西门子模块6ES7232-0HB22-0XA8选型说明

西门子模块6ES7232-0HB22-0XA8选型说明

1 引言

　　磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。十八世纪30年代，为了适应钟表、自行车、缝纫机和枪械等零件淬硬后的加工，英国、德国和美国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床。1876年在巴黎博览会展出的美国布朗-夏普公司制造的外圆磨床，是具有现代磨床基本特征的机械。1900年前后，人造磨料的发展和液压传动的应用，对磨床的发展有很大的推动作用。随着近代工业特别是汽车工业的发展，各种不同类型的磨床相继问世。自动测量装置于1908年开始应用到磨床上。到了1920年前后，无心磨床、双端面磨床、轧辊磨床、导轨磨床，珩磨机和超精加工机床等相继制成使用;50年代又出现了可作镜面磨削的高精度外圆磨床;60年代末又出现了砂轮线速度达60～80米/秒的高速磨床和大切深、缓进给磨削平面磨床;70年代，采用微处理机的数字控制和适应控制等技术在磨床上得到了广泛的应用。

　　本文所设计的机床应用计算机数控技术和缓进深切成形强力磨削工艺，技术先进，适用于磨削航空发动机和汽轮机叶片枞树根、直线导轨等典型型面，以及磨削其它各种难磨材料零件的对称和非对称型面。

2 磨床设备介绍

　　2.1 磨床设备结构

图1 设备外形图

图2 加工工艺简图

　　本机床主机为立轴矩台型式，无横向移动。有左右两个磨头，在立柱两侧各自作垂直升降，可对安装在工作台夹具上突出于工作台台面的工件磨削。

　　工作台的旋转由三相交流电机驱动，交流电机可由变频器进行加减速控制;左右磨头垂直进给均采用交流伺服电机及滚珠丝杠副系统，左右磨头的旋转由三相交流电机驱动，交流电机可由变频器进行加减速控制。机床由冷却冲洗泵提供高压、大liuliang磨削液，并通过纸质过滤装置加多级沉淀进行净化处理，效果良好。

　　机床具有磨削成形精度高，型面表面质量好，磨削效率高等特点。机床实现了机电一体化。

　　2.2 磨床工艺原理

　　该磨床工艺对系统的控制要求主要分设定、开机复位和自动工作三个部分，对左右(A、B)磨头可单独进行升降控制，也可实现自动联动控制，如下：

　　1)设定：开机后，系统应处于手动状态，按触摸屏上的设定(复位开关)按钮，再按微量定位(复位开关)按钮，A臂与B臂可以下降。此时，A升降下限，A升降下软限，B升降下限，B升降下软限，无效。可手动将A，B，磨盘下降至工作台面，此时按完成按钮，可以将磨盘A高度，磨盘B高度清零，并且A，B先后上升，当磨盘上升动作与下面的复位动作完全相同。

　　2)开机复位：系统开机后手动有效，按开机复位(复位开关)按钮，A磨盘开始上升，上升期间如经过光电传感器信号不处理，直到A磨盘上升到A软复上限后A磨盘下降，下降到光电传感器信号时，将此时A磨盘的高度赋给光基高度，A磨盘抬起5厘米。B磨盘开始上升，上升期间如经过光电传感器信号不处理，直到B磨盘上升到B软复上限后B磨盘下降，下降到光电传感器信号时，将此时光基高度赋给B，B磨盘抬起5厘米。此时如果A高度与B高度不相等。应产生蜂鸣报警。提示重新复位。(应考虑A，B高度差的设定)

　　3)自动工作：在参数设定画面中输入目标高度，毛坯高度，每次进给量，精磨量，按自动启(复位开关)按钮，磨盘A B或A或B(磨盘A选择，磨盘B选择按钮决定)磨盘AB开始下降，下降距离应为(磨盘A高度-毛坯高度)，此时工作台应旋转。工作台接近开关每次动作，磨盘AB按照每次进给量下降一次(毛坯高度-目标高度为剩余的下降量，[(毛坯高度-目标高度)-精磨量]/每次进给量为每次进给的次数)，后下降高度为精磨量，下降结束后，工作台在旋转一圈停止。磨盘AB上升到上软限位后停止，自动过程结束。

