6ES7235-0KD22-0XA8详细解读
摇臂钻床适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机床。由于其原有控制系统采用继电器——接触器控制方式，电路接线复杂，触点多。经过长期使用后，各个地方的接线老化，造成故障率高，故障排查困难，常常影响企业的正常生产。由于PLC具有可靠性高，环境适应性强，使用方便，维护简单等优点。利用PLC对摇臂钻床的继电器控制电路进行改造，有助于提高设备的可靠性、使用率。
1 Z3040X16型摇臂钻床的电气控制
（1）采用3台电机进行拖动，主电机M1（4.0kW），摇臂松夹电机（2.2kW），摇臂上下电机（2.2 kW），3台电机均是小功率电机，均采用直接启动控制。
（2）控制电路中设有主电机启动/停止，此控制未进入PLC，直接采用的启动和停止按钮进行控制的，由于此电路中未有任何连锁控制，无需进入PLC中进行控制，既节约了I/O点，又减少了故障排查点。
（3）摇臂升/降动作按照“摇臂松开—升/降—摇臂夹紧”顺序进行，由摇臂松开行程开关SQ2与夹紧行程开关SQ3来控制。在摇臂夹紧前，由时间继电器KT1延时1～3s后再夹紧。
（4）立柱和主轴箱的放松、夹紧可以单独操作，也可以进行，由转换开关SA、松开按钮SB5和夹紧按钮SB6来控制。利用时间继电器KT2的断电延时断开触点、KT3的通电延时闭合触点，实现电磁铁YA1、YA2相对于液压泵电机接触器提前吸合、延时断开的控制。
（5）主电机M1和液压泵电机M3分别设有热继电器FR1、FR2作长期过载保护。
2 PLC选择
2.1 确定I/O点数
在改造中尽可能保留系统原有的控制功能，以便能达到摇臂钻好的工作效果，发挥其大的工作效率，根据原有的控制电路来计算I/O点数。其中：按钮6个（考虑节约点数，有两个未进入PLC），行程开关4个，即实际输入点数为8个；接触器5个（考虑节约点数，有一个未进入PLC），中间继电器1个，即实际输出点数为5个。
2.2选择PLC机型
根据确定的I/O点数，选择德国西门子公司生产的S7-200系列产品。此PLC的型号为CPU222——6ES7212-1BB23-0XB0，输入点数为8个，输出点数为6个，继电器输出，使用电源为85至264VAC（47至63Hz）。
3 I/O地址分配及接线图
I/O分配表见表一。
表一 I/O分配表
根据表一设计I/O接线图，如图1。其中接触器和中间继电器的电压等级都进行了调整，都更换了新的电气元件，电压等级均为AC220V，电压等级统一，便于日常维护。
图1 I/O接线图
MZ2015自动磨床是轴承行业广泛使用的加工设备，用于轴承套圈内圆磨削，由于该机床的早期电气系统采用的是继电器─接触器控制和由二极管组成的矩阵顺序控制线路，电气元件较多，且可靠性差，电气故障频繁。故采用FXon-60MRPLC对其控制系统进行了改造。
1、系统的硬件设计
任何一种继电器系统都有三个部分组成，即输入部分，逻辑部分和输出部分。系统输入部分由所有行程开关、仪表触点、方式选择开关、控制按钮等组成。逻辑部分是指由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路，输出部分包括电磁阀线圈，指示灯和接通各种负载的接触器线圈。在控制系统中使用PLC就是代替继电器控制系统中的逻辑线路部分。原MZ2015磨床的电气系统，所有行程开关(SQ1～SQ17),选择开关(SA3),仪表触点(KA1～KA4),控制按钮(SB2,SB5)等为系统的输入信号；而电磁阀线圈(YV1～YV13),指示灯，充磁信号等为系统的输出信号。系统的硬件构成如图1所示，为了节省输出点数，各电磁阀的状态指示灯并联在其线圈两端；系统的调整操作采用由PLC的Y1和Y2输出调整信号在外部经相应开关控制。为了保护PLC输出继电器，在电磁阀两端各并联一只二极管，防止在电感性负载断开时产生很高的感应电动势或浪涌电流对PLC输出点及内部电源的冲击，二极管的额定电流通常选为1A，额定电压大于电源电压的3倍。
图1 PLC外部接线图
2、软件设计
（1） 程序结构
原机床包括自动、半自动、调整和长期修整4种工作方式，由转换开关选择。用PLC改造后,此部分的接线要重新安排，可选用转换开关的两组触点SA3－1和SA3－2(对应PLC输入端子X20和X21)，使其分别在4种工作情况下，满足表1所示的通断状态。
