西门子模块6ES7277-0AA22-0XA0型号含义
4 卸船机控制系统的故障诊断
4.1 硬件组成
卸船机的故障诊断系统建立在基于plc和故障显示单片机组成的控制系统上。plc在故障诊断系统中的功能主要是完成卸船机控制系统设备故障信号检测、预处理，转化存储并传输给故障显示单片机。故障显示单片机由于具有较强的科学计算功能，通过编码解码完成从故障特征到故障原因的识别工作，并显示于lcd屏，给出故障定位报告，并为操作员给出相应的排除故障的建议。
4.2 程序设计
根据plc在故障诊断系统中的功能，笔者将从故障层次结构、故障信号检测、预处理，转化存储和传输四个方面对程序进行分析。
(1)故障层次结构图
在进行故障诊断设计时，必须对整个系统可能会发生的故障进行分析，得到系统的故障层次结构。根据卸船机运行中受控设备的组成，可以画出卸船机控制系统的故障层次结构图。为了描述简单，这里作了一定的简化。
图2 卸船机故障层次结构图
系统故障结构的层次性为故障诊断的设计提供了一个合理的层次模型。为了全面的显示系统故障，必须把系统所有可能引起故障的检测点引入plc，以便系统能及时进行故障处理；并且在系统允许的条件下尽可能多的将底层的故障输入信息引入plc的程序中，以便得到更多的故障检测信息为系统的故障自诊断提供服务。
(2) 故障点的信号检测和预处理
基于plc的卸船机故障诊断系统，为了得到设备故障情况实现系统的故障自诊断，plc程序将所有故障检测点的状态反映给内部寄存器，图3是节选的用来记录故障点的部分程序。
在程序段55中，i24.1是主风机断路器的闭合信号，当主风机正常运转时，i24.1的值是1，如果i24.1的值变为0，则程序中其常闭点闭合，说明主风机断路器故障，此时plc辅助寄存器位m2.1将记录此次信号的跳变。在程序段58中，i21.7是主风机变频器过热的信号，当变频器正常时，i21.7的值是0，如果i21.7的值变为1，则程序中其常开点闭合，说明变频器过热故障，此时位m2.6将记录此次信号的跳变。
图3 卸船机故障点记录程序
对于模拟量信号例如主风机电流的故障诊断，利用模拟量模块，接收来自电流变送器的模拟信号，将其转换为数字信号，与整定值或系统允许的极限值比较,若在允许范围之内则表明对应的设备处于正常运行状态，如果实际值接近或达到极限值，则为不正常状态。判断故障发生与否的极限值根据实际系统相应的参数变化范围确定。
(3)故障点的转化存储
在程序设计中，将可能发生的故障点全都记录在辅助寄存器m中，并且将故障根据发生类型进行分类存储，如图4所示。
图4 卸船机故障点转化存储程序
单个故障点信息分别存储于plc内部寄存器字节m50和m51中，并通过逻辑或输出于q53.0。
(4)故障信息的传输及显示
卸船机故障显示单片机通过双绞线与plc的输出模块建立连接及时读取plc的内部寄存器区的各种故障信息。如图五所示，故障显示单片机通过读取plc输出点q53.0-q53.7的值来获取当前设备的工作状态，并把工作状态显示在lcd屏上。如果设备发生故障，单片机还将把故障代号，详细信息和处理建议集中显示。
5 结束语
基于plc技术的故障诊断系统在卸船机控制系统中得到了应用。从实际运行来看，故障诊断系统能准确而迅速地判断出故障的原因，方便运行人员维护和检修，大大地提高了设备维修耗时，是顺利生产的有力保障。
3 触摸屏选择及设计
触摸屏越来越多的用在了工业中，方便，易于远程控制。根据X62W铣床的控制要求，我们用NTOUCH触摸屏和MCGS组态软件配合PLC来替代控制柜上的按钮和选择开关等物理元器件，并且还可以通过触摸屏来监视铣床运行动作情况。
3.1MCGS组态编辑
通过对系统的分析，在本系统中，依靠MCGS系统设计组态画面，实现对系统操作和监控，如图3。
图3 系统控制总体画面