3 控制系统介绍

　　3.1 PLC介绍

　　3.1.1 PLC工作原理

　　PLC工作方式又扫描方式和中断方式，所谓扫描方式是周而复始的执行一系列任务。任务循环执行一次称为一个扫描周期，其扫描的工作过程如下：

　　(1)读输入：将物理输入点上的状态复制到输入过程映像寄存器中。

　　(2)执行逻辑控制程序：执行程序指令并将数据存储在变量存储区中。

　　(3)处理通讯请求：即执行通讯任务。

　　(4)执行CPU自诊断：检测固件、程序存储器和扩展模块是否工作正常。

　　(5)写输出：在输出过程映像寄存器中存储的数据被复制到物理输出点。

　　中断方式是指当中断事件发生时则立即执行一次相应的中断服务程序，不受扫描周期的影响，响应速度快，从而tigao了PLC控制的可靠性。中断事件不发生时，不扫描中断服务程序，这样可以节约扫描时间，减少扫描周期。

　　3.1.1 PLC特点

　　(1)PLC逻辑判断和控制能力强，抗干扰能力强，可靠性好。PLC从硬件上采用隔离、滤波措施有效地抑制和消除了干扰。

　　(2)扩展性和柔性好，且可移植性好，在不改变硬件的情况下，只改变软件的程序就可以实现不同的功能。

　　(3)编程语言丰富，可以采用不同语言编写程序，HOLLiAS#reg;LM系列PLC支持6种编程语言，包括：梯形图(LD)、指令表(IL)、结构化文本(ST)、功能块图(FBD)、顺序功能图(SFC)和连续功能图(SFC)。给编写程序带来很大方便。

　　3.2 控制系统方案

　　控制系统上位机采用和利时HT6600C系列触摸屏，下位机CPU选用和利时LM3108PLC控制器，上、下位机之间走RS232串口线通过标准MODBUS协议进行通讯。CPU内部通过逻辑编程处理来自触摸屏以及按钮、传感器、限位开关等信号控制2台伺服驱动器和3台变频器。图3为控制系统配置图。

图3 控制系统配置图

　　3.3控制系统硬件

　　3.3.1 PLC选型

　　本系统采用HOLLiASLM系列PLC控制，配置1个CPU模块LM3108、1个4通道数字量输入模块/4通道继电器输出模块LM3231和1个8通道模拟量输入模块LM3313。

　　1)CPU模块：LM3108模块的额定工作电压为DC24V，自带40点I/O，提供24路DC24V输入/16路晶体管输出处理。具有两路20KHz高速输出，1个RS232和1个RS485通讯接口，支持专有协议(仅RS232)/ModbusRTU协议/自由协议。

　　2)数字量扩展模块：LM3231模块包含4路数字量输入处理通道和4路继电器输出处理通道，输出额定负载的电压为24VDC或220VAC，主要完成数字量信号的输入/输出工作。

　　3)模拟量扩展模块：LM3313模块提供8通道模拟量输入通道，输入范围-10-10V电压信号和-20-20mA电流信号可选，主要完成现场模拟量的输入、采集与处理工作。

　　下表1为系统I/O分配表。

　　表1 系统I/O分配表

　　3.3.2 监控部分

　　上位监控部份采用和利时HT6600系列触摸屏，配以监控软件来完成。触摸屏上可以设定加工参数、软限位参数，进行设备启停控制，显示开关点状态及变频器故障、超限位故障等报警信息。图4-图7为触摸屏部分监控画面。

图4 报警画面

图5 手动操作画面

图6 自动操作画面

图7 参数设定画面

4 结论

　　采用和利时可编程控制器、触摸屏以及伺服驱动器，为磨床设备提供了机电一体化的系统解决方案，可进行单独和联动控制，能实现自动磨削循环，tigao了磨床的自动化程度。控制系统提供非常高的运算速度和控制精度，保证了工件磨削表面的加工精度，具有很高的可靠性和性能价格比，在保证质量的大化的降低生产成本。