表1 开关方式状态
表1中“0”表示断开，“1”表示接通。如用二进制表示X20 和X21的状态，即为00，01，10和11四种。如图2示，自动方式时驱动M10，半自动时驱动M11，调整时驱动M12，长修时驱动M13。这样可安排出图3的程序结构图。
图2 工作方式梯形图
图3 程序结构图
（2） 矩阵电路的编程处理
图4 二极管顺序控制原理示意图及对应梯形图
矩阵二极管顺序控制电路是原床电气系统中的重要组成部分，PLC梯形图的转换原理，如图4示。其动作如下：
a. SA1合上，SA2打开，KA5线圈通电吸合并自锁，此时KA5线圈及R上的电压基本相等，约为12V，KA6线圈被短路脱吸。
b. SA1打开，SA2合上，KA5线圈被短路，KA5脱吸，KA6线圈通电吸上并自锁。
c. SA1、SA2合上，由于KA5、KA6线圈被短路，V1也处于上述导通状态，但KA5、KA6总是处于脱吸状态。
根据上述要求可得出SA1、SA2与KA5、KA6的逻辑关系,如表2所示。从表2可看出，SA1是KA5的置位端，KA6的复位端；SA2是KA6的置位端，KA5的复位端。这种状态可由PLC内部的置位、复位指令来实现，其梯形图如图4示，图中M21相当于KA5，M22相当于KA6。
表2 顺序逻辑控制
（3） 编程调试
由于用PLC改造原机床电气系统是以不改变原控制功能为前提，此时可对原线路进行分块处理，对于MZ2015磨床，可分成输出处理程序，输入处理程序和顺序控制逻辑程序，这种处理对于程序调试和设备维修都有很大的方便，根据手动、长修、自动和半自动四种工作方式分别进行模拟运行。用开关模拟输入信号，开关的一端接入相对应的输入端点，另一端作为公共端接在PLC输入信号电源的负端。输入程序后，对照输入信号状态表，设置好原始状态情况下所有输入信号的状态；再按工步状态，扳动开关，观察输出端点指示灯在一个工作循环里的状态变化，并与工艺过程对照。由于程序较长，这里仅给出输出部分及二极管顺控电路所对应的梯形图，如图4、5示。
图5 输出部分梯形图
3、结束语
用可编程控制器改造旧机床电气系统，在现有企业里是非常现实的技术改造方案，具有投资省、见效快的特点。通过使用PLC改造该机床电气系统后，去掉了原机床的13只中间继电器，5只时间继电器，80只顺序控制二极管及20只电阻，使线路简化。由于PLC的高可靠性，输入输出部分还有信号指示，不仅使电气故障次数大大减少，还给准确判断电器故障的发生部位提供了很大的方便。
将高压四象限运行、矢量控制、能量反馈型变频技术、PLC提升机电控技术应用在井下斜井提升机上，并满足《煤矿安全规程》及《矿用一般型电气设备》的要求，使设备达到各项安全保护标准，稳定运行，是矿井井下斜井提升机安全、可靠、高效提升的有效途径。
领取高压变频器矿用一般型KY认证时，从国家煤炭防爆安全产品质量监督检验中心获悉，国内外至今没有应用于我国煤矿井下提升机的高压提升机变频器，合康亿盛在这个领域是开拓者。
拆分的变频器在井下重新安装
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2、技术比较
a、交流调速系统转子串电阻调速方式
交流电机因为其结构简单、体积小、重量轻、寿命长、故障率低、维修方便、价格便宜等诸多优点得以广泛应用，但交流单机、双机拖动的提升系统以前采用绕线电机转子串电阻的调速方式，现已基本淘汰完，此调速方式存在的问题如下：
(1)提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能差，经常造成停车位置不准；
(2)提升机频繁的起动、调速和制动，在转子外电路所串电阻上产生相当大的功耗；
(3)电阻分级切换，实现有级调速，设备运行不平稳，引起电气及机械冲击；
(4)再生发电时，机械能回馈电网，造成电网功率因数低。尤其在供电馈线较长的应用场合，会加大变压器、供电线路等方面的投资；
(5)低速时机械特性较软，静差率较大；
(6)起动过程和调速换挡过程中电流冲击大，制动不安全不可靠，对再生能量处理不力，斜井提升机运行中调速不连续，容易掉道，故障率高；
(7)中高速运行震动大，安全性较差；
(8)接触器频繁投切，电弧烧伤触点，影响接触器的寿命，设备维修成本较高；
(9)绕线电动机滑环存在的接触不良问题，容易引起设备型事故；
