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PLC在加工机床的应用及可靠性设计 霍建文河北省石家庄金刚内燃机零部件集团有限公司 ,机器视觉 ,烟草机械
PLC按照逻辑条件进行顺序动作或按照时序动作，还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行联锁保护动作的控制，PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制的主要产品。下面介绍PLC在缸套内孔加工机床电气控制系统中的应用及可靠性设计技术。
该机床由主轴箱部分、床身部分、滑台部分、辅助支撑部分、液压系统、电气系统、冷却排屑系统等组成，采用人工上料。起动液压油泵电动机、人工上料、按夹紧按钮、空心主轴回缩实现工件夹紧，按循环起动按钮，横向滑台横向快进，到位压行程开关后纵向滑台纵向快进，压行程开关后转工进，主轴旋转，冷却泵起动，内孔切削开始。切削到位主轴延时停转，纵向滑台快退，压行程开关横向滑台退刀到原位，松开工件。人工卸料，整个循环结束，人工上料开始第二个循环。
电气控制系统方案设计
1．硬件选择
本机床控制主单元采用OMRON公司的CPMIA-40CDR-A型PLC，该控制器具有可靠性高，价格便宜，结构紧凑等特点，非常适合本机床的控制要求。外部行程检测部件采用JW2-11Z／5型组合开关。按钮采用LAY3型，为了使控制面板结构紧凑美观，选择KN3型钮子开关。
2．可编程序控制器资源分配
本系统中选用的PLC具有24点输入，16点输出。
输入继电器00000～00111用于接收按钮、行程开关、压力继电器的信号。输出继电器01000～01007用于控制接触器、电磁阀、信号灯的工作。中间继电器20000～20012用于记录输入按钮、行程开关、输出继电器的状态。中间继电器20100～20106用于步进控制。时间继电器TIM000用于实现加工终点时主轴延时停，TIM001用于夹紧后主轴延时起动，TIM003用于实现液压系统失压保护延时。
3．系统工作流程
系统工作流程如附图所示。
可靠性设计
1）硬件设计对于机床系统中的安全限位开关，如机床的终点行程开关，采用两个开关，实现对滑台的位置检测，两个限位开关只要有一个发出信号，说明滑台已到终点，便停止前进，防止了机床撞车事故发生。
2）软件故障检测设计在采用硬件设计的基础上，采用软件检测外部行程开关状态，当行程开关失灵后，通过程序控制停止机床的运行，有效地减少了机床因元件失灵造成的事故。
3）电源抗干扰技术为了防止来自电源线的干扰，电源线使用双绞线，每根导线截面应在1.25mm2以上，电源通过1∶1的隔离变压器供给PLC，降低电噪声；为了防止电压过高损坏PLC，电源输入端加上压敏电阻。
4）输出回路的抗干扰保护PLC输出回路的电磁阀为感性负载，且为直流供电，为了防止感性元件突然断开而造成的电磁干扰，设有二极管泻流回路，也可以用阻容吸收或压敏电阻回路。在每个输出回路采用了熔断器保护措施，防止电磁铁过载损坏控制器输出元件。
5）输入线路的抗干扰PLC输入线路与动力线路不能位于同一线槽或电线管内，三相动力线路束在一起走线，并且使两部分线路尽可能相互垂直走线，输入线也可以采用屏蔽线，以防动力线路干扰输入线路。
6）防止过热 PLC不许安装在变压器等发热元件的正上方，在元件间留有适当的空隙，以便散热，并且在配电箱上安装风扇降温。
随着计算机控制技术的迅速发展，以微处理器为核心的可编程序控制器（PLC）控制已逐步取代继电器控制，普遍应于各行各业的自动控制领域，火为发电行业也不例外。我厂为湖北化肥厂自备电厂，其输煤控制系统即为PLC控制，整个控制系统自动化程度高，方便维护运行可靠等特点。