间隔层的微机保护装置经过RS-485总线分成几个组，连接到网桥的Modbus通讯口上，通过网桥收集数据并将这些数据通过MB网络送到主监控单元PLC。

　　系统的主监控单元可通过可编程网桥编制不同的规约，满足与不同智能设备之间的接口需要。MODBUS网桥NW-BM85C002 MB网桥/多路转换器，每台网桥具有4个通讯口与间隔层的智能设备通讯，网桥将MODBUS协议的数据进行协议转化，通过MB网络与PLC建立网络通讯;在中央信号屏中还配有可编程网桥NW-BM85C485，通过MB网络与PLC连接，每个可编程网桥具有四个通讯协议可编程的RS-485口，在本方案中对其中的两个口进行编程，使之通过IEC-60870-7-101与中央控制中心通讯。

　　系统网络通讯层向上通过可编程网桥的RS-422接口采用IEC60870-5-101规约实现与控制中心通讯;向下网络通讯层通过网桥RS-422接口MODBUS标准规约实现与主变电站内的各开关柜或保护屏内的微机综合保护测控单元等智能装置通讯，满足变电所综合自动化系统控制、测量、保护的技术要求。通过网桥与智能设备及控制中心通讯，由网桥实现协议转换，降低PLC的CPU模块负荷率，tigao系统的可靠性。

　　配置液晶显示器，用于变电所内监控、软件维护，设备调试，站控层操作等人机接口。带有液晶显示器实现站内数据的显示和控制。液晶显示以汉字实时显示所内所有事故、预告信号、所内各微机综合保护测控单元的运行状态。事件变位的内容、时间等。当多个事故信号发生时,液晶显示报警装置按新旧次序，在所内时间分辨率的范围内依次显示各种信息,并能存储。操作员通过按钮对显示进行选择,必要时操作员可通过该组操作按钮对开关进行所内集中控制。

　　“就地-远方”控制切换装置。为便于系统运行的需要，在中央信号屏内装有“就地-远方”切换开关，实现就地控制和远方控制之间的方式切换和闭锁。在变电站控制上，方便分层控制和管理。

　　系统的电源采用冗余配置，系统输入两路直流电源，保证系统在一路电源失电时，系统仍可无扰动安全运行，tigao系统的可靠性。

　　3.2开放式、宜扩展性设计

　　可以与满足相应标准规约(profibus, spabus,modbus等)的其它公司相关的(IED)互联进行信息交换。充分考虑到变电站扩建、改造等因素，间隔层设备基于模块式标准化设计，可根据要求随意配置，变电站层设备设置灵活。

　　网络通讯层设计考虑到工业以太网、CAN、422、modbus＋等现场总线的接口设计，能充分满足大liuliang实时数据传送的实时性和可靠性。

　　3.3 软件设计

　　PLC软件方面，由于PLC以循环扫描和中断两种方式来执行程序。为了完成所有RTU功能，PLC采用循环扫描方式，与各个间隔层保护单元进行通讯。通过Modbus总线，读取各个保护单元的遥测、遥信信息，通过总线通讯对各个智能保护装置进行设点操作，实现对开关的遥控功能。本系统采用了Quantum系列PLC配套的concept编程软件中的FBD方式，进行了PLC的组态，实现了变电站自动化的三遥功能。

　　如图2所示的遥控功能的组态。通过使用合适的功能块的组合，可以实现你所要的功能。其中的功能块有concept软件的FFBlibarary 提供的标准功能块，也可以自己定义，自己独特的功能块。

　　遥信的实现，有两种方式。一种是通讯方式，当变电站设备发生变位时，通过PLC与智能保护装置的通讯，读取变位的信息到PLC中，并将其上送给控制中心。另一种为DI模块方式，通过连接设备的位置继电器，PLC的DI模块能够感知设备的变位信息。

　　图2 遥控功能的组态

　　遥测的实现也包含两种方式。一种是通讯方式，PLC通过与智能保护装置的通讯，实时获取保护装置采集的遥测量信息，相当于由保护装置完成现场级的采集功能。另一种为AI模块方式，由PLC自己来完成现场的遥测量采集，并将采集到的数据存放在RAM中。网桥将RAM中的遥测量信息，作为二级数据，实时的与控制中心进行通讯。

