辽宁西门子一级代理

 介绍了三菱公司FX 系列PLC 在ZB28-6.3 滚丝机电气控制系统中的应用，并对其工作原理及特点进行了介绍。实践证明：该设计方案成本低，可靠性高，完全适用于现场加工的需要。

　　0 引言

　　目前，部分中小企业及高校仍广泛使用传统的继电器控制机床， 这些机床经历了比较长的历史，虽然能在一定范围内满足单机和自动化生产线的需要，但是由于它的电控系统是以继电器、接触器的硬连接为基础的，技术比较落后，特别是其触点的可靠性问题， 直接影响了产品质量和生产效率。而用PLC 对它进行技术改造， 便能取得很好的效果。本文就某厂的1 台ZB28-6.3 滚丝机技术改造为例，说明PLC 在其中的应用。

　　1 ZB28-6.3 滚丝机的工作过程

　　ZB28-6.3 滚丝机主要用于滚压各种外螺纹包括普通螺纹、梯形螺纹及模数螺纹，并可对工件进行矫直，液光液纹等成形滚压加工。主要由机身，变速箱固定主轴座、活动主轴座、进给机构、液压系统和电器部分等组成。

   ZB28-6.3 滚丝机的电气控制原理图。其中M1是主轴电动机，带动两主轴作同步、同方向回转， 右主轴在液压推动下作水平方向的进给运动，使两液丝轮液压工件，使之成为所要求的螺纹及其他形状;M2是冷却电动机， 带动冷却泵将冷却油喷洒在滚牙轮与工件之间， 进行冷却和润滑;M1是液压电动机，是本机的进给动力，它主要使活动主轴座作进给运动及退回运动，从而完成螺纹的滚压加工。

　　工作过程是这样的： 按主轴和冷却泵启动按钮，同时启动主轴油泵。然后才能启动液压电机进行进给，加工螺纹。进给的方式有手动循环操作、半自动循环液压操作和自动循环操作3 种。当手动循环操作时，按进给启动按钮，活动主轴进给，进行液压， 按进给退回按钮，活动主轴退回，完成一次滚丝加工;当半自动循环操作时，每次按下进给按钮一次，其循环一次。即按进给启动按钮-进给-液压-退回-停歇;当自动循环操作时，每次按下进给按钮一次，其不断循环。即按进给按钮-进给-液压-退回-停歇-循环往复，当需要停止液压进给时，按进给退回按钮即可。遇有紧急情况可接急停按钮进行紧急停车，进行较长时间停车，还需将断开总停按钮按下。另外，本机床还有急停控制、显示和照明控制。

　　2 系统结构要求

　　2.1 机型选择、I/O 地址分配

为实现上述ZB28-6.3 滚丝机的控制要求，系统共需要开关量输入点12 个，开关量输出点6 个，现选择三菱公司主机FX2n-48MR (24 点输入/24点继电器输出)型PLC。

　　2.2 硬件连接

针对工作现场环境差、温度高、噪声大等，PLC外部负载的供电应该有失压保护措施;PLC 外部负载的供电使用接触器和按钮来控制通断，当特殊情况下需要急停时，按下“急停”按钮就可以切断负载电源，提供了控制的安全性。

　　3 软件设计

    3.1 控制系统梯形图编制

　　根椐该机床的工作要求和I/O 地址编制, 设计梯形。

　　3.2 控制指令程序

　　4 结语

　　ZB28-6.3 滚丝机由于用PLC 取代了原来的继电器控制系统，使性能大为改善，使用可靠性和生产效率明显提高，并能很好地保证加工精度，自运行以来，系统运行稳定、可靠，完全满足生产工艺的要求。同时对其他同类设备的技术改造也有较大的参考价值。

