西门子6ES7253-1AA22-0XA0一级代理

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1 引言

数控机床是典型的机电一体化系统。PLC工程现场界面涉及光、机、电、气、液等复杂的输入输出信令，加之PLC对于信号的逻辑处理具有的抽象运算特征，使得工业现场故障处理工作通常是相当的复杂困难，PLC机电系统现场故障往往使得缺少工程经验的设备管理者们束手无策，较长时间的故障处理处理可以大幅度降低产能，严重影响生产。本文以就事论事的方式平铺直叙具体的机电工程现场故障处理案例，保留住故障处理经验中珍贵的分析判断过程。

2 数控机床故障诊断案例

2.1 甄别PLC内外部故障实例

配备820数控系统的某加工中心，产生7035号报警，查阅报警信息为工作台分度盘不回落。在SINUMERIK810／820S数控系统中，7字头报警为PLC操作信息或机床厂设定的报警，指示CNC系统外的机床侧状态不正常。处理方法是，针对故障的信息，调出PLC输入/输出状态与拷贝清单对照。
工作台分度盘的回落是由工作台下面的接近开关SQ25、SQ28来检测的，其中SQ28检测工作台分度盘旋转到位，对应PLC输入接口110.6，SQ25检测工作台分度盘回落到位，对应PLC输入接口110.0。工作台分度盘的回落是由输出接口Q4.7通过继电器KA32驱动电磁阀YV06动作来完成。

从PLCSTATUS中观察，110.6为“1”，表明工作台分度盘旋转到位，I10.0为“0”,表明工作台分度盘未回落，再观察Q4.7为“0”，KA32继电器不得电，YV06电磁阀不动作，工作台分度盘不回落产生报警。

处理方法：手动YV06电磁阀，观察工作台分度盘是否回落，以区别故障在输出回路还是在PLC内部。

2.2 诊断接近开关故障实例

某立式加工中心自动换刀故障。

故障现象：换刀臂平移到位时，无拔刀动作。

ATC动作的起始状态是：（1）主轴保持要交换的旧刀具。（2）换刀臂在B位置。（3）换刀臂在上部位置。（4）刀库已将要交换的新刀具定位。

自动换刀的顺序为：换刀臂左移（B→A）→换刀臂下降（从刀库拔刀）→换刀臂右移（A→B）→换刀臂上升→换刀臂右移（B→C，抓住主轴中刀具）→主轴液压缸下降（松刀）→换刀臂下降（从主轴拔刀）→换刀臂旋转180°（两刀具交换位置）→换刀臂上升（装刀）→主轴液压缸上升（抓刀）→换刀臂左移（C→B）→刀库转动（找出旧刀具位置）→换刀臂左移（B→A，返回旧刀具给刀库）→换刀臂右移（A→B）→刀库转动（找下把刀具）。换刀臂平移至C位置时，无拔刀动作，分析原因，有几种可能：

（1）SQ2无信号，使松刀电磁阀YV2未激磁，主轴仍处抓刀状态，换刀臂不能下移。
（2）松刀接近开关SQ4无信号，则换刀臂升降电磁阀YV1状态不变，换刀臂不下降。
（3）电磁阀有故障，给予信号也不能动作。

逐步检查，发现SQ4未发信号，对SQ4检查，发现感应间隙过大，导致接近开关无信号输出，产生动作障碍。

2.3 诊断压力开关故障实例

配备FANUC 0T系统的某数控车床。

故障现象：当脚踏尾座开关使套筒顶紧工件时，系统产生报紧。

在系统诊断状态下，调出PLC输入信号，发现脚踏向前开关输入X04.2为“1”，尾座套筒转换开关输入X17.3为“l”，润滑油供给正常使液位开关输入X17.6为“1̶1;。调出PLC输出信号，当脚踏向前开关时，输出Y49.0为“1”，电磁阀YV4.1也得电，这说明系统PLC输入/输出状态均正常，分析尾座套筒液压系统。

