西门子6GK7243-1GX00-0XE0规格说明

西门子6GK7243-1GX00-0XE0规格说明

本文就我公司几台数控机床故障诊断中产生的PLC输入信号正、负逻辑究竟哪一个有效的问题提出了判断的方法，并以实例说明如何深刻认识输入信号的含义，获得全面的理解。

在数控技术中，PLC是可编程逻辑控制器的专用缩写名称。几乎每台数控机床都有PLC以及PLC控制程序，它规定了数控系统在接收到从机床传来的各种输入信号后，如何按一定的时间顺序发出各种指令去指挥机床的各个功能动作或显示各种信息。

输入信号流程的基本形式如图1：24VDC电源正端通过虚线框送到PLC的输入端E××.×。虚线框所代表的元器件以及通过它送到PLC输入端的信号，其含义不外乎是以下几种：

图1　输入信号电路形式

（1）紧急停止开关、限位开关的触头——输入信号反映是否触碰了急停开关，各伺服轴行程是否超越了极限位置；

（2）液压泵电机、润滑泵电机、冷却液泵电机和排屑器电机自动开关的辅助触头——输入信号反映了这些电机是否在正常运转；

（3）温度传感器——输入信号反映电控柜等装置内部温度是否正常；

（4）压力传感器——输入信号反映液压系统、气动系统、润滑系统中某点的压力是否在正常范围；在液压系统和润滑系统中还用于检测过滤器是否阻塞；

（5）位置传感器（接近开关）——输入信号反映主轴变速齿轮档变换到位的情况、自动换刀器的转臂和机械手的当前位置、托板工作台的位置、刀库元器件的当前位置、刀具在主轴锥孔中是否放松了等等的信息；

（6）液位传感器——输入信号反映液压油箱、润滑液箱、冷却液箱、回流液箱内液面的高低。

尚有一些输入信号，借助予一些按钮和开关送到PLC中从略。

PLC的输出信号比较简单。PLC的24VDC电源输出与各继电器线圈、电磁阀线圈或指示灯等元件相连，或驱动某元件动作，或发出某信号。电气原理图中对PLC输出信号的注释往往有很明确的含义，维修人员不会误解。例如，某输出信号A××.×的注释是：“夹紧工作台”，则我们可以立即知道：当输出信号A××.×＝“1”（逻辑“1”，即24VDC）时，就会发生夹紧工作台的动作。把A××.×＝“1”跟注释内容对应起来，划上等号。

对于PLC的输入信号，情况则不然，因为E××.×＝“1”跟注释内容并不一定能对等起来。我们把输入信号＝“1”与注释内容相对应称为“正逻辑”注释法；把输入信号＝“0”与注释内容相对应称为“负逻辑”注释法。例如，我公司CW800加工中心上用E8.7＝“1”表示“液压油温度太高”，使用了“正逻辑”的注释法，而另一台CW500加工中心，虽出自同一制造厂，却以E23.1＝“0”表示“液压油温度太高”，使用了“负逻辑”注释法。

一台机床的PLC输入信号注释如果全部使用“正逻辑”，会给故障诊断带来很大的方便；但事实上许多数控机床制造厂家给用户的PLC输入信号清单中都是正、负逻辑混用的，这给维修人员带来很大困难，笔者根据几年来维修机床的经验，认为可以用以下几个办法来确定某个输入信号的注释是使用了哪种“逻辑”。

（1）有些输入信号，特别是经由急停开关、限位开关触头串联电路输入的信号，以及经由自动开关辅助触头串联电路输入的信号，从电路图上可以判定：输入信号必须为“1”时才属正常状态。

（2）对于经由位置传感器中的感应式接近开关输入的信号，可以直接观察机床上的运动元件与传感器之间的相对位置得出明确的结论。受控的运动元器件（如换刀器转臂、机械手等）向接近开关趋近，到达规定位置后，接近开关发出“1”信号。绝大多数情况下，编制PLC程序时，都会以“正逻辑”作注释。如在机床上不易观察到实物，也可以从机械装配图中得出结论。需要注意的是，也有例外情况。例如在图2中的受控运动元件向右运动过程中，缺口中心线尚未到达传感器轴心线位置时，传感器始终送出“1”信号给PLC，一旦缺口中心线与传感器轴心线基本重合，由于感应距离太远，传感器就送出“0”信号给PLC，数控机床制造厂在PLC程序中对这种情况往往简单地注释为“E××.×某某元件定位”，但从图中可以清楚地知道：定位时，输入信号实际是“0”，厂家用的是“负逻辑”注释。这一类的例外情况往往造成我们的误诊断，在坏的情况下会使机械故障越来越严重；在有疑问时，必须去观察实物环境或从机械装配图中求答案。