1、系统流程
湖北化肥厂动力分厂输煤系统共有七条皮带输送机将燃料煤从
库输送到煤仓，处理后送入炉膛燃烧。整个系统还配有除尘、除铁等子系统。其中2#、3#、4#、5#均为双皮带输送机互为备用，2#、3#、4#、7#皮带为气垫式输送机，配有风机和气压检测。其余为托辊式输送机。设计可有十条输煤线路供选择。其中八条线路将原煤从煤库或火车上送到煤仓。二条线路将原煤从火车上送到煤库。在整个系统中当有一条线路被选中后，其余线路均被禁止。
2、系统的组成
湖北化肥厂动力分厂输煤系统自动化控制组成如下图所示。
整个控制系统由数据采集、自动控制、继电器输出、人机界面等几个部分组成。其中数据输入与输出均为数字量。输入的数据量主要有：所有除铁器、除尘器的运行信号。所有犁式卸煤器、电动三通阀的位置信号。叶轮给煤机、振动给煤机、振动筛、破碎机的运行信号。1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#皮带的运行、跑偏、断带打滑、拉绳、堵料、联锁等信号。2#、3#、4#、7#皮带的气压信号与风机运行信号。
数据输出也是数字量，主要有所有皮带电机的启动信号，叶轮给煤机、振动给煤机、振动筛、破碎机电机的启动信号。气垫式皮带风机的启动信号。
本系统采用日本欧姆龙公司生产的C200HE型PLC为主机，该PLC采用模块化设计，由一个CPU模块、两个电源模块、十五个ID212数字输入模块、三个OC225数字输出模块共同组装在一个主机架与一个扩展机架上。每个输入输出模块均为十六点。按10%余量设计共有288点。通过上位机RS232接口进行通讯。在上位机上实现所有设备的状态监视与故障查找。
系统工艺流程简图如下：
系统的控制过程如下：在控制台上由路线选择开关选定输煤路线。本系统共有十条路线可供选择。其中两条路线由叶轮给煤机1#皮带 2#（A或B）皮带 电动三通阀 6#皮带 煤库。四条路线为叶轮给煤机 1#皮带 2#（A或B）皮带 电动三通阀3#（A或B）皮带 振动筛 破碎机 4#（A或B）皮带 电动三通阀 5#（A或B）皮带 犁式卸料器 煤仓。四条路线为振动给料机犁式卸料器 3#（A或B）皮带 振动筛 破碎机 4#（A或B）皮带 电动三通 5#（A或B）皮带 犁式卸料器煤仓。当选定输煤路线后，PLC自动检测该线路所有皮带的的跑偏、断带打滑、拉绳、堵料、联锁等信号以及该线路的除尘、除铁等子系统是否处于于正常位置。如有一个条件不满足，则整个系统不能运行。当条件满足后，按系统启动按钮，系统启动，报警180秒，皮带现场电铃发出报警，告知皮带将要运行。怎个系统各设备逆物料输送路线依次延时60秒启动。当在启动过程中某台设备不能启动时，所有已启动的设备均立即停止运行。PLC发出报警。待故障排除后再启动。
下面以从1#皮带输煤到煤仓为例说明故障时PLC控制过程。当系统在正常输煤过程中如3#皮带发生故障，其跑偏、断带打滑、拉绳、堵料、气压等信号有一个不正常时，PLC发出一个报警指令，控制室报警铃响。此时PLC内程序发出指令，将1#、2#、3#皮带输送机立即停止运行。4#皮带输送在运行120秒后停止运行，5#皮带输送机在运行240秒后停止运行，振动筛、破碎机在系统所有设备停运后后停运。除尘、除铁系统在振动筛、破碎机停运后全部停运。同理其它设备发生故障，为防止堵料其停运过程相似。
本系统通过上位机RS232接口与PLC连接，在上位机上对整个系统进行的运行状况实施监视，上位机上可显示主画面、、第二、第三分画面。可对系统中每一台设备的运行、故障等进行监施。当某台设备发生故障时，其故障范围、动作原因均可在上位机上查找。极大地方便了维修。