　　网桥中的报文接收分析程序分析控制中心传来的报文，如果分析认为其是遥控报文，对其进行报文解析，将获取的遥控对象信息写入PLC，由PLC程序与智能保护装置通讯，来完成遥控功能。

　　3.4系统功能及特点

　　变电站自动化实施对变电站各种设备进行实时控制和数据采集，实现对各种设备的微机控制、监视、逻辑闭锁、微机测量以及实现所间开关联跳功能。

　　变电站自动化系统的特点：

　　(1)完善的自检功能，除通过通信对各单元进行监控外，各单元中保护和监控模块都具有极强的自检功能，二者相互监视，一旦发生异常，及时报警，tigao系统运行可靠性。

　　(2)开关、刀闸状态信息采用常开及常闭双位置接点，通过软件判断其合法性。

　　(3)监控系统采用PLC代替传统的RTU，各智能模块采集的数据通过现场总线上传到通讯控制器。

　　(4)取消了常规光字牌，采用计算机模拟光字牌，并按不同电压等级的分层模式来显示。

　　(5)简化防误闭锁设计，重要设备之间用硬接线实现闭锁功能，综合自动化软件具备软件逻辑判别功能，但考虑到已有运行和检修经验，一般不在后台软件中进行闭锁。

　　(6)对暂态变位信号，经软件处理，采用自保持方式，未经人工确认信号不会消失。

　　4 结束语

　　在实际运行中，网桥与控制中心的双通道设计，给运营和检修带来了很大的便利。因为是软件自动切换，克服了进口系统手动切换通道的缺点，通道的状态由软件来判断，大大tigao了发现问题的及时性。双通道出现故障的概率并不是很高，实际运营中有在备用通道长时间运行的情况，这样就给检修人员预留了充足的时间来检查问题。

　　PLC硬件由于应用工业级可靠性设计，实际运行中非常可靠，绝少出现死机的情况，可靠性远高于采用bbbbbbs操作系统的通用计算机，很好的满足了供电监控的要求。从交付使用到现在PLC还没有出现过硬件故障，凸显了PLC对地铁的潮湿、高温环境的适应性。模块化的设计也使的系统的检修和更换更为便捷。

　　需要更改进的方面，就是对通信的改进。由于设计中没有采用光纤通讯模块，各设备对由绝缘检修和线缆破损窜进来的高压电，不能非常有效的隔离，会造成设备的高压击穿，造成不必要的损失，计划在今后的设计中对于高电压的隔离方面加以改进，就可以很好的避免这种问题。

在居民生活用水、工业用水、各类自来水厂、油田、油库、锅炉定压供热和恒压补水喷淋及消防等供水系统中，采用传统的水塔、高位水箱、气压增压等设备，不但占地面积和设备投资大，维护困难，且不能满足高层建筑、工业、消防等高水压、大liuliang的快速供水需求。另一方面，由于供水量的随机性，采用传统方法难以保证供水的实时性，且水泵的选取往往是按大供水量来确定，而高峰用水时间较短，这样水泵在很长一段时间内有较大余量，不仅水泵效率低，供水压力不稳，造成大量电力浪费。这里介绍一种由可编程控制器控制的变频恒压供水系统，它既能解决人工操作的繁杂劳动和精神压力，又能节约能源。

1、系统介绍

图1

　　变频恒压供水控制系统由PLC控制器、触摸屏显示器、变频调速器、压力变送器、水位变送器、交流接触器等其它电控设备以及3台水泵（水泵数量可以根据需要设置）和一台小liuliang泵等构成，如图1所示。在供水系统总出水管上安装压力变送器检测出水压力，在蓄水池安装液位变送器，PLC具有模拟量输入检测模块，检测压力变送器和液位变送器输出的4-20mA信号，将检测的压力信号与设定的压力信号经过PID运算后，通过控制变频器的输出频率来调整电动机的转速，保持供水压力的恒定，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统;自动检测水池水位信号与设定的水位低限比较，输出水位低报警信号或直接停机。触摸屏显示器可以显示电源电压、电流、变频器输出频率、实际供水压力和设定供水压力和各泵的工作状态等信息;可以通过触摸屏在线修改设定供水压力和控制水泵的运行。该系统还设有多种保护功能，尤其是强电逻辑硬件互锁功能，从而保证正常供水，且可以做到无人值守。