以上提到此系统的输入和输出均是开关量，在MCGS组态的实时数据库中定义的名字类型也要为开关型的，如图4。
图4 实时数据库
3.2 通讯连接
既然用MCGS控制此系统，那么怎么才能让其与西门子PLC相互通讯，起到监控的作用?MCGS组态软件在设备窗口中建立系统与外部硬件设备的连接关系，使系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工业过程的实时监控。根据此系统的控制要求以及控制方式，可以利用PPI电缆，相互传数据，以便实现监控。
在设备窗口中需要设置设备0-[通用串行口父设备]属性和设备1-[西门子S7-200PPI]属性，此时，还需要设置设备内部属性增加相应的PLC通道，和通道读写类型，输入通道多数用到的是内部寄存器，读写类型是只读类型，输出寄存器Q0.0～Q0.6读写类型，Q1.0.和Q1.1只读类型值读取SA313和SA32的开关信号，在实际通讯过程中，在设备属性设置中“串口端口号”设为0-COM1，通讯波特率设为：6-9600，数据位位数：3-8位，数据校验方式：偶校验，一位停止位，数据采集方式：同步采集。设置完后单击“确认”按钮返回。
为了西门子S7-200PLC与MCGS更好的通讯，必须在设备属性设置：[设备1]对话框中设置属性设备注释为：西门子S7-200PPI，初始工作状态为：启动，小采样周期为：1000ms，PLC地址为：2，内部属性设置PLC通道要与实施数据库中所定义的名字相对应。如图5。
图5 PLC通道属性设置
编辑完毕组态画面，在上位机上试验成功，便可以通过上位机的网线接口用一根网线和触摸屏上的网线借口相连接，并且在MCGS嵌入式组态软件菜单栏中“工具”\“下载配置”设置好IP地址，便可以下载到触摸屏中。用PPI电缆连接触摸屏和PLC，母头连接触摸屏COM5口，公头连接在PLC接口上，即可实现丢掉控制柜面板上的按钮控制，用触摸屏的软按钮控制，画面生动，清晰。
0 引 言
X62W铣床是一种高效率的加工机械，在机械加工和机械修理中得到广泛的应用。铣床的操作，是通过手柄操作电气与机械，以达到机电紧密配合完成预定的操作，是机械与电气结构联合动作的典型控制，是自动化程度较高的组合机床。在电气控制系统中，故障的查找与排除是非常困难的，特别是在继电器接触式控制系统，由于电气控制线路触点多、线路复杂、故障率高、检修周期长，给生产与维护带来诸多不便，严重地影响生产。时随着工业自动化的发展，对工业智能化程度的要求越来越高，以及市场经济要求制造业对市场需求做出迅速反应—生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。为满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必需具有极高的可靠性与灵活性，这就需要使用智能化程度高的控制系统来取代传统的控制系统，使电气控制系统的工作更加灵活、可靠，更容易维修，更能适应经常变动的工艺条件。基于这些问题，本文提出了利用西门子S7-200和触摸屏对X62W型卧式铣床的继电接触式电控系统进行技术改造的方案。
1X62W铣床工作原理及继电器接线图
工作原理见图1。
图1 工作原理图