(10)设备体积大，发热严重使工作环境恶化(甚至使环境温度高达60℃以上)；
(11)设备维护工作量大、维护费用高，故障率高。矿用生产是24h连续作业，短时间的停机维修也会给生产带来很大损失。
b、高压变频调速方案
为克服传统交流绕线式电机串电阻调速系统的缺点，采用高压变频调速技术改造提升机。
改造方案：根据现场工况，将老电控及电阻调速装置全部拆除，更换新的电控系统，增加一套高压变频器。变频器与PLC电控硬连接方案。
变频器和PLC电控采用硬连接：电控把开关量正向起停、反向起停、紧急停机、模拟量频率给定送给变频器，可以控制变频器运行；变频器把开关量运行、故障、就绪、模拟量输出电流、输出频率给电控系统，即可以正常工作。配合如下图所示。
变频器与PLC电控硬连接
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3、技术改造总目标：
(1)提高主井提升机的效率，实现节电的目的技术改造完成后，将现有的转子串电阻的转差功率消型调速方式改为变频变压的转差功率不变型调速方式。在正常工况下，现有的大功率调速电阻群将不再使用，实现节电的目的。
(2)提高系统的运用可靠性、安全性技术改造完成后，由于在正常工况下不再使用大功率调速电阻群，切换电阻用的接触器将不再工作，较大幅度地减少电气和机械故障对生产的影响。
由于电压和频率均连续可调，电动机的起动电流可得到有效控制，转矩冲击将不再存在，这将明显地减少当前的有级调速系统容易出现的齿轮箱和钢丝绳等设备的机械故障。
(3)提升系统改造后单次提升循环时间小于现有单次提升循环时间。
(4)重斗上行时，电机的电磁转矩必须克服负载阻转矩，起动时还要克服一定的静摩擦力矩，电机处于电动工作状态，且工作于象限。在重斗减速时，重车在斜井面上有一向下的分力，但重车的减速时间较短，电机仍会处于再生状态，工作于第二象限。当另一列重车上行时，电机处于反向电动状态，工作在第三象限和第四象限。用能耗制动方式将消耗重力势能；用回馈制动方式，可节省这部分电能。在用变频器驱动时需将原转子串电阻部分全部短接。提升机在运行过程中，井下和井口必须用信号进行联络，信号未经确认，提升机不能运行。为安全性考虑，液压机械制动需要保留，并在运行过程中实现液压机械制动和变频器的制动无缝结合。还使用高精度测速编码器(每转1000脉冲)进行运行时机斗的位置及速度闭环反馈，保障运行安全。提升机传统的操作方式为，操作工人坐在煤矿井口操作台前，手握操纵杆控制电机正、反转多档调速。为适应操作工人这种操作方式，变频器可采用角编码器与手握操纵杆相连，即手握操纵杆的角位移对应角编码器的速度给定，可实现电机0到大速度无级调速给定。当然变频器还可实现按钮启动和自动提升。
4、变频调速提升系统的优点
(1)提升机系统安全得以提高，操纵更加容易系统能自动高精度地按设计的提升速度图控制提升速度，极大地降低了提升机的操纵难度；减速时电力制动自动减速，提升机司机无需再用施闸手段控制提升机减速，避免了超速、过卷的发生，杜绝了人工操作失误。
(2)提升系统电能消耗明显下降每年可节约电能消耗约20％一50％。变频调速时转子电阻被短接，加、减速阶段消耗在电阻上的大量电能被节约。
(3)功率因数显著增加功率因数将从转子串电阻调速的0．8左右提高到0．96以上，大大提高了设备对电网容量资源的利用率，减少了因无功电流引起的线路损耗。
(4)生产效率提高能可靠的按系统设计的短时间加、减速，显著缩短了一次提升时间，提高了生产效率。彻底解决了传统系统中用制动闸施闸或电机断电自然减速来操控低速运行时速度波动大、难于控制又不安全的难题。
(5)电机发热大幅减轻与转子串电阻调速相比电机定子温度平均下降了10℃左右，转子温度平均下降了20℃左右，使电机运行的故障率大幅度减少。
(6)系统维修量大幅度减少由于实现了提升全过程的电力牵引与电力制动，机械闸只有在停车和安全回路保护动作时才起作用，闸瓦的磨耗大幅度减少。由于变频运行机械特性很硬，不易发生钢绳打滑，这将明显减少钢绳和钢绳衬垫磨损。由于电压和频率均连续可调，电动机的起动电流可得到有效控制，转矩冲击不再存在，明显地减少转子电阻有级变速出现的齿轮箱和钢丝绳等设备的机械故障，减少了设备的维修量和维修费用。
5结束语
变频改造后，调速平稳，高效安全，提升机绝大部分时间都处在电动状态，节能十分显著，经测算节能30％以上，节电经济效益巨大。变频调速无疑是提升机调速方式。