件故障的识别能力较弱。为了**控制系统的可靠性和机床的加工效率，采用PLC对控制系统进行改造，取得了一定效果。但在采用PLC对原有继电器控制的机电设备进行改造的过程中，除了考虑完成系统工作所需要的控制功能以外，还非常有必要考虑机床电气元件本身故障的自动识别和处理。
一、机床电气系统进行PLC改造的基本方法
利用PLC改造机床电气系统，可大大简化电气线路。它的设计方法是，将各个电气元件直接与PLC的各个输入、输出端口相连，元件之间的连接关系，以及各线圈的状态由逻辑程序确定，元件之间不存在直接的串联或并联，线路简单，而逻辑关系由程序确定，维护和设计比较容易。
1.1 电气元件与PLC的硬件连线
电气元件与PLC的连线主要就是将控制电路所需要的各开关、按钮、继电器触点、接触器辅助触点等连到PLC的输入端口，并确定各触点对应的端口号，1个元件的多个触点一般只需要连接1个输入口。继电器线圈、接触器线圈、电磁阀线圈、指示灯、照明灯等耗能元件连接输出端口，建立输入、输出端口分配表，各端口号将是逻辑程序进行逻辑运算的重要逻辑量。
1.2 逻辑程序设计
在将各元件与PLC的端口连接以后，还需要编写逻辑程序，确定各输出端口得电、失电的逻辑条件，从而控制各输出端口对应耗能元件的状态。逻辑程序的编写应根据机床的控制要求和原来继电器控制线路中的逻辑关系进行。PLC在运行时，能够采集各输入端口的状态，并根据建立的逻辑程序进行逻辑运算，控制各输出端口，使与输出端口相连接的各线圈得电或断电，从而控制电动机、液压系统和其他电气元件工作，即通过开发逻辑程序代替原来元器件间的串、并联接线。
采用上述方法可以完成机床工作所需要的控制要求，结合PLC的功能特点，可以考虑在已有的元器件基础上通过编写逻辑程序或者根据需要添加少量元件就能实现机床的故障自诊断，这对于**机床的可靠性、高效性、易维护性、避免事故的发生是非常有利的。
二、故障的自诊断设计
2.1 开关信号量的故障诊断设计
PLC控制机电设备时，设备中的开关、按钮、继电器的触点等开关信号与PLC的输入端口相连，每个输入端口在PLC的内存中为1个地址。通过读取PLC输入位的状态值作为识别开关量故障信号的依据。诊断开关量故障的实质是将PLC正常的输入位状态值与相应输入位的实际状态值作比较:如果二者比较的结果是一致的，则表明设备处于正常工作状态；若不一致，则表明对应输入位的元件处于故障状态。下面就常用的几种诊断方法作一叙述。
2. 1. 1 逻辑错误故障检测诊断法
在机床设备正常工作的情况下，控制系统的各个输入、输出信号和内部继电器的信号之间存在确定的逻辑关系，一但输入元器件发生故障，就会引起逻辑错误，控制系统不能按设计的要求进行工作。在这种情况下，我们可以根据元器件发生的故障，建立元器件故障发生时的逻辑关系。一旦故障发生，就能作出相应的警告和处理，如停止进给，停止主轴转动等。
图1所示的组合机床滑台工作时检测3个行程开关X00l(起点)， X002(快进终点)，X003(工进终点)是否正常的逻辑程序。Y030，Y031，Y032表示快进、工进、快退。表示在任何一个工作状态下，这3个行程开关任何2个都不应该闭合，如果闭合，则表示有行程开关失灵的故障发生，应该进行停机检查。
2. 1. 2 附加触点连接诊断法
在进行机床的PLC改造时，往往只是根据系统控制的需要，接入必需的外部输入元器件触头，这可以节约输入点数。但为了**系统的可靠性，可以考虑把一些非常重要的元器件的常开触点和常闭触点分别接到PLC的2个输入点，并在软件部分加上相应的检测判断程序，以实现在出现卡死或失效时能准确找出故障所在。
如在电气控制系统中有一中间继电器K，其一常开触点与X401输入端口相连，为了能够自动判断继电器K是否卡死或失效，现将其常开触点与X401相连，另一常闭触点与X402相连，如果卡死或发生失效，在继电器K线圈得电时，常闭触点断开了，但常开触点没有闭合；我们可采用图2的逻辑关系进行检测，即可发现故障。在端口数量有多余的时候，多串入1个常闭触点，有利于准确发现故障。