主电路中有三台电动机，M1是主电动机，拖动主轴带动铣刀进行铣削加工；M2是进给电动机，拖动升降台及工作台进给；M3是冷却泵电动机，供应冷却液。三台电动机共用一组熔断器FU1作短路保护。每台电动机均有热继电器FR作过载保护。其中以主电动机的热继电器FU1和冷却泵电机的热继电器FU2作总的保护，它们的常闭触头串在控制电路的总线上，而进给电动机的热继电器FR3只作进给系统的保护，其常闭触头接在进给控制电路中。因为主电动机要求不频繁的正反转，用组合开关SA5控制倒相。进给电动机的正反转频繁，用接触器KM3和KM4进行倒相。冷却泵在主电动机起动后方可开动，另有手动开关SA1控制。主电机采用两组起动按钮SB3和SB4并联，两组停止按钮SB1和SB2串联。接触器KM1是电动机M1的控制接触器，SQ7是位置开关，用作主轴变速的冲动开关。主轴的起动，按下起动按钮SB3或SB4，接触器KM1通电吸合并自锁，主电动机M1起动。当主电动机起动后，KM1的辅助触头接通控制电路的进给控制部分，才可以开动进给电动机。电机的转速达到一定速度时接通速度继电器，当按下停止按钮SB1或SB2时，接触器KM2得电，主轴电机反转。
工作台向右进给，当主轴起动后，工作台控制电源接通。将位置开关SQ1旋转，SQ1-1常开触头闭合，接触器KM3通电吸合，电动机M2正转。当运行到预定位置时，位置开关SQ1复位，电动机M2停止转动。
工作台向左进给，将位置开关SQ2旋转，SQ2-1闭合，SQ2-2断开，接触器KM4通电吸合，电动机反转，工作台向左移动。
当SA3-1、SA3-3闭合SA3-2断开时，电流通过11、SQ6、15、SQ4-2、16、SQ3-2、17、SA3-1、18、SQ1-1（或11、SA3-3、21、SQ2-2、22、SQ1-2、17、SA3-1、18、SQ3-1）、19、KM4、20，KM3得电M2正转，工作台向下运动。
当SA3-1、SA3-3闭合SA3-2断开时，电流通过11、SQ6、15、SQ4-2、16、SQ3-2、17、SA3-1、18、SQ2-1（或11、SA3-3、21、SQ2-2、22、SQ1-2、17、SA3-1、18、SQ4-1）、24、KM3、25，KM4得电M2反转，工作台向上运动。
当SA3-2闭合SA3-1、SA3-3断开时，电流通过11、SQ6、15、SQ4-2、16、SQ3-2、17、SQ1-2、22、SQ2-2、21、SA3-2、19、KM4、20，KM3得电。当SA3-2闭合，SA3-1、SA3-3断开时，进给电机M2正反转就组成了互锁，SQ1，SQ2，SQ3，SQ4位置开关控制圆盘旋转不同的位置。
不论电动机正反转，接触器KM3和KM4的线圈电流都由SQ1-2和SQ3-2接通。若机床正在向左进给机床的联锁问题，当SQ2或SQ4被旋转时，它们的常闭触头SQ2-2或SQ4-2是断开的，所或向右进给时，发生误操作，压着上下前后手柄，则一定使SQ3-2或SQ4-2中的一个断开，使KM3或KM4断电释放，电动机M2停止运转，以确保安全。位置开关SQ6为进给变速冲动开关。
冷却和照明控制，冷却泵只有在主电动机起动后才能起动，主电路中将M3接在主接触器KM1触头后面，SA1控制冷却泵。照明电路用安全电压36伏用开关SA4控制。
2 X62W型铣床控制系统的硬件构成
2.1 PLC 的选择和硬件设计
根据X62W铣床电气控制要求，输入输出均为开关量，需要PLC监测的输入信号有8个按钮，5个行程开关，两个选择开关，输入点为21点，PLC输出控制信号有6个继电器，1个照明灯，共7点。选用了西门子S7-200PLC，具体配 置 如 下：CPU226CN AC/DC/DC型（6ES7216-2BD23-0XB8），自带24点输入，16点输出，自带两个接口2个RS-485接口PORT0和POT1，一个通讯接口，能满足控制要求。PLC的I/O口分配是根据其控制对象的特点和控制要求，将I/O口的输入输出口与相应的电气设备相连，达到控制和检测的功能，具体I/O分配如表1。进行完I/O分配后，进行PLC硬件设计，PLC外接硬件电路如图2。
图2 PLC外接硬件电路图
表1 I/O分配表
表2 内部寄存器I/O分配表
2.2 PLC编程
根据机床控制要求，PLC语句表如程序1。
程序1 手动控制程序