图2　受控机械元件的运动以及位置传感器的检测方式

　　（3）机床在正常运转情况下，不会有任何报警或故障信息显示。这时，可以利用自动运行时的空隙时间，在诊断某菜单页面上查阅到各输入信号的状态，将其抄录下来，与输入信号清单的注释一一对照。用这个方法可以得到以下这类信号究竟是“1”还是“0”算正常：“电控柜的温度”、“液压油的温度”、

[NextPage] “保护门栅开着/关闭”、“液压回路畅通/阻塞”、“润滑油、液压油、冷却液液面位置”、“压缩空气压力”、“参考点到达”等。对于运动着的机床，这类信息相对静止，记录下来有意义。一旦有故障，屏幕上出现报警信息时，再去查输入信号，与记录的内容一比较就更可以确定故障的性质了。
　　（4）有些输入信号不一定“1”/“0”就是正常状态，而变成“0”/“1”就是非正常状态。这些信号是随特定条件而变化，并产生不同的结果。这在输入信号清单中，是看不出明确的详尽含义的。这类信号有“参考点限位”、“减速限位”、“Y轴和Z轴互锁限位”等。例如在CW500、CW800、CW1000等加工中心上都有跟Y/Z轴互锁有关的限位信号，用于防止主轴箱已经降至低位时，立柱向前继续运动而撞到工作台，以及防止立柱已经靠近工作台时，主轴箱继续向下运动而撞到工作台。对于这类信号，我们要研究的是它们的动态变化，而不是静态状况。必要时可以在机床不加工产品时与操作工配合，让轴慢慢运动，并将各限位开关的输入信号变化一一记下，留作分析用。
　　（5）某些信号，不论从电路图、实物环境，还是从屏幕显示来观察分析，均得不出明确结论。这时往往要借助于阅读分析PLC控制程序。
　　以上情况均可以从分析PLC程序文本中的有关程序段/块来解决。
　　例如CW500加工中心在使用冷却液过程中，将冷却液先收集于回流液槽中。该槽中装有一个液面位置传感器，它向PLC输入端口E21.1送出信号，以便让PLC输出口A2.6输出一个信号去控制回流泵M81的启动和停止；回流泵启动后就将回流液槽中的冷却液再抽回到冷却液箱里。如图3所示。

图3

该加工中心刚投产不久时我们发现一个“异常”的现象：M81回流泵只要冷却液在喷，不管回流液槽中的回流冷却液是满还是浅，它始终在转。再查E21.1，始终为“1”；而在PLC输入信号清单中E21.1的注释是“回流液槽液面达高位”。如根据这个注释，A2.6当然应该为“1”，使中继K2得电，从而接通M81回流泵抽冷却液回冷却液箱去，以免回流液槽满溢。但事实上回流液槽中液面很低时，E21.1仍为“1”，如果E21.1的解释是用了“负逻辑”，那么为什么同样是海克特公司制造的CW800加工中心上回流液槽满溢的信号跟它?CW800上的回流泵为什么不那么“忙碌”，而CW500上的回流泵为什么转个不停?我们也担心，万一有什么潜在故障使E21.1恒为“1”，回流泵老是转，回流液几乎被抽干了还在转，这样会损坏回流泵。
　　为此，笔者阅读了PLC程序，作了分析后得出以下结论：
　　（1）内外冷却液泵不工作时间超过了30s，回流泵M81就不必转动；
　　（2）一旦有内、外冷却液泵之一在工作，只要冷却液箱未满，电机保护开关没断开，回流泵M81就必转动；
　　（3）E21.1＝“0”才表示“回流液槽满”，即原PLC输入信号的注释使用了“负逻辑”。E21.1＝“1”并不说明回流泵不要工作了，它仅仅说明“回流液槽的液面没有达到高位”。
　　于是我们明白了M81不停工作跟B182.3液位传感器送出的输入信号E21.1＝“1”/“0”并没有唯一、必然的关系。
　　为了彻底搞清E21.1常为“1”的原因，笔者后看了该传感器制造商的说明书才得到解决。这是一种新颖的液位传感器，它利用PVC管子中液面上升对中空管子内空气的压力逐渐增大，后薄膜鼓起的力量将一个常闭触头断开，而使常开触头接通。动作时压力差要求仅为10mPa。由于海克特公司使用了常闭触头，液面不到高位，压差达不到10mPa时，PLC的E21.1始终为“1”。我们原先认为是“异常”的情况，实际上是正常状态。
　　从事数控机床维修工作的人如果能综合使用以上几种方法，对PLC输入信号的了解就不是点、线、面式的了解，而能达到立体的，多维的深入理解的层次。

