6ES7214-2AD23-0XB8使用方式
1、前言
我厂DU1909组合镗床是加工汽车汽缸体缸孔的主要设备，属80年代初期产品，巳使用十多年。该机床是依靠近23只中间继电器，17个液压电磁阀，5只接触器和约20个控制按钮、行程开关、压力继电器等电器，通过继电器的逻辑控制来完成机床的各种加工工序。在加工过程中，联动工作可靠性差，容易发生故障，且该机床在安装调试时，厂家己对该机床的电器控制线路进行过多次修改，以致现有的电器图纸与实物严重不符，从而增加了维修工作的难度和机床停机检修时的时间。
在这十多年的使用期间，我厂的电器维护人员在对该机床进行维护时，克服图纸与实物多处不符的困难，排除了许多故障，并积累了不少维修经验。但由于机床电器元件的逐步老化，以致产生了不少新的电器故障，靠以往的经验进行维修己逐显困难，造成机床停机检修时间的不断增长，严重影响加工工件的质量和生产任务的完成。针对以上的情况，我厂决定对该机床进行电器改造，以解决因动作不可靠、维护困难而影响生产的问题。
2、控制系统简介
该机床属早期的继电器逻辑控制系统，由于其动作速度慢、可靠性差、连线复杂、定时精度不够准确、可维护性差等原因，现在的继电器逻辑控制系统将逐渐被淘汰。PLC控制系统由于体积小、功耗低、速度快、可靠性高、故障率低、维护方便、又具有较大的灵活性和可扩展性等优点，被广泛地应用于各种工业领域。基于上述原因，根据机床工作的要求，我厂决定采用PLC控制系统取代原继电器逻辑控制系统，对该机床进行电器技术改造。
3、工艺要求
该机床是立式双轴三工位移动工作台精加工专用组合镗床，加工缸体是六缸孔缸体。现我厂又开发生产了四缸的发动机，而该机床在加工四缸缸体时，机械方面采用了两次装夹的办法进行整改，基本满足加工的工艺要求，但在电器方面，原系统则无法进行改变，不能进行自动加工，只能靠手动一步一步的执行动作，操作繁琐且效率极低。用PLC进行改造时，利用PLC在编程方面的优点，我们用一个转换开关可方便地实现六缸机与四缸机加工的自动转换。各工艺流程叙述如下：
3.1、六缸机加工流程
六缸机加工的工艺流程如图1所示：
在初始状态下，装上加工工件，按压A3按钮，开始插销和夹紧，拨动转换开关XA到六缸自动位置，自动循环加工开始运行。全部加工完成后工作台又回到Ⅰ工位位置，并松开和拔销，拨动XA到调整位置，卸下工件，一个循环过程结束。再装上另一工件，下一循环重新开始。图中的横向工进和横向快退分别对应于横向出刀和退刀。有关加工工艺方面的延时要求，在图中并未画出，
在下面的图2中亦是如此，在此说明。
3.2、四缸机加工流程
四缸机加工的工艺流程如图2所示：
与加工六缸机不同的是，在插销夹紧后，转换开关要拨在四缸自动的位置，Ⅰ工位加工完后，工作台自动移到Ⅲ工位进行加工，Ⅱ工位不加工，Ⅲ工位加工完又回到Ⅰ工位，自动执行松开和拔销，拨动XA到调整位置后可移动加工工件，进行对加工工件的二次装夹，拨动XA到四缸自动位置，同在Ⅰ工位又加工工件的一个缸孔，加工完后不再移动工作台而自动执行松开和拔销，拨动XA到调整位置，卸下工件，一个循环过程结束。
3.3、调整要求
无论是加工六缸机还是加工四缸机，在PLC控制程序正在运行的加工过程中，只要将转换开关XA由自动方式拨回到调整方式，正在运行的程序应立即停止运行。
手动过程以及镗头对刀、工序调整等过程应在调整方式下进行。
4、PLC控制系统的组成
根据机床的工作原理，改造后的主要控制对象有：1台液压泵、2台进给主轴电机、14只电磁液压阀、3盏工作状态指示灯。主要控制元件有：11个控制按钮和转换开关、5个接触器和断路器的辅助接点、5个压力继电器和10个行程开关。
统计后得出该机床的输入点为28点，输出点为19点。我们选用OMRON（欧姆龙）C60P型可编程序控制器对该机床的电器控制系统进行改造，该型的PLC输入点为32点，输出点为28点，可满足该机床输入输出点数的要求。
改造后的PLC（OMRON C60P）外部I/O连接电气原理图如图3所示。
在图3中，连接输入点0000的油泵KM7触点，是使用常开触点，连接输入点0001的断路器QF5-QF7的触点，也使用串联连接的常开触点。如果都使用常闭触点如图4所示，在正常加工时，该触点全部是断开的，这时如果发生线路断路时，如在图中的a或b处断开，在该相应的输入点上却无法反映出来，程序照常运行。一旦真发生故障使图中的KM7等触点动作，由于线路断路，就无法起到故障保护的作用。