目前，实现对机动车排放污染进行有效控制已成为我国环境保护一项刻不容缓的任务，需要在生产中对汽车尾气污染物进行检测。本文就一种符合EU-2标准，基于嵌入式bbbbbbsCE操作系统和组态王6.0组态软件的集工况模拟、样气采集、样气分析于一体的汽车尾气污染物智能检测系统进行介绍。
一、系统综述
整个系统由中央控制单元、底盘测功机、尾气取样单元、分析仪器单元以及相关辅助设备组成。底盘测功机模拟汽车的工况，尾气取样系统对样气进行jingque的定量采集，后由分析仪器单元对样气中的污染物浓度加以定量检测，中央控制单元实现对整个系统的自动控制。其中中央控制单元采用嵌入式系统作为核心控制单元，系统操作站为运行bbbbbbsCE嵌入式操作系统和组态王6.0嵌入版组态软件的工控机，负责发布命令给作为现场控制及命令执行元件的PLC。工控机与远程上位PC之间采用TCP／IP协议进行通讯。
精简的bbbbbbsCE嵌入式操作系统使运行于该操作系统上的嵌入版组态王6.0组态软件的执行效率很高，完全可以满足设备现场运行的需要。
（一）工作原理
系统总体示意图如图1所示。打开引擎的汽车在底盘测功机上模拟各种行驶工况，其尾气排放的污染物在鼓风机作用下经环境空气滤清器后进入尾气取样系统采样器，进行定容稀释取样（CVS）。分析仪器分别从背景气袋中、稀释排气气袋取样气进行分析，测量得出污染物的体积浓度。汽车尾气中污染物的排放值由以下公式进行计算：
mi=1/S*V*di*ci/106 （i forHC、NOx、CO）
式中：mi一排出的污染物的质量；S一行使距离；V一温度为273K，大气压力为101.33KPa的基准条件下稀释排气总容积，单位：m3；di—各种污染物在温度273K，大气压力101.33KPa时的密度；dco=1.25kg／m3；dHC=0.619kg／m3；dNO2=2.05kg／m3（排气中NOx的浓度用NO2当量表示）；ci—稀释排气中污染物的容积浓度，10-6。
（二）控制系统的工作过程
工控机通过CVS系统和分析单元的传感器获取测量数据，通过数据采集模块转换为符合RS-485规范的数字信号，传送给触摸屏，触摸屏将测量数据通过TCP／IP协议传送给PC机（上位机），完成数据处理工作。触摸屏根据采集信号的数值判断目前的工作状态，将控制指令发送给分析单元和CVS系统的PLC。分析单元的PLC主要完成对分析仪器进行一系列气路切换、量程转换的操作，CVS系统PLC主要对CVS进行流程控制，实现自动清洗、采样等一系列功能。控制指令经PLC处理后，转换为直接的继电器开闭信号，实现打开和关闭CVS系统电磁阀、取样泵的任务。配电箱还为风机提供了380V动力电的开关，可手动控制风机的启动与停止。控制系统结构框图如图2所示。
二、系统硬件组成
为了确保系统的准确性和可靠性，本文选用了工控领域中稳定可靠的bbbbbbsCE嵌入式操作系统作为工控机的控制核心。数据采集模块、PLC、继电器等元件性能稳定，采集和控制精度高，响应速度快。
（一）工控机
作为操作站的工控机基于嵌入式操作系统bbbbbbsCE和嵌入式组态软件组态王6.0（128点）开发的客户端应用程序。bbbbbbsCE嵌入式系统的优越性在于其设备管理简单高效，支持不同类别的设备，支持即插即用的管理模式和设备节能控制；处理系统的输入输出具有实时响应能力。
nbsp;组态王嵌入版6.0提供了基于嵌入式操作系统的开发平台，由于组态王嵌入版6．0的稳定性较高，占用系统资源较小，组态软件本身提供大量通用设备的驱动程序，开发周期短，故选用组态王嵌入版6.0作为开发工具。
硬件选用的是ADVANTECH-研华TPC064触摸屏（嵌入式一体化工控机），其主要系统参数如下：