2、工作原理

　　该系统具有手动和自动两种运行方式：

　　2.1手动运行方式

　　选择此方式时，按启动按钮泵或停止按钮，可根据需要而分别启停各水泵。这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。

　　2.2自动运行方式

　　2.2.1启动程序

　　在自动运行方式下开始启动运行时，检测水池水位，若水池水位符合设定水位要求，1#泵变频交流接触器吸合，电机与变频器连通，变频器输出频率从0Hz开始上升，此时压力变送器检测压力信号反馈PLC，由PLC经PID运算后控制变频器的频率输出;如压力不够，则频率上升至50Hz，延时一定时间后，将1#泵切换为工频，2#泵变频交流接触器吸合，变频启动2#水泵，频率逐渐上升，直至出水压力达到设定压力，依次类推增加水泵。

　　2.2.2水泵切换程序

　　如用水量减小，出水压力超过设定压力，则PLC控制变频器降低输出频率，减少出水量来稳定出水压力。若变频器输出频率低于某一设定值（水泵出水频率，一般为25Hz），而出水压力仍高于设定压力值时，PLC开始计时，若在一定时间内，出水压力降低到设定压力，PLC放弃计时，继续变频调速运行;若在一定时间内出水压力仍高于设定压力，根据先投先停的原则，PLC将停止正在运行的水泵中运行时间长的工频泵，直至出水压力达到设定值。

　　2.2.3启动小liuliang泵

　　对于居民生活供水或其它用水时段性较强的供水系统，可设置一台小liuliang水泵。例如在晚上12点到凌晨5点，居民生活用水很少，一台30kW的水泵为了维持供水压力也需要长时间工作在25Hz左右，电动机不仅要消耗十几个千瓦的电能，还要长期工作在低频状态，大大影响电动机的寿命。若系统中设置一台5KW左右的小liuliang水泵，为了维持出水压力，由小liuliang水泵变频工作，不仅电动机工作在较高频率，消耗的电能也很小。在小liuliang水泵的选择上，其功率一般是主水泵功率的1/4到1/6，扬程和主泵相同。

　　2.2.4 水池水位检测

　　在自动供水的过程中，PLC实时检测水池水位，若水位低于设定的报警水位时，蜂鸣器发出缺水报警信号;若水位低于设定的停机水位时，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并发出停机报警信号;若水池水位高于设定的水池上限水位时，自动关断水池给水管电动阀门。

　　2.2.5 自动启动

　　有时电源会突然断电，若无人值班，恢复供电后若系统无法启动会造成断水，为此本系统设置了通电后自动变频启动方式。在电源恢复后，PLC会发出指令，蜂鸣器发出警告，按自动运行方式变频启动1#泵，直到稳定地运行在给定水压值。

　　2.2.6 消防报警 当出现消防报警信号时，系统立即按照消防压力运行。

　　2.2.7 故障处理

　　变频故障从冗余设计原则考虑，在变频器发生故障时也要不间断供水。当变频器突然发生故障，蜂鸣器报警，PLC发指令使全部水泵停机，1#泵工频运行（若水泵功率大于37KW，则需要采用降压启动或其它启动方式），经一定延时后根据压力变化情况再使2#泵工频运行。此时，PLC切换泵则根据实际水压的变化在工频泵间切换。当出现水池无水停机、电动机欠压、过压、错相、电机故障等情况时，均能由蜂鸣器发出警报声。条件许可时可以添加MODEM模块，在变频器、电动机发生故障时能通过远程通信口拨叫值班人员电话，通知有关人员前来维修。所有故障解决、恢复正常后，自启动前也要发出报警信号。