在指示灯方面，设立了一个四缸机加工过1次记忆指示灯HL3。根据四缸机加工工艺，工作台在Ⅰ工位要进行两次加工，以加工不同的缸孔。由于在加工过程中，可能会出现突然停电、人为停机和故障停机等现象，由此可能会引起操作者不知道Ⅰ工位是何种状态，即不知Ⅰ工位是否己经进行过一次加工，通过HL3指示灯可清楚的指示出Ⅰ工位的加工状态。通过控制按钮A12可方便地转换Ⅰ工位的加工状态及其指示。
5、程序编制
该机床所要编制的控制系统控制程序，除插销夹紧和松开拔销外，主要动作为镗头加工和工作台移动两大部份。镗头加工主要为顺序控制，工作台移动由于所控制的对象不同，具有分散控制的特点。如何编制出结构清晰、工作效率高白的PLC应用程序，我们对此进行了有益的尝试。
5.1、工作方式的转换
该机床要求既可加工六缸缸体，又可加工四缸缸体，故需三种工作方式，即六缸自动、调整、四缸自动。在编制程序时可用两种方法实现工作方式的转变。一种是采用跳转指令（即JMP、JME指令）来实现转变，这种方法的特点是各种工作方式分开编程，编制的程序清晰明了，运行时只执行相应工作方式的指令，的工作方式，其指令将不执行。这样，就相应缩短了程序的扫描时间，但却占用了较多的内存单元。
另一种方法是采用指令并联的方法来实现转变，本机床控制系统的控制程序采用此方法，如图5所示，此方法的特点是，编制的程序简单扼要，相对于上一方法而言，这种方法运行程序的扫描时间将有所增加，但却使用较少的内存单元.
5.2、镗头加工的程序编制
镗头加工的控制特点为顺序控制，其逻辑关系可用布尔代数式表示。根据工艺流程列出控制状态开关表，如表1所示，再由此表分析出控制对象的布尔代数表达式。
表1 镗头加工控制状态开关表
下面以输出点0504镗头进为例分析其布尔表达式，由表1可得：
(0504)ON =1005…………………………（1）
其中1005为镗头进启动信号，为一个扫描周期的脉冲信号。
镗头进0504的停止信号由0112的行程动作产生，0112是横向刀原位，其动作时间包含了0504镗头进的全部停止时间，如果只用0112做停止信号，由于0112在镗头进过程中仍为动作状态，则无法由1005信号启动镗头进动作，只用0112信号作镗头进0504的停止信号显然是不够的。分析表1时可看出，0112的动作状态是由横向退刀0606的终端行程控制的，0112动作时又反过来作为0606的停止信号。众所周知，PLC控制器的操作循环是由程序扫描和I/O扫描两部分组成，在I/O扫描期间，当在输入端检查到0112信号出现时，在此期间0606还必然保持在原来状态，不可能因0112信号的出现而立即翻转，只有到达程序扫描期间时，0606输出点的工作状态才会随着0112信号的出现而被更新，可见0112和0606相与后的信号为一个扫描周期的脉冲信号。完全可用0112和0606信号相与，即0112·0606信号作为0504镗头进的停止信号，这样可避免程序在运行时产生意外的误动作。我们用此方法编制程序的启动和停止信号在实际运行时，动作可靠，取得了良好的运行较果。故有：
(0504)OFF =0112·0606………………………（2）
根据（1）、（2）两式，可得：
0504=[ 0504+(0504)ON ]·(0504)OFF
=(0504+1005)·(0112 +0606 )
同样,可得其它布尔代数式:
0505=(0112·0606+0505)·(0107 +0505 )
0506=(0506+1005+0110·0505)(0107 +0505 )(0108 +0504 )
0605=(0605+0109)·0111 ·0505 ·0606
0606=(0606+0111)(0112 +0606 )
再考虑到工艺上的延时要求,编制出镗头加工的控制程序,如图6所示。
5.3、工作台移动的程序编制
该机床工作台移动由于其控制条件和控制对象的分散特点，在编制程序时，可根据其逻辑特性进行编程，所编制的程序如图7所示。图中只画出六缸机程序部分，四缸机和调整部分可按类似的方法编制出其PLC程序图，这里不再介绍。