4  软件设计
(1) 系统软件
    PLC系统软件选用STEP7 V5.2软件包，对于系统中的逻辑控制选用梯形图(LADDER)编程，直观、方便;对于模拟量处理和PID回路控制部分则采用语句表(STL)编程，结构紧凑而又灵活。为实现软件冗余，利用SIEMENS公司专门提供的冗余软件包，它实际上是一组系统功能块，供用户在程序中调用、设置，实现用户的软件冗余功能。
    上位机软件选用SIEMENS公司的Wincc V5.1组态软件。Wincc功能强大，可方便快捷地组态出各种操作界面。开放式的数据库系统为用户提供了强大的数据管理功能。
(2) 应用软件设计
    根据该系统具体情况，软件设计过程中着重要考虑的是以下几个方面:
?软件冗余;
?PID算法;
?安全措施。
4.1  软件冗余
(1) 在OB100(热启动模块)中调用系统冗余软件包中的系统功能块FC100。
(2) 在OB1中调用系统功能块FB101。程序如下:
CALL  "SWR_ZYK" , DB5       //调用FB101
DB_WORK_NO   :=DB1         //内部数据块
CALL_bbbbbbbb:=TRUE
RETURN_VAL   :=MW110       //返回状态字
EXT_INFO     :=MW112
A     DB5.DBX    9.1           
//冗余状态位，判断是否为从站
JC    M001
CALL  FC    50                
FC50调用所有的控制程序
M001: NOP   0
CALL  "SWR_ZYK" , DB5
DB_WORK_NO   :=DB1
CALL_bbbbbbbb:=FALSE          //传送结束
RETURN_VAL   :=MW114
 EXT_INFO     :=MW116
(3) 在OB86中调用冗余诊断程序，程序如下:
CALL "SWR_DIAG"
DB_WORK :=W#16#1
OB86_EV_CLASS :=#OB86_EV_CLASS
OB86_FLT_ID :=#OB86_FLT_ID
RETURN_VAL :=MW130
这段程序用来诊断从站的故障信息，如有问题将切换从站通讯模块。
(4) Wincc中的每个外部变量都连接着CPU中的一个地址，当两台CPU切换时，这些连接地址也要切换。WINCC提供了动态向导，可自动产生相关的变量和全局脚本，实现上述转换。
4.2  PID算法
    STEP7提供了两种常用的PID算法:连续型PID(FB41)和离散型PID(FB42)，根据实际要求，选用的是FB41,其框图如图2所示。


PID算法的输出实际上是比例(P)、积分(I)、微分(D)三部分作用之和:
Mn=MPn+MIn+MDn
MPn=GAIN×(SPn-PVn)　　　
MIn=GAIN×TS/TI×(SPn-PVn)+MX
MDn=GAIN×TD/TS×(PVn-1-PVn)
式中，
Mn:第n次采样时刻的输出值             
MPn:第n次采样时刻的比例作用，与偏差成正比。       
MIn:第n次采样时刻的积分作用，可以消除静差，提
   高控制品质。         
MDn:第n次采样时刻的微分作用，根据差值的变化
   率调节，可抑制超调。        
SPn:第n次采样时刻的设定值
PVn:第n次采样时刻的过程值
MX:第n-1次采样时刻的积分作用，每次采样计算后
    自动刷新
GAIN:回路增益，P参数  
TI:积分时间常数，即I参数
TD:微分时间常数，即D参数 
TS:采样时间
根据上述原理框图，结合实际工艺要求，编写程序(以供料道温度回路为例)如下:

[NextPage]
L     DB44.DBD    0  
//温度设定值，浮点型
T     #TEMP0
L     PIW  524   //温度反馈值
ITD     
//整型转双整型
DTR     
//双整型转浮点型
L     2.764800e+004
/R    
L     3.200000e+002   
//量程范围320度
*R    
L     9.800000e+002   //零点是980度
+R    
T     #TEMP1  
//温度反馈对应量程范围980-1300度，
计算出浮点型数据。
L     DB44.DBW 4        //阀门开度
ITD   
DTR   
L     2.764800e+002  
//阀门开度转为百分数
/R    
T     #TEMP2
L     DB44.DBD   20
T     #TEMP31
A     M     56.3   //自动标志位
NOT   
=     #TEMP4
CALL  "CONT_C" , DB144 //调用FB1
COM_RST :=FALSE
MAN_ON  :=#TEMP4 
PVPER_ON:=FALSE

[NextPage]
P_SEL   :=TRUE   // 使用P调节
I_SEL   :=TRUE   //使用I调节
INT_HOLD:=FALSE
I_ITL_ON:=FALSE
D_SEL   :=FALSE   //使用D调节
CYCLE   :=T#2S   //采样时间
SP_INT  :=#TEMP   //设定值
PV_IN   :=#TEMP1  //过程值
PV_PER  :=
MAN     :=#TEMP2  //PID自动标志
GAIN    :=DB44.DBD8  //参数P
TI      :=DB44.DBD12  //参数I
TD      :=DB44.DBD16  //参数D
TM_LAG  :=T#2S         
DEADB_W :=#TEMP31  //死区范围
LMN_LLM :=DB44.DBD28  //输出下限
PV_FAC  :=1.000000e+000
PV_OFF  :=0.000000e+000
LMN_FAC :=1.000000e+000
LMN_OFF :=0.000000e+000
I_ITLVAL:=0.000000e+000
DISV    :=0.000000e+000
LMN     :=
LMN_PER :=#TEMP3
QLMN_HLM:=
QLMN_LLM:=
LMN_P   :=
LMN_I   :=
LMN_D   :=
PV      :=
ER      :=
AN    M     56.3
JC    M001
L     #TEMP3
T     DB44.DBW    4  
//PID自动时，将PID输出结果送到输出存储地址
L     DB44.DBW    4
T     PQW  522    //调节阀输出
    程序前部分主要是处理设定值、反馈值并送入中间变量，将阀门开度送入PID模块，保证手/自动无扰动切换。
    调用FB41时，要给各参数赋值。为方便调整，重要参数都存在DB块中，用户可在上位机上随时修改。
     从上面的公式中可以看出，参数P(GAIN)与P、I、D作用都是成正比的，它决定了PID回路的灵敏度，即调节速度的快慢;I参数越大，积分作用越弱，而D参数越大，微分作用越强。不能单靠理论计算来确定PID参数，唯一的衡量标准就是被控参数(温度、流量等)的精度和稳定度，在实际调试中，都是参照被控参数的实时曲线，反复观察分析，从而达到佳的控制效果。
4.3  安全措施
(1) 防止误操作 任何设定值都设有上、下限，即不允许输入“离谱”的数据;重要设备的开、停，都需操作员确认;运行中调整设定值，不能直接输入数据，而是按“+”、“-”键，逐步增减。
(2) 报警功能
每个被控参数都设有上、下限报警值及偏差报警值，当运行数据超出这些值时，系统将发出
声光报警，提醒操作者。对于特别重要的参数，变化过快，也在报警之列。
(3) 逻辑连锁 当燃料压力或助燃风压力开关动作时，关闭安全阀;当被控参数(温度或压力)突变时，关闭安全阀；当设定值和过程值的偏差大于安全范围时，相关PID回路切换到手动，以保持输出不变。
5  结束语
    整个控制系统，软件硬件配置和软件设计充分考虑了系统的工艺特点，保护措施完备，操作灵活、控制精度高。