3、控制系统配置及软件编程

　　3.1控制系统硬件配置

　　3.1.1 PLC的选择

　　可编程序控制器采用SIEMENS的S7-200系列CPU-226主机，I/O点数为40点（24个输入点和16个输出点），具有2个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。自由通讯口方式是S7-200PLC的一个很有特色的功能，它使S7-200PLC可以由用户自己定义通讯协议。利于自由通讯口方式，在本系统中PLC可以与变频器和触摸屏方便连接。模拟量输入采用4路12位A/D模拟量输入的EM231模块，具有较高的精度。PLC编程采用STEP7-Micro/WIN编程软件，它提供一个完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的互相转换。

　　3.1.2 变频器及控制方式选择

　　在传统的变频控制系统中，变频器的启动/停止由PLC通过开关量输出控制，变频器频率是由PLC通过模拟量输出端口输出0～5（10）V或4～20mA信号控制的，这需要购买PLC比较昂贵的模拟量输出端口模块。对变频器故障的检测是只是由PLC读取变频器的故障报警触点，只是知道变频器出现故障，但具体什么故障并不清楚，需操作人员查询变频器报警信息后再阅读变频器说明书才知道，这对于一般值班人员来说太难了。

　　在本系统中PLC对变频器的控制是通过串行通讯的方式实现的，变频器选用SIEMENS的MM系列或ABB的ACS-400系列风机/泵类专用变频器，它们具有RS-485通讯接口，性价比较高。PLC通过自由通讯口方式与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、累计运行时间和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数，并通过触摸屏显示出来，这比通过外部端口控制变频器的运行具有较高的可靠性，节省了PLC宝贵的I/O端口，又获的了大量变频器的信息。

　　3.1.3 触摸屏

　　触摸屏选用台湾HITCH公司生产的PWS系列，它具有丰富的驱动程序，可方便地通过串口与S7-200系列PLC通讯。通过触摸屏可以直观地显示各泵的运行状态、管网实际出水压力、设定压力、变频器的电压、电流、功率及各种故障信息等参数;操作人员通过触摸屏可以方便的在线设置生活供水压力、消防供水压力、变频器加减速时间、各泵的在线/检修状态等参数，并可以通过触摸屏控制各水泵的运行。

　　3.1.4 控制电路设计

　　在控制电路设计中，注意到系统自动/手动转换、每台水泵的变频接触器和工频接触器、各水泵的变频接触器在电气上的连锁，防止系统中出现一台水泵工频和变频电源接通或多台水泵接通变频电源的现象。系统主要控制回路如图2所示。

图2

　　3.2 PLC软件编程

　　整个系统PLC既有开关量和模拟量的输入/输出，又有与变频器和触摸屏的通讯，在PLC控制软件编程上采用模块式结构，各种功能的程序模块通过主程序有机地结合起来，使系统运行稳定可靠。

　　在主程序中，PLC上电初使化，检测系统各部分状态信息，若有报警信息则发出警告，若无报警信息，则开始从1#泵（1#泵被切除出系统，则从泵号小的在线泵）变频启动，实时检测出水压力并进行PID运算，控制变频器的输出频率，保持供水压力恒定;若变频器频率达到50Hz延时几秒后，出水压力仍低于设定压力，则将1#泵切换为工频，变频启动2#泵以保持压力恒定并依此类推。若出水压力超过设定压力，则变频器降低输出频率来稳定出水压力。若变频器输出频率低于设定水泵出水频率而出水压力仍高于设定压力值时，延时一段时间后根据先投先停的原则，停止正在运行水泵中运行时间长的工频泵，直至出水压力达到设定值。若系统只有一台水泵变频运行且连续一段时间频率低于设定出水频率，则切除变频运行主泵，投入小liuliang泵，既保护主泵电动机，又节约能源。

4、结束语

　　在供水系统中采用变频调速运行方式，可根据实际需要水压的变化自动调节水泵电机的转速或加减泵，实现恒压供水，节能降耗;系统增加了小liuliang泵，延长主泵电动机使用寿命。变频器故障后仍能自动运行，基本保障了不间断供水，采用PLC与变频器通讯的方式控制变频器运行，具有一定的先进性。

　　目前该系统已有十几套投入使用，运行情况良好，操作直观方便，节能效果明显，受到用户好评。