2. 1. 3 时间限制法
自动机床在工作循环中，各个动作都要求在一定的时间内完成，超过了规定的时间限制还没有完成动作，则可认为是机床设备运行出现故障，可以在被检测工步动作开始时，启动一个定时器，定时时间可以根据实际情况确定，但应比正常工作所需时间要长一些，如果定时器有输出信号则说明已出现故障，可以采取相应的处理措施。
图3表述了在组合机床上快进转变为工进时的故障检测程序，Mll0表示快进工步，压下行程开关后，应转变为工进，如果超过了规定的时间限制未切换，应视为在快进工步上出现了故障，出现故障的原因可能是行程开关，也可能是液压元件或其他电气元器件。不能确定是何种故障原因，但能确切地控制故障的继续发生。
2.2 模拟信号量的故障诊断设计
由于PLC具有模拟量的处理功能，在进行机床PCL控制改造时，对一些比较重要的能反映机床工作状态的参数，如液压系统的压力、**，机床重要机械部件的温度、振动等参数，可以考虑选用相应的传感器或变送器与PLC的专用A/D模块对机床工作参数实现实时检测，并与极限要求值进行比较，以判断机床工作状态是否正常，若不正常，则可以进行显示、报警或者停机等处理。机床设备参数的检测流程框图见图4。
三、结语
在进行机床PLC改造的过程中，在完成主要的控制要求设计基础上，应该附加考虑利用PI刀程序控制的功能特点，通过编写逻辑程序和添加少量电气元器件的基础上进行机床设备故障的自诊断和及时的处理，这样，可以**机床的可靠性，**机床的工作效率，改善机床的自动化程度。
1、引言
传统的鼠笼式异步电动机起、制动控制方式一般有四种，即定子回路串电阻起动，Y/△起动，自耦变压器起动和延边三角形起动；制动方式有三种，反接制动，能耗制动和电容制动，其中任何一种起、制动控制方式的实现通常由继电器-接触器控制系统来完成。下面就以定子回路串电阻降压起动和反接制动为例，分析由继电器-接触器实现的鼠笼式异步电动机的起、制动控制。
如图1所示，此控制电路含三个接触器和一个中间继电器线圈，12个触点。起动时，KM2、KM3线圈均处于断开状态，按下起动按钮SB1，KM1线圈通电并自锁，电动机串电阻减压起动。当电动机转速上升到某一定值时（此值为速度继电器KS1的整定值，可调节，如调至100r/min时动作），速度继电器KS1的常开触点闭和，中间继电器KA通电并自锁，KA的常开触点接通接触器线圈KM3，KM3的主触点在主电路中短接定子电阻R，电动机转速上升至给定值时投入稳定运行。
图1 继电器接触器控制系统
制动时，按下停机按钮SB2，KM1线圈断电，其主触点断开三相电源；控制电路中常开触点断开，KM3失电，限流电阻串入；常闭触点闭合，接通反接制动接触器KM2，对调两相电源相序，电动机处于反接制动状态。当转速下降至某一定值时（比如100r/min），KS1常开触点断开KA，继而断开KM2，电动机失电，迅速停机。
这种传统的继电器接触器控制方式控制逻辑清晰，采用机电合一的组合方式便于普通机类或电类技术人员维修，但由于使用的电气元件体积大、触点多、故障率大，运行的可靠性较低。随着PLC技术的发展，使用PLC进行电机的运行控制已成为必然趋势。
2、采用PLC实现鼠笼式异步电动器起、制动控制
可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，自60年代末，美国研制和使用可编程控制器以后，特别是日本和联邦德国也相继开发了各自的PLC（programmablelogiccontroller），与传统的继电器接触器控制系统相比较，笔者认为采用PLC实现鼠笼式异步电动机起制动控制是明智的选择。下面就是笔者设计的采用PLC实现的鼠笼式异步电动机起制动控制电路的接线图、梯形图和指令程序，如图2和图3所示。
PLC控制逻辑与传统的继电器接触器控制系统基本一致，其工作过程如下：
