西门子模块6ES7221-1EF22-0XA0详细说明

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 PLC控制系统 

3.1 输进/输出点数的确定与PLC的选择 

根据工艺流程和控制要求分析，PSA制氮机的输进信号有19个，分别是手动操纵按钮、自动操纵按钮、自动起动按钮、停止按钮、空压机起动按钮、冷干机起动按钮、吸附A按钮、均压A＝B按钮、吸附B按钮、均压B＝A按钮、阀检测按钮、Y1～Y8阀检测按钮8个；阀检测按钮只有在手动方式下起作用，而Y1～Y8阀检测按钮只有在阀检测按钮按下后有阀检测指示后才起作用。 

输出信号也是19个，分别是Y1～Y8阀输出8个、手动状态指示、自动状态指示、自动起动指示、停止指示、空压机工作指示、冷干机工作指示、吸附A指示、均压A＝B指示、吸附B指示、均压B＝A指示，阀检测指示。即在每一个输进信号旁边均有相应的指示。电磁阀Y1～Y8的工作电压为直流24V，功率8Ｗ。 

根据一般的设计方法，至少要选带19点输进点和19点输出点的PLC，或采用主机加扩展的方式。为了使控制系统可靠、实用、经济，我们选用了无锡华光有限公司的SM-16T作为基本单位，外加L-16T作为扩展单元，并用CL-02DS作为参数设定和监控单元。 

SM-16T具有10个输进点和6个输出点，采用直流24V汇点输进方式，直流24V晶体管NPN型输出方式。SM-16T本身的工作电压为交流220V，并带有RS-485和RS-232通讯接口，可实现CCM协议、无协议通讯。RS232接口又兼作编程口。程序的存放采用FｌaｓｈROM，无需后备电池；L-16T有16个输出点，采用直流24V晶体管NPN型输出方式，L-16T与SM-16T之间通过RS-485进行通讯；通过CL-02DS液晶式显示设定单元可进行参数的设定和监控，它与SM-16T之间通过RS-232进行通讯。 

3.2 输进/输出点的编号分配和输进/输出接线

实际设计中，由于输进信号相对较多，我们同时采用了硬件和软件上的设计技巧，19个输进信号只占用了SM-16T的8个输进点，输出点用了SM-16T上的3点和L-16T上的16点共19点。具体输进/输出编号分配如下： 

I2--冷干机按钮、手动操纵按钮、Y1阀检测按钮； 
I3--空压机按钮、自动操纵按钮、Y2阀检测按钮； 
I4--吸附A按钮、自动起动按钮、Y3阀检测按钮； 
I5--均压A＝B按钮、停止按钮、Y4阀检测按钮； 
I6--吸附B按钮、Y5阀检测按钮； 
I7--均压B＝A按钮、Y6阀检测按钮； 
I10--阀检测按钮、Y7阀检测按钮； 
I11--Y8阀检测按钮； 
Q0--冷干机中间继电器及指示； 
Q1--空压机中间继电器及指示； 
Q2--阀检测指示； 
Q20--手动操纵指示； 
Q21--自动操纵指示； 
Q22--程序起动指示； 
Q23--程序停止指示； 
Q24--吸附A工作指示； 
Q025--均压A＝B工作指示； 
Q26--吸附B工作指示； 
Q27--均压B＝A工作指示； 
Q30～Q37--分别控制Y1～Y8阀输出及指示。 

在输进点中有4点为一点三用，3点为一点二用，为了判别在某一时刻是哪个输进信号起作用，我们用了SM-16T的三个输出信号点Q3、Q4、Q5，作为一点三用的各输进信号公共端，同时利用软件控制使得Q3、Q4、Q5循环接通，通过软件和硬件上的配合，使得输进信号减少一半多。

3.3 软件设计及技巧 

对于输进点的一点三用或二用，在硬件上用了Q3、Q4、Q5作为它们不同的公共端，但在某一时刻到底是的哪个信号起作用呢，这时可用软件的方法配合判别，具体做法见图3所示的梯形图。在图3中，用了一个计数器C0让Q3、Q4、Q5在不同时刻接通，由Q3、Q4、Q5所带的常开接点和PLC的直接输进接点的“与”来判定到底是哪一个信号起作用，并用内部线圈来表示不同的输进信号。

软件编程采用华光公司编程软件DirectSOFT2.3进行梯形图设计和通讯参数的确定。DirectSOFT2.3是bbbbbbS环境下的PLC编程软件，使用方便、简单、功能强大，利用它可进行程序设计、编程实现、编写注释说明文档、语法检查及与PLC进行通讯等。 

用DirectSOFT2.3软件进行梯形图设计调试、语法检查后，可将以下传写进SM-16T，这时PLC可进行模拟运行，在运行之前，必须正确设置RS-232接口和RS-485接口的通讯参数。我们均选用9600ｂｐｓ、CCM通讯协议、8位数据位奇校验方式。 

另外，工作流程各阶段的延时时间参数的设定由CL-02DS人机接口单元完成，先将CL-02DS通过RS-232接口与计算机通讯，采用CL-02DS软件编程，确定设定延时时间参数所用的寄存器号和监控时间参数所用的寄存器号，另外也可设定报警