详细地分析了往复式压缩机余隙自动调节系统的设计原理，以及气量调节系统的硬件结构形式和软件设计方式，通过选用SIMATIC S7-200 系列可编程控制器作为压缩机的压力、温度、流量等参数的系统控制装置，该控制系统装置通过调节CPU224 面板上的可调节模拟电位器，重新设定控制量的设定值等措施，实现了压缩机的气量调节和恒压控制的功能，其机构结构形式简单，运行稳定性高，减少了外围环境的干扰。

　　往复式压缩机是一种用来压缩气体提高气体压力或输送气体的通用机械，在国防、冶金、化工、炼油、机械等工业领域广泛应用。压缩机的额定排气量在设计时确定，然而化工、炼油生产过程中工艺流程的变化、原料种类的变更以及市场需求的变化都要求往复式压缩机的排气量能在较大的范围内进行无级调节。

　　PLC(可编程控制器)作为一种新型的工业控制装置，在科研、生产和社会生活的诸多领域得到广泛应用。传统的PID 控制器结构简单，具有一定的鲁棒性，实现容易，稳态误差小，控制精度高，能满足大部分工业控制的要求，但很多工业控制中不同程度地存在非线性、大滞后、参数时变性和模型不确定性，采用普通PID 控制器难以获得满意的控制效果。为解决压缩机余隙自动无级调节问题，选用西门子公司的S7-200 系列的PLC，只需设定好PID 参数，运行PID 控制指令，就能求得输出控制值，通过自带的CPU 芯片运算发出指令给控制系统进行实时控制，即可实现自动无级调节。

　　1 余隙调节系统的设计

　　在压缩机气缸上，除固定余隙容积外，另外设有一定的空腔，调节时接入气缸工作腔，使余隙容积增大，容积系数减小，排气量降低。设置好供气压力和需求气量后，压缩机可根据需要，通过动力系统及其控制系统调节余隙容积缸活塞在余隙容积缸内的位置，从而调节压缩机气缸的余隙容积，使得压缩机输出气量能在较大范围内进行无级调节。

　　采用的余隙自动无级调节装置原理，它由余隙容积缸、液压伺服缸、液压锁、方向控制阀、压力比较缸及位移传感器组成。压力比较缸两侧分别与气缸输气管道和标准压力管道相连，当气缸实际压力偏离给定运行压力时，方向控制阀将向液压伺服缸的相应侧供给压力油，使液压伺服缸活塞向相应的方向运动，驱动余隙容积缸的活塞移动，连续自动地调整压缩机余隙容积的大小。位移传感器的作用是测量余隙间隙的大小，液压锁的作用是当往复式压缩机在压缩行程时使液压伺服缸能承受较大的背压而使余隙容积缸的活塞固定不动。

　　2 控制系统

　　2.1 控制系统结构

　　在该系统中，控制系统根据耗气量和反馈信号(压力、温度、流量和位移量等)，采用PLC 控制液压系统和电磁阀的启闭。当压缩机排气压力超过许用压力上限值时，电磁阀开启，液体顶开进气阀装置，使压缩机空载运转;当排气压力降至许用压力下限值时，电磁关闭，压缩机恢复正常工作。

　　2.2 硬件选型

　　SIMATIC S7-200 系列可编程控制器是德国西门子(Siemens)公司生产的具有高性能价格比的微型可编程控制器。由于它具有结构小巧，运行速度高，价格低廉以及多功能多用途等特点，因此在工业企业中得到了广泛的应用。S7-200 CPU22X 系列中的CPU224 模块多可扩展7 个模块，而且具有32 位浮点运算指令和内置PID 调节运算指令等特殊功能，非常适合往复式气量调节系统。通过该CPU内部集成的PPI 接口为用户提供了强大的通信功能，PPI 通信协议是西门子专为S7-200 系列PLC开发的一个通信协议，可通过普通的两芯评比双绞电缆进行联网，S7-200 系列CPU 上集成的编程口同时也是PPI 通信联网接口，PPI 通信网络是一个令牌传递网，在不加中继器的情况下，多可以由31个S7-200 系列PLC、TD200、OP/TP 面板或者上位机(插MPI 卡)为站点，构成PPI 网。