其控制原理简单介绍如下：工作台的移动是通过4个电磁阀的得电状态决定的，当9DT、11DT得电时，工作台由Ⅲ工位向Ⅰ工位移动；8DT、10DT得电，则是由Ⅱ工位向Ⅲ工位移动；8DT、11DT得电，由Ⅰ工位向Ⅱ工位移动。图7中0107为镗头原位信号，1004为镗头原位脉冲信号，1005为到达Ⅱ、Ⅲ工位脉冲信号，1006为到达Ⅰ工位脉冲信号，HR0、HR1、HR2分别为在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ工位信号，此为断电保持信号。假设在Ⅰ工位加工工件时，加工完成后镗头退回到原位，由于在Ⅰ工位时HR0为ON，则1004为ON使得0603为ON，进而0600亦为ON，电磁阀8DT、11DT得电，工作台由Ⅰ工位向Ⅱ工位移动。到达Ⅱ工位后，图7中1005常闭触点的瞬时断开使得电磁阀8DT、11DT失电，至此，工作台完成了向Ⅱ工位的移动过程。工作台向Ⅰ工位和Ⅲ工位的移动亦可据此方法分析。
5.4、Ⅰ工位加工状态记忆编制
所编制的Ⅰ工位加工状态的记忆程序如图8所示。
图中0011为四缸自动方式信号，0003为调整方式信号，1004·HR0为Ⅰ工位加工完成信号，0113为A12控制按钮，可转换Ⅰ工位的加工状态，CNT03计数器的功能是用来记忆四缸机在Ⅰ工位的加工状态，用以保证四缸机循环程序的顺序执行。
由图8可见，在四缸方式下Ⅰ工位加工完一次后，1000为ON，计数器CNT03的计数值置为1，待下一次在Ⅰ工位又加工完一次后，1000又一次ON，致使计数器CNT03复位成2的预置值，这样，通过比较计数器CNT03的计数值就可得出Ⅰ工位所处的加工状态，并由输出点0610输出到指示灯指示出来。
在调整状态下，每按压按钮A12一次，CNT03的计数值就变化一次，相应地，0610的指示状态就翻转一次。
5.5、夹紧问题的解决
该机床要求只有在夹紧完好时，才能进行镗头加工和工作台的移动，该夹紧信号0014的产生是通过压力继电器的动作而形成的，在运行调试时发现，压力继电器动作的可靠性较差，造成输入点0014信号经常瞬时失电，致使运行中的程序经常产生破坏性的误动作。解决此问题可用自锁的方法，即将0014夹紧信号的整个夹紧过程自锁，如图9所示，由1012信号作为镗头加工和工作台移动的夹紧信号满足条件，从而在电气上解决了压力继电器动作不可靠的问题。
6、结论及使用效果
通过这次改造，我们觉得用PLC控制器对设备进行电气改造，非常方便实用，并且容易修改。一般在电气方面进行设计时，难免会出现和机械方面相矛盾的地方。如果电气控制箱一旦完成，其修改就相当困难，PLC却不同，它可对其控制程序随时修改，而不必进行电气线路的改动。在对一些老的机床设备进行电气改造时，可先进行系统和输入输出点的设计，进行电控箱及外围电器元器件的安装，在安装过程中再进行PLC控制程序的程序编制，从而缩短了施工周期。实践证明，对于一些电气可靠性差的机床设备用PLC进行彻底改造，是保证机床可靠运行的有效办法，只要处理得好，就会取到事半功倍的效果。
该机床自1997年9月改造完成后，到现在已连续运行使用了将近一年，电气系统从未发生故障，可靠性相当高，彻底解决了改造前由于继电器控制可靠性差，元器件老化等原因带来的经常性故障及废品率高的问题，使该机床的加工能力得到了充分的发挥。
0 引言
随着电子技术的发展，可编程序控制器（PLC）已经由原来简单的逻辑量控制，逐步具有了计算机控制系统的功能。在现代工业控制中，PLC占有了很重要的地位，它可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统。在许多行业的工业控制系统中，温度控制都是要解决的问题之一。如塑料挤出机大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制，存在控制精度低、超调量大等缺点，很难生产出高质量的塑料制品[1]。在一些热处理行业都存在类似的问题。为此，设计了较为通用的温度控制系统，具体系统参数或部分器件可根据各行业的要求不同来进行调整。系统采用罗克韦尔SLC500系列PLC，通过PLC串口通信与计算机相连接，界面友好、运行稳定。