当电磁阀YV4.1通电后，液压油经溢流阀、流量控制阀和单向阀进入尾座套筒液压缸，使其向前顶紧工件。松开脚踏开关后，电磁换向阀处于中间位置，油路停止供油，由于单向阀的作用，尾座套筒向前时的油压得到保持，该油压使压力继电器常开触点接通，在系统PLC输入信号中X00.2为“l”。但检查系统PLC输入信号X00.2则为“0”，说明压力继电器有问题，其触点开关损坏。

故障原因：因压力继电器SP4.1触点开关损坏，油压信号无法接通，从而造成PLC输入信号为“0”，故系统认为尾座套筒未顶紧而产生报警。

解决方法：更换新的压力继电器，调整触点压力，使其在向前脚踏开关动作后接通并保持到压力取消，故障排除。

2.4 诊断中间继电器故障实例
某数控机床出现防护门关不上，自动加工不能进行的故障，无故障显示。该防护门是由气缸来完成开关的，关闭防护门是由PLC输出Q2.0控制电磁阀YV2.0来实现。检查Q2.0的状态，其状态为“1”，但电磁阀YV2.0却没有得电，由于PLC输出Q2.0是通过中间继电器KA2.0来控制电磁阀YV2.0的，检查发现，中间继电器损坏引起故障，更换继电器，故障被排除。

一种简单实用的方法，就是将数控机床的输入/输出状态列表，通过比较通常状态和故障状态，就能迅速诊断出故障的部位。

2.5 根据梯形图逻辑诊断DI点故障实例

配备SINUMERIK810数控系统的加工中心，出现分度工作台不分度的故障且无故障报警。根据工作原理，分度时将分度的齿条与齿轮啮合，这个动作是靠液压装置来完成的，由PLC输出Q1.4控制电磁阀YVl4来执行，PLC梯形图如下图所示。

通过数控系统的DIAGNOSIS能中的“STATUSPLC”软键，实时查看Q1.4的状态，发现其状态为“0”，由PLC梯形图查看F123.0也为“0”，按梯形图逐个检查，发现F105.2为“0”导致F123.0也为“0”，根据梯形图，查看STATUSPLC中的输入信号，发现I10.2为“0”，从而导致F105.2为“0”。I9.3、I9.4、I10.2和I10.3为四个接近开关的检测信号，以检测齿条和齿轮是否啮合。分度时，这四个接近开关都应有信号，即I9.3、I9.4、I10.2和I10.3应闭合，现I10.2未闭合，处理方法：（1）检查机械传动部分。（2）检查接近开关是否损坏。

2.6 根据梯形图逻辑诊断DO点故障实例

配备SINUMERIK 810数控系统的双工位、双主轴数控机床。

故障现象：机床在AUTOMATIC方式下运行，工件在一工位加工完，一工位主轴还没有退到位且旋转工作台正要旋转时，二工位主轴停转，自动循环中断，并出现报警且报警内容表示二工位主轴速度不正常。

两个主轴分别由B1、B2两个传感器来检测转速，通过对主轴传动系统的检查，没发现问题。用机外编程器观察梯形图的状态。
F112.0为二工位主轴起动标志位，F111.7为二工位主轴起动条件，Q32.0为二工位主轴起动输出，I21.1为二工位主轴刀具卡紧检测输入，F115.1为二工位刀具卡紧标志位。