　　在工作过程中，需要对压力、温度、排气量和位移量等模拟信号进行采集、输入与输出，可通过模拟量扩展模块EM231 和EM232 以及变送器转换成4～20 mA 的标准信号，再通过A/D 转换输入到扩展模块中进行各种处理。这样PLC 就可以完成参数设定、数据处理、回路控制、数据监测显示以及通信等功能。

　　2.3 程序控制方式

　　西门子工业控制组太软件WinCC 是为生产和过程自动化中解决可视化控制任务提供的人机界面工业技术中性系统，它提供了适用于工业控制过程的图形显示、消息、归纳以及报表的功能模块，高性能的过程耦合、快速的画面更新以及可靠的数据管理，具有高度的实用性，除了这些功能以外，WinCC 还提供了开发的界面，可以通过ODBC 和SQL 方式归档访问数据，以及通过OLE2.0 和ActiceX 控件的对象和稳当连接，使得将WinCC 集成进入复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能。

　　由于SIMATIC S7-200 系列PLC 中的CPU224模块提供了内置PID 运算指令，具有非常丰富的编译工具和强大的编辑功能，这样在进行程序设计时，只需设置参数后，填写一张PID 控制参数表即可，如表1 所示。

　  执行指令PID Table Loop，即可完成PID 运算。其中操作数Table 使用变量存储器VBx 来指明控制参数表的表头字节，操作数Loop 只可选择0～7 的整数，表示本次PID 闭环控制所针对的环路编号，多是8 路控制。由于S7-200 PLC 的SIMATIC指令集中不支持完全数据类型检查，因此编程时应注意操作数的数据类型和指令标识符相匹配。

　　当需要改变参数时，可重新设定控制量的设定值，通过CPU224 面板上编号分别为0 和1 可调节模拟电位器进行调节。在PLC 内部，可用特殊标志寄存器SMB28 和SMB29 来存储与当前调节量相对应的数字量。为实现供气压力的灵活设定，将模拟电位器作为压力设定输入量，在程序参数设定中可通过读取对应寄存器获取压力设定值，以此为基准与实测值相比较，然后进行恒压控制。

计算机不断地采集误差e(t)，通过A/D 转换器转换成数字量;然后，进行积分判别与PID 运算，判断结果是否溢出，若有溢出，则取大值或小值;后将控制量由转D/A 换器转换成模拟量，输出给被控对象。

    3 自动无级调节过程

　　在程序中设定好所需排气的温度、压力、流量值和位移量，在实际生产中可根据需要随时重新设定。在运行过程中实时采集相应数据信号，即实时通过传感器跟踪被采集参数，经过变送器传送，再经过A/D 转换器传送给PLC。生产过程中，根据需要每间隔一个周期时间，执行中断程序，通过PLC对输入数据采集处理后，根据实际值与设定值相比较的差值运算结果，产生相对应的控制信号传送给电磁阀。

　　当电磁阀线圈上电时，液压装置中的液体就通过电磁阀，驱使执行机构顶开进气阀进行控制调节;当电磁阀失电时，液体排出，执行机构归位，压缩机恢复正常运行。这个闭环控制过程可由PLC 中自带的PID 功能模块来实现。而在系统整个运行过程中，监测的压力、温度、流量和位移量等数据均可以通过触摸屏记录显示出来，当超过一定范围时，还可通过自动报警装置实现实时报警。

　　4 结论

　　系统运用S7-200 系列PLC 的CPU224 模块，配合A/D 转换器、D/A 转换器、模拟量输入/输出扩展模块和电磁阀控制的液压控制系统等，实现了恒压排气的控制功能，其硬件结构形式简单、编程调试方便、可靠性高，同时可减少外围环境的干扰，保证压缩机正常运行，具有较高的推广应用价值。