1 系统构成
基于PLC的温度控制系统一般有两种设计方案，一种是PLC扩展专用热电阻或热电偶温度模块构成，另一种是PLC扩展通用A/D转换模块来构成[2]。
1.1扩展热电阻/热电偶模块
在SLC500控制器扩展模块中，有集温度采集和数据处理于一身的专用智能温度模块—热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）。在此模块中温度模拟量产生对应的16位A/D数字值，其对热电阻变送的温度信号的分辨率约为1/8度，控制器在数值处理中可以直接使用模块的转换值，无需在硬件级电路上作其他处理。热电阻温度模块的使用十分方便，只需要将热电阻接到模块的接线端子上，不需要任何外部变送器或外围电路，温度信号由热电阻采集，变换为电信号后，直接送人温度模块中。热电偶/毫伏输入模块（1746-NT4）的功能与热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）类似。系统如图1所示。
图1 扩展温度模块的温控系统
1.2扩展通用A/D模块
在PLC温度控制系统中，可以用通用模拟量输入输出混合模块构成温度采集和处理系统。通用A/D转换模块不具有温度数据处理功能，温度传感器采集到的温度信号要经过外围电路的转换、放大、滤波、冷端补偿和线性化处理后，才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。SLC500系列PLC常用的模拟量输入输出混合模块有—2路差分输入/2路电压输出模块（1746-NIO4V），其A/D转换为16位。由A/D转换模块构建的温控系统不但需要外加外围电路，其软件和硬件的设计也比较复杂。系统如图2所示。
图2 通用A/D转换模块温控系统
2 输入输出控制
比较而言用温度模块1746-NR4构建的PLC温控系统具有较好的控制效果。SLC500控制器的输入通道中一个热电阻模块多可以接4个温度热电阻温度传感器。输出通道为模拟量输出模块（1746NIO4V），其输出信号是电压信号，可以通过电压调整器控制电源的开度（即一周期内的导通比率），从而控制电源的输出功率。
在被控对象要求较高的控温精度时，SLC500控制器可以采用PLC自身具有的PID指令进行PID控制算法的研究[3]。SLC500系列PLC的PID指令使用下列算法：
输出=Kc[（E）+1/Ti∫（E）dt+Td·D（PV）/Dt]+bias
程序设计时，输入PID指令后，要输入控制块，过程变量和控制变量的地址。对于SLC500PID指令，过程变量（PV）和控制变量（CV）两者的量度范围为0到16383。在使用工程单位输入时，必须把用户的模拟量范围整定在0-16383数字量度范围之内，为了实现这个目的，需要在PID指令之前使用数值整定指令（SCP指令）进行整定。整定原理如图3。
图3 数值整定原理
整定了PID指令的模拟量I/O范围，用户就能输入适用的小和大的工程单位。过程变量，偏差，设定点和死区将在PID数据监视屏上以工程单位显示。图4为PID指令的设置界面，表1为PID指令各参数的说明。
图4 PID模块在线参数设定与标志位
表1 PID模块参数说明
一般温控系统的控制算法可以采用分段式PID控制，即在系统工作的大多数时间内，为PID控制，其参数由10%电源开度下的温度飞升曲线测得。在温度响应曲线的由初态向设定点的上升段过程中，大致采用三段控制。置电源为满开度，以大的功输出克服热惯性;转入PID控制;接近设定点时置电源开度为0，提供一个保温阶段，以适应温度的滞后温升。基于以上要求，PID指令各参数可设置如表2所示。
表2 PID模块参数设定
温控系统中热电阻模拟量输入模块的电压信号范围一般是0—4124，SCP指令把它整定为0—16383的工程单位，将其值放入PV（过程变量）的内存地址N7:38中，把控制输出值放入N7:39当中。后用MOV指令把N7:39中的过程变量传递到1746NIO4V模拟量输出模块中。控制效果如下：（1）SP-PV≥50时，输出值为大值32767，使电压调节器开度大，即给加热器大电压供电，使被测对象温度快速上升。（2）SP-PV>-30和SP-PV<50时，输出为PID控制输出，此范围为PID参数调节的范围。（3）SP-PV<-30时，输出值为小值0，电压调节器开度为零，即停止加热。