在编程器上观察梯形图的状态，出现故障时，F112.0和Q32.0状态都为“0”，主轴停转，而F112.0为“0”是由于Bl、B2检测主轴速度不正常所致。动态观察Q32.0的变化，发现故障没有出现时，F112.0和F111.7都闭合，而当出现故障时，F111.7瞬间断开，之后又马上闭合，Q32.0随F111.7瞬间断开其状态变为“0”，在Flll.7闭合的F112.0的状态也变成了“0”，这样Q32.0的状态保持为“0”，主轴停转。Bl、B2由于Q32.0随F111.7瞬间断开测得速度不正常而使F112.0状态变为“0”。主轴起动的条件F111.7受多方面因素的制约，从梯形图上观察，发现F111.6的瞬间变“0”引起Flll.7的变化，向下检查梯形图PB8.3，发现刀具卡紧标志F115.1瞬间变“0”，促使Flll.6发生变化，继续跟踪梯形图PB13.7，观察发现，在出故障时，I21.1瞬间断开，使F115.1瞬间变“0”，后使主轴停转。I21.1是刀具液压卡紧压力检测开关信号，它的断开指示刀具卡紧力不够。由此诊断故障的根本原因是刀具液压卡紧力波动，调整液压使之正常，故障排除。

3 结束语

通过典型实例与故障现象对数控系统、立式加工中心自动换刀故障、配备FANUC 0T系统的某数控车床、配备SINUMERIK810数控系统的双工位、双主轴数控机床等运行中存在的问题加以分析，并作出相应的故障排除方法。

  引言
   变频调速技术是近十几年来迅速发展起来的比以往任何调速方法更加优越的新技术，因其具有节能效果明显、调速曲线平滑、调速过程简单、安全可靠、保护功能齐全、起动性能优越、自动化程度高等特点而受到越来越多的企业的青睐，被应用到工业生产控制过程中的任何场合，显著的节能效果给众多的企业带来了巨大的经济效益。特别是近几年来随着IGBT功率元件和DSP微处理系统在变频器中的应用，变频器本身已非常成熟，使得变频调速技术的优越性更加突出，传动效率越来越高，使用越来越方便，可靠性也得到了的提高。
现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程控制器(PLC)由于具有以下特点而深受工厂工程技术人员的欢迎。
(1) 可靠性高，抗干扰能力强
   其平均无故障时间大大超过IEC规定的10万小时，有些PLC还采用了冗余设计和差异设计，提高了其可靠性。
(2) 适应性强，应用灵活
    多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便。
(3) 编程方便，易于使用
    梯形图语言和顺控流程图语言(Sequential FunctionChart)使编程简单方便。
(4) 控制系统设计、安装、调试方便
    设计人员只要有PLC就可进行控制系统设计，并可在实验室进行模拟调试。
(5) 维修方便，工作量小
    PLC有完善的自诊断、历史资料存储及监视功能，工作人员可以方便的查出故障原因，迅速处理。
(6) 功能完善
   除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能块，还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，既方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。
由于具有以上特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂、有控制要求，就会有PLC的应用。