在程序设计过程中，用了6个内部辅助继电器来简化程序设计，主轴电机正反转互锁和进给电机正反转互锁提高了系统运行的可靠性。在程序中将不同的控制方式均分开设计，这样程序结构简洁、清晰。由于整个系统用触摸屏控制，它可替代物理按钮和开关及其指示灯，在编程序是这些按钮和开关均使用了内部寄存器M0.6-M3.1，把下面程序的输入寄存器改成相应的内部寄存器即可。内部寄存器程序，如程序2。
程序2 自动控制程序
二、升级理由
有刷直流电机具有调速范围广、较硬的机械特性，大负载下起动性能良好，且平滑性、经济性较好。这些性能对生产机械的拖动是十分重要的，但有刷直流电机的可靠运行，在很大程度上取决于电机的起动和换向情况。因为有刷直流电机在运行时，在电刷和换向器片间会出现电火花，如果火花超过一定程度，会使换向器和电刷很快损坏，以至电机不能继续工作。这种火花极易产生在高速起动和换向过程之中，如果不加以控制易损伤电机和造成大负载下直流电源的损坏。要求有刷直流电机在起动和换向时必须工作在低电压小电流下，而龙门铇正是工作在：起动→升速→高速运行→降速→断电→制动→转向→再起动的循环运动之中，控制节点紧凑短暂；加之以前受技术条件的制约，对这种较复杂的控制要求也只能采取继电器加行程开关的模式来完成机器的自动需求，使得继电操控步骤繁琐、联互触点繁多，老化后经常造成控制动作失常，经常发生掉轨、失速等现象；连续运行工作不能得到保证，设备维修难查量大，影响生产加工进度，较难满足现代工业生产的需要。
针对上述种种不利因素，我们提出了相应的改造方案，使用比较先进的技术平台——通用型可编程序逻辑控制器（PLC）替换原有的继电控制回路。
三、系统构成
此设备直流电源部分为原国标版的FKZ-I型可控硅直流电源柜，励磁整流电压为150～220VDC，电枢电压为半控桥式可控硅电源，触发装置为无需同步信号的阻容移相触发器，电源装置基本完好。为控制升级改造成本，改进原则是不对直流电源做出改进，只对原继电控制回路进行升级改造。继续使用原机原有的接触器配件，全新设计控制系统，按机器运行特点编制相应的应用程序。转向、限位反馈信号选用无接触式接近开关，减化操作步骤，系统地完成此设备自动控制的技术升级。整个控制系统结构如图1所示：
图1 直流控制系统
在核心应用程序的设计编制中，以三位一线前后转向、限位反馈信号来定位计算铇床的运动轨迹，极大地提高了控制系统运行的可靠性、稳定性、平滑性，从而提高了设备的加工能力和生产效率。程序框图如下：
图2 程序框图
四、主要技术特点
系统构成简明，自动化程度提高明显，性能稳定可靠，功能增强，操作简便直观，降低了劳动强度，大大提高了生产效率。
1、操作简便直观，维护方便；
2、工件行程调节方便。
五、主要功能
1、进、退刀速度分别连续可调；
2、机器自动进刀可置；
3、铇床进、退运行点动可控；
4、可做铣床加工；
5、校刀控制；
6、龙门刀架上下点动控制；
7、失磁、过流保护；
8、速度显示功能；
9、铇床前后速度快慢分别调节方便；
10、刀具退程自动抬刀。
六、经济评价
实践证明，PLC控制系统经过一年来的使用，软硬件工作稳定，整机运行稳定可靠，实施的升级改造方案比较成功；生产质量稳定，产量增加，劳动强度和生产成本明显降低，经济效益显著：经统计，原年维修费和产品加工效能损失费在5万元左右，2005年3月改造后使效能、产量、质量效益指标提高显著,加工产能效益提高到每年10万元左右；改造效果得到好评。
七、技术推广
自从工业发达国家相继研制出PLC后，以及微机技术的普遍应用，使PLC的功能不断增强，应用日益广泛，是现代控制技术的一次飞跃。具有性能稳定、通用性好、体积小、功能强、使用方便、易改变控制过程及节能等特点；并在与信息技术的结合上，在系统监控和管理上，越来越被应用到现代工业自动控制系统中，是当今生产企业自控技术升级与更新的一个必然的发展方向