  输入装置可将不同加工信息传递于计算机。在数控机床产生的初期，输入装置为穿孔纸带，现已趋于淘汰；目前，使用键盘、磁盘等，大大方便了信息输入工作。输出指输出内部工作参数(含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等)，一般在机床刚工作状态需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。数控装置是数控机床的核心与主导，完成所有加工数据的处理、计算工作，*终实现数控机床各功能的指挥工作。它包含微计算机的电路，各种接口电路、CRT显示器等硬件及相应的软件。可编程控制器对主轴单元实现控制，将程序中的转速指令进行处理而控制主轴转速；管理库，进行自动交换、选方式、累计使用次数、剩余寿命及刃磨次数等管理；控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送等动作；还对机床外部开关(行程开关、压力开关、温控开关等)进行控制；对输出信号(库、机械手、回转工作台等)进行控制。检测反馈装置由检测元件和相应的电路组成，主要是速度和位移，并将信息反馈于数控装置，实现闭环控制以保证数控机床加工精度。
    数控加工的准备过程较复杂，内容多，含对零件的结构认识、工艺分析、工艺方案的制订、加工程序编制、选用工装及使用方法等。机床的调整主要包括命名、调入库、工件安装、对、测量位、机床各部位状态等多项工作内容。程序调试主要是对程序本身的逻辑问题及其设计合理性进行检查和调整。试切加工则是对零件加工设计方案进行动态下的考察，而整个过程均需在前一步实现后的结果评价后再作后一步工作。试切成功后方可对零件进行正式加工，并对加工后的零件进行结果检测。前三步工作均为待机时间，为提高工作效率，希望待机时间越短越好，越有利于机床合理使用。该项指标直接影响对机床利用率的评价(即机床实动率)。
    二、可编程控制器实现控制的方式 
    用这种不断地重复运行程序实现控制称扫描方式。是用计算机进行实时控制的一种方式。此外，计算机用于控制还有中断方式。在中断方式下，需处理的控制先申请中断，被响应后正运行的程序停止运行，转而去处理中断工作（运行有关中断服务程序）。待处理完中断，又返回运行原来程序。哪个控制需要处理，哪个就去申请中断。哪个不需处理，将不被理睬。显然，中断方式与扫描方式是不同的。 
    在中断方式下，计算机能得到充分利用，紧急的任务也能得到及时处理。但是，如果同时来了几个都要处理的任务该怎么办呢？优先级高的还好办，低的呢？可能会出现照顾不到之处。所以，中断方式不大适合于工作现场的日常使用。 
    但是，PLC在用扫描方式为主的情况下，也不排斥中断方式。即，大量控制都用扫描方式，个别急需的处理，允许中断这个扫描运行的程序，转而去处理它。这样，可做到所有的控制都能照顾到，个别应急的也能进行处理。 
    PLC的实际工作过程比这里讲的还要复杂一些，分析其基本原理，也还有一些理论问题。有关人员如果能把上面介绍的入出变换、物理实现——信息处理、I/O电路——空间、时间关系——扫描方式并辅以中断方式，作为一种思路加以研究，弄清了它，也就好理解PLC是怎样去实现控制的，也就好把握住PLC基本原理的要点了。  
    三、机床数控系统需要解决的几个问题
    机床是由机械和电气两部分组成，在设计总体方案时应从机电两方面来考虑机床各种功能的实施方案，数控机床的机械要求和数控系统的功能都很复杂，所以更应机电沟通，扬长避短。机床控制系统选件、装配、程序编制及操作都应该比较合理，精度和稳定性都必须满足使用要求。同时为便于调试和检修，各项操作均设手动功能，如手动各轴快慢移动、主轴高低速旋转、切削液及润滑开关等。PLC按照逻辑条件进行顺序动作或按照时序动作，另外还有与顺序、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，在机床的电气控制中应用也比较普遍。
    在实际控制中如何既能提高定位速度，同时又能保定位精度是一项需要认真考虑并切实加以解决的问题。精度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。因此位置精度是一个极为重要的指标。为了保证有足够的位置精度，一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小，另一方面是对位置元件提出精度的要求。因为在闭环控制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的，反馈元件的精度对系统的精度常常起着决定性的作用。高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。当现场条件发生变化时，系统的某些控制参数必须能作相应的修改，为满足生产的连续性，要求对控制系统可变参数的修改应在线进行。尽管使用编程器可以方便快速地改变原设定参数，但编程器一般不能交现场操作人员使用；所以，应考虑开发其他简便有效的方法实现PLC的可变控制参数的在线修改。另外为了防止电压过高损坏PLC，电源输入端加上压敏电阻。为了防止过热，PLC不许安装在变压器等发热元件的正上方，变频器与PLC、伺服驱动器等保持一定距离。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。此外，为保证控制系统的安全与稳定运行，还应解决控制系统的安全保护问题，如系统的行程保护、故障元件的自动检测等。
    四、结束语
    我国是一个机床生产和应用大国，但数控技术的应用水平还不高，严重制约着我国制造业水平的提高。国际上的相关开发计划对我国的数控技术的发展提出了严峻的挑战，同时也带来了机遇。只有选择合适的PLC才能使定位达到预期的效果。
    由于采用了PLC控制，使电气部分的抗干扰能力增加，提高了机床的运行可靠性，因而增加了设备的柔性，提高了设备的使用效率