2  系统构成及控制方案
2.1 系统构成
   一拖二(一台变频器控制两台电机)变频恒压供水控制系统由变频器、信号采集及处理系统和控制系统3部分组成。
(1) 变频器
   此系统对变频器的要求不高，现有国内外各品牌变频器基本都能满足技术要求，在此我们以西门子MM430变频器为例。此变频器经过几番更新换代，质量更加可靠、性能更加稳定，与国外其他品牌相比性能价格比较高。只是此变频器多功能数字输入端子没有对两路模拟输入信号的切换功能，只能通过外部继电器切换。
(2) 信号采集及处理系统
   该系统主要由传感器及PID调节器等组成，对就地采集的信号进行处理和转换，为控制系统提供一个准确可利用的信号。
(3) 控制系统
   该控制系统由按钮、继电器、PLC等电子电气元件组成。该系统作为变频调速控制主体，可控制水泵的起停、加减速运转以及泵间的相互切换等。主要电气元件均采用西门子产品。SIMATICS7-200可编程序控制器是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用;大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动控制任务，各种单独的模块之间组合以用于扩展;简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活;方便用户和简易的无风扇设计;当控制任务增加时，可以自由扩展;大范围的集成功能使得它的功能非常强劲。多种的性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大，可随时使用附加模块对PLC进行扩展。考虑其性能和点数，系统选用西门子S7-224继电器输入输出型。 
 2.2 控制系统方案
   为了实现恒压力供水的目的，系统采用闭环控制，考虑系统的安全性，附加开环控制，作为备用。开环、闭环之间可以方便的进行转换。压力传感器进行实时检测，并将检测到的管道水压信号经过转换后传送给PID调节器，PID调节器将此信号与给定值进行比较后，经过一系列的运算将输出一个标准的控制信号给本系统的执行器－变频器，变频器根据调节器输出信号的变化来改变其输出频率，进而改变水泵电机的转速，以此来控制出水量的大小。由于变频器的输出频率在0~50Hz范围内连续可调，当用水量较小时，水泵维持低速运行，当用水量增大致使压力降低时，变频器输出频率会一直上升到50Hz时,当压力发生变化时，系统会自动调节出口水量，使压力始终在设定值附近波动並终达到设定值，从而实现了恒压力供水的目的。
(1) 系统功能
   可以根据需要，设定压力值，系统自动进行循环启动，实现恒压供水，系统的响应速度快，稳定性好;
   系统设有手动、自动控制模式:在手动方式下，由工人根据压力表显示的情况，进行手动启动，并且可以设定由工频启动还是变频启动;在自动方式下，完全根据压力设定值进行循环启停泵操作;
   可以在线切换手动、自动控制模式:当系统在自动方式下完全启动以后，可以不停机直接切换到手动状态下运行;
   每台泵都设有变频/工频两种状态，在自动运行模式下，任一台泵只有处于变频状态，才能由PLC控制进入循环软启序列;
   具有显示报警功能,系统设置有各种显示功能，可以显示电压、电流、压力、变频器输出频率、电机转速等参数，设置各种保护功能，如过流保护、过压保护、过载保护、欠压保护等。
(2) 工作原理
   在自动运行模式下，通过人为设定所需的压力，启动系统后，控制系统通过变频器启动一台处于变频状态的水泵电机。当电机达到满速以后，如果检测压力仍达不到设定要求，控制系统会自动地将该泵由变频切换到工频，由变频器自动启动一台处于变频状态的水泵电机。当检测到的压力值偏高且变频器运转在下限频率时，则台工频运行的水泵电机将自动停机;若再需加泵时，控制系统会自动将变频运行的水泵切换至工频运行，再变频启动一台处于变频状态的备用泵;以此顺序运行，直到出口压力达到设定的要求值。
   在手动运行模式下，由人工根据压力表显示的压力情况进行现场手动启动单台泵，并且可以设定是由工频启动还是由变频启动。对于变频运行泵，可以通过手调信号给定电位器来调节水泵电机转速的快慢。
   此系统优点是自动调节供水动力范围大，不用经常人工起停水泵，自动化程度高，减小了电机长期满负荷运转所造成的磨损，延长了设备的使用寿命。
(3) 控制系统原理图
   此系统中，PLC作为系统的控制核心，起着至关重要的作用。尤其变频自动加减泵的过程，关系到系统的安全和调节的平滑性，在编程的过程中应该注意。其原理图如图1所示。

图1    PLC控制系统原理图
   变频器及控制系统的其它电子电气元件作为本系统的执行机构，作为变频调速控制主体，可控制水泵的起停、加减速运转以及泵间的相互切换等。其原理图如图2所示。

图2     变频器切换控制原理图 

3  节能原理
   水泵为平方转矩负载，即水泵的负载转矩与转速的平方成正比，而轴功率和负载转矩与转速的乘积成正比，水泵的轴功率与电机转速的立方成正比。
   由此可知，当要求出水量减少时，可使电机转速降低，而电机转速微量减少，将使功率大幅下降，节能效果十分明显。本变频调速系统经过优化设计，精心的设备选型，合理的编程，配合正确的信号给定，使得电机始终处于佳运行状态，节能挖潜得到了大的发挥。