液晶显示器尺寸：5.7"TFT；CPU主频：ARM9266MHz；内存：64M；CF卡：64M。触摸屏对外数据传输接口主要有四个RS232接口、两个RS485接口、一个USB接口，1个10／100M网络接口。采用工控机的方式，可多串口输入，处理速度快、效率高，触摸屏有良好的人机对话界面，操作简便、直观，满足了检测设备实时操作和实时显示的功能。
（二）PLC
本文选用SIMATICS7-200系列PLC，主模块与工控机通过RS-232串口通讯，用step7-Microwin实现软件编程。PLC作为一种专门用于工业生产过程控制的现场设备，具有可靠性高、适应性强、通讯和编程方便、结构模块化的特点。
PLC执行操作站发出的指令并进行报警处理等简单的运算。整个系统中PLC控制的硬件开关量共有24个，其中分析仪器单元有5个三通电磁阀和一个取样泵，CVS单元有7个两通电磁阀、8个三通电磁阀和三个泵。
（三）传感器与数据采集模块
系统中分析仪器单元测量浓度值经后面板的输出端子以模拟量输出，CVS单元的liuliang计量单元测量数据由传感器以模拟量输出，具体的传感器包括：
标准长径喷嘴liuliang计：BYW-S-80，4m3／min～8 m3／min，喷管直径80mm，用于主流道恒定liuliang测量；
数字压力变送器：BYD-8，标准长径喷嘴liuliang计前端压力测量，输出信号4mA～20mA DC，24V；
电容式压差变送器：1151DP3E22M183，标准长径喷嘴liuliang计前端、后端压力差测量，输出信号4-20mADC，24V；
防爆型数字温度变送器：BWD-8，标准长径喷嘴liuliang计后端温度测量，输出信号4mA ～20mA DC，24V，量程0～50℃；
压力变送器：CS20FUCIIIERC3Lm（3）A，用于控制样气取样袋压力并保护之，输出信号4mA ～20mA DC，供电范围15 V ～28VDC。
数据采集模块：研华16通道A／DPCL-818数据采集卡。
（四）通讯模块
系统通讯方式分为两种：串口通讯和TCP／IP协议通讯。PLC和数据采集模块与工控机之间为串口通讯；工控机与PC机之间采用TCP／IP协议进行通讯。硬件参数如下：工控机网卡：1个10／100M网络接口；PC机网卡-TP-bbbb，100M。
三、系统软件设计
本嵌入式控制系统的编程分为两部分，一是PLC软件编程，实现对工作单元的现场控制；二是操作站触摸屏的编程，触摸屏根据传感器获取的测量数据判断目前的工作状态，将控制指令发送给各单元的PLC，生成交互式的人机对话界面。
1．控制流程描述
分析仪器单元的PLC负责气路和量程切换的操作，CVS单元的PLC主要对CVS系统进行流程控制，
实现自动清洗、自动采样等一系列功能控制。以CVS系统为例，PLC控制CVS单元排气过程，将气囊中的废气排空；控制清洗过程，进行管路清洗；后控制自动采样，将背景气体和稀释气体分别抽到两个气囊，为分析仪器的气体分析做好准备。上述过程主要包含对泵、阀开关和定时延时的控制。控制过程如图3所示。
2．控制程序
整个控制程序我们采用程序代码编程，它较之梯形图、功能模块灵活、方便，结构紧凑。主程序模块为：
（二）触摸屏控制程序设计
系统中操作站我们采用触摸屏实现交互式人机对话。包括5个主要界面：系统主界面、CVS界面、分析仪器界面、报表和历史数据查询打印界面、手动界面。设计以按钮形式简便、直观地来控制PLC运行，有显示操作状态和数据、故障报警以及报表查询等功能。
四、结束语
整个系统完全满足汽车生产厂家现场监测汽车尾气污染物含量的要求。通过简单直观的人机对话界面实现复杂的操作，克服以往监测系统可靠性低、故障率高、操作复效率低等缺点，从而有效地tigao了我国汽车生产厂家生产管理水平。