3 显示扩展
PLC控制系统显示界面比较单调，一般是通过观察控制柜上的指示灯或PLC的LED灯来了解控制器状态，但对于温控系统这样的显示是不够的，需要采用数码管显示或PC显示。
采用数码管显示时，可以选用ZLG7289A芯片[4]，它与控制器采用3线串行接口，只需要占用SLC500的3个输出点，可以驱动8个LED数码显示管，同过级联可以扩展数码显示管的数量，实现多段实时温度显示。SLC500与ZLG7289A的连接如图5所示。
图5 ZLG7289A与SLC500及显示器的接口
图5中CS为片选输入端，此脚为低电平时，可向芯片发送指令;CLK是时钟输入端，;DATA是串行数据输入端，串行数据在时钟CLK的上升沿有效。8个段驱动信号SEG接每个显示器的段，8个位驱动信号DIG0—DIG7分别接显示器的共阴极公共地。
SLC500有RS232通信口，可以通过专用电缆与PC机相连。通过Rsview32软件的组态，PC机可以动态显示PLC传送的温度采集数据，还可以通过联网对多台PLC进行网络监控。
4 PLC与PC通信设计
4.1 PLC数据包的信息格式
SLC500与上位机进行数据交换是以二进制字节数据进行，它包含四种主要命：读命令，代码：01H;响应读命令，代码：41H;写命令，代码：08H;响应写命令，代码：48H[5]。故PLC数据包的信息格式如图6所示：
图6 PLC数据包的信息格式
DST：一个字节，信息接收方的节点号或文件号;
SRC：一个字节，信息发出方的节点号;
CMD：一个字节，命令类型如01H，41H，08H或48H;
STS：一个字节，通信状态，表示通信有无错误或错误类型，0为无错误;
TNS：二个字节，信息包的业务批号，可作为本信息的识别编号;
Addata：地址/字节数/数据，具体内容由不同的命令类型决定。
PLC与PC机的数据通信采用自由端口通信模式，参数设置成为波特率9600bps，每个字符8位数据，无奇偶校验。采用主从式通信协议，PC机为主机，只有PC机有权主动发送报文，PLC则采用报文接受数据。用RSLogix500软件对SLC500的串口进行如下设置：
1） set the module for full duplex BSC （DF1 full duplex）
2） set the module for bbbbbded response
3） set detect for automatic
4） disable duplicate packet detect
5） set the baud rate for 9600.
4.2 PC机程序
PC机采用VB编程，主要有监控界面、当前温度显示、动态温度曲线显示、温度数据库管理、参数设置以及与PLC通信等方面的设计。通信参数设置程序如下：
With MSComm1 //通信参数设置
CommPort=1 //通信口COM1
Settings=“9600，年n，8，1” //波特率9600bps，无奇偶校验，8位数据，1位停止
bbbbbLen=2 //一次读取2个字节
bbbbbMode= comLnputModeBinary // 二进制数据格式
PortOpen=Ture //打开通信端口
End With
PC机采用中断方式接受SLC500传来的实时温度。即串口收到数据，VB通信控件会触发OnComm事件，在OnComm事件程序中接受数据并处理。一个温度数据为16位两个字节，SLC500传送温度数据时，按报文传送格式高低字节正好VB程序要对接收的数据进行处理，并按照SLC500温度采集的精度（1/8度）转换成温度值用于显示[6]。
5 结束语
本系统设计使用了PLC的热电阻温度采集模块，在上位机的控制下，对工业现场的温度进行实时的采集和监控。本文作者的创新点是，采用了罗克韦尔的SLC500控制器来实现整个系统的设计，并编程实现了SLC500控制器与计算机串口的实时通信。由于PLC可以适应环境恶劣的工业现场，故其使用范围十分的广泛。