4  投资回报及效益分析
4.1 直接效益
   水泵恒压供水避免了开关阀门造成的节流损失和关闭阀门运行时电机所做的无用功，按每年运行300天阀门平均开度80%计算，22kW电机年节电量可做如下计算:
    W＝22×[1-(0.8)3]×24×300=7.79万kWh
    电费单价按0.40元/kWh计算,全年可节约电费
M=7.79×0.40=3.116万元
4.2 间接效益
    (1)水泵进行变频调速改造以后，由于系统采用软启动连续变速运行，减少了对水泵的磨损，大大延长了设备使用寿命和维修周期，减少了维修费用和由此带来的直接经济损失;
    (2)系统采取过流、过压、瞬时断电、短路、欠压、缺相等多种保护，避免了因电机烧损而影响生产所带来的直接和间接经济损失。

5  结束语
   用变频调速和PLC来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比较，节能效果十分显著。其优点是:起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击;由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命;可以消除起动和停机时的水锤效应;在锅炉和其他燃烧重油的场合，恒压供油可使油的燃烧更加充分，大大地减轻了对环境的污染。本系统经多年应用与完善，性能优越，安全方便，深得用户好评。

一、概述

空气干燥器是为工厂一些重要设备提供干燥空气的重要工艺设备，其工作的可靠性直接影响着整套装置的平稳运行。在我厂有两套空气干燥器，一套为继电器控制的老式干燥器控制系统。为日本七十年代的产品。因其运行时间已超过15年，许多元件及线路已经老化，部分重要元件已不生产，相匹配的元件很难找到，对今后的设备运行有很大的潜在隐患。另一套为单片机控制，运行一年以来已出现多次故障，因其技术保密，很难检查处理。根据以上情况，如采用PLC控制，可以避免以上的麻烦。

二、工艺过程

干燥器工艺流程图如：

1．  工艺步骤：（见下表）

2．工艺特殊要求：

（1）加热时温度≤180℃，并保持在160～180℃之间。

（2）能现场手动任意起停A塔或B塔。

（3）能在条件满足时自动启动A塔。

（4）运行时能向远端发送运行信号。

三、PLC控制系统的硬件组成及软件设计

1．系统的硬件组成

根据生产工艺过程和控制设备的输入，输出点数要求，控制系统采用日本OMRONC40P-CDE-AE型PLC（可直接控制三套）。系统接线图如下：

2．软件设计

为方便程序输入，调试及修改，PLC应用软件使用梯形图语言编辑。梯形图具有直观，简单的特点。为满足控制功能的要求及程序阅读的简单性，编辑中只应用了基本的编辑指令。

3．  技术环节

（1）定时器与计数器的配合使用：此型号PLC的定时器，高速定时器，计数器，和可逆计数器总共有48个，编号分别为00—47。它们在同一个范围内，如果一个号用做定时器，就不能再用做计数器了。TIM的度量单位是0.1秒，设置值为0-999.9秒，即100秒。CNT设置值为0000-9999。将一个TIM与一个CNT配合使用可达到0-277.8小时。如下图：

（2）温度自动控制功能：通过使用保持继电器HR及KEEP语句可实现温度在一定范围内的自动调节。如下图：

（3）抗干扰措施：C40P有LG，GR接地端子，将其接到小于100Ω的接地端子上，可以防止电磁噪音的干扰。

四、结论。

采用该PLC自控系统的设计：

1.可以减少备件数量且元件易买。

2.减少了日常维护量且故障点很容易判断分析出来。

3.PLC本身的故障率及低，基本不需考虑。

4.投资费用降低，一台C40P控制器可对三套干燥器进行集中控制，外围元件也大大减少。

该PLC自控系统不管是从硬件还是软件及主要技术环节的设计都是合理和先进的，并且开发时间短，性能价格比较高。自投用以来，该控制系统未发生一起故障，值得推广使用。