起动时，按下起动按钮SB1,X400常开触点闭合，Y430线圈接通并自锁，KM1线圈接通，主触头吸合，电动机串入限流电阻R开始起动，Y430的两对常开触点闭合，当电动机转速上升到某一定值时，KS1的常开触点闭合，X402常开触点闭合，M100线圈接通并自锁，M100的一对常开触点接通Y432的线圈，KM3线圈有电主触头吸合，短接起动电阻，电机转速上升至给定值时投入稳定运行。
制动时，按下停机按钮SB2，X401常开触点断开Y430线圈，使KM1失电释放，而Y430的常闭触点接通Y431线圈，制动用的接触器KM2线圈通电，对调两相电源的相序，电动机处于反接制动状态。Y430的常开触点断开Y432的线圈，KM3失电释放，串入电阻R限制制动电流。当电动机转速迅速下降至某一定值时，KS1常开触点断开，X402常开触点断开M100的线圈，M100的常开触点断开Y431线圈，KM2失电释放，电动机很快停下来。过载时，热继电器FR常开触点闭合，X403的两对常闭触点断开Y430和M110的线圈，从而使KM1或KM2失电释放，起到过载保护作用。
上述控制过程指令程序如下：
3、PLC与继电器接触器控制系统的比较
通过对鼠笼式异步电动机起制动的传统控制方法和PLC控制方法的比较，从某种意义上看，PLC控制是从继电器接触器控制发展而来的。两者既有相似性又有很多不同处。
3.1二种方案的不同点
（1）PLC内部大部分采用“软”逻辑
继电器接触器控制全部用硬器件、硬触点和“硬”线连接，为全硬件控制；PLC内部大部分采用“软”电器、“软”接点和“软”线连接，为软件控制。
（2）PLC控制系统结构紧凑
继电器接触器控制系统使用电器多，体积大且故障率大；PLC控制系统结构紧凑，使用电器少，体积小。
（3）PLC内部全为“软接点”动作快
电器接触器控制全为机械式触点，动作慢，弧光放电严重；PLC内部全为“软接点”动作快。
（4）PLC控制功能改变极其方便
继电器接触器控制功能改变，需拆线接线乃至更换元器件，比较麻烦；PLC控制功能改变，一般只需修改程序便可，极其方便。
（5）PLC控制系统制造周期短
PLC控制系统由于结构简单紧凑，基本为软件控制，设计、施工与调试比继电器接触器控制系统周期短。
由于PLC技术是计算机控制的基础上发展而来，它的软硬件设置上有着传统的继电器接触器控制无法比拟的优势，工作可靠性极高。
3.2PLC方案的设计要点
（1）设置滤波
在PLC中一般都在输入输出接口处设置π形滤波器，它不仅可滤除来自外界的高频干扰，还可减少内部模块之间信号的相互干扰。
（2）设有隔离
在PLC系统中CPU和各I/O回路（主要指数字口）几乎都设有光耦合器作隔离，以防止干扰或可能损坏CPU等。
（3）设置屏蔽
屏蔽有两类:一类是对变压器采取磁场和电场的双重屏蔽，这时要用既导磁又导电的材料作为屏蔽层；另一类是对CPU和编程器等模块仅作电磁场的屏蔽，此时可用导电的金属材料作屏蔽层。
（4）采用模块式结构
PLC通常采用积木式结构，这便于用户检修和更换模板，在各模板上都设有故障检测电路，并用相应的指示器标志它的状态，使用户能迅速确定故障的位置。
（5）设有联锁功能
PLC中个各输出通道之间设有联锁功能。以防止各被控对象之间误动作可能造成的事故。
（6）设置环境检测和诊断电路
这部分电路负责对PLC的运行环境（例如电网电压、工作温度、环境的湿度等）进行检测，也完成对PLC中各模块工作状态的监测。这部分电路往往是与软件相配合工作的，以实现故障自动诊断和预报。
（7）设置Watchdog电路
PLC中的这种电路是专门监视PLC运行进程是否按预定的顺序进行，如果PLC中发生故障或用户程序区受损，则因CPU不能按预定顺序（预定时间间隔）工作而报警。
（8）PLC的输入、输出控制简单
PLC是以扫描方式进行工作的，即PLC对信号的输入、数据的处理和控制信号的输出，分别在一个扫描周期内的不间间隔里，以批处理方式进行，这不仅使用户编程简单、不易出错，也使PLC的工作不易受到外界干扰的影响；PLC所处理的数据比较稳定，从而减少了处理中的错误；PLC的输入、输出的控制较简单，不容易产生由于时序不合适而造成的问题