西门子模块6ES7216-2AD23-0XB8物优**

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1 nbsp 引言

西钢炼铁厂10m3竖炉于1994年建造并投产，生产炼铁所需的球团矿。竖炉在炼铁工艺中起着举足轻重的作用，其中布料系统是竖炉生产的核心环节，对球团质量起着决定性的作用。原布料系统的电气控制部分采用继电器控制方式，2台驱动设备，使用各类中间继电器89个，时间继电器62个，控制线路错综复杂，故障率较高，严重影响竖炉的生产和球团质量，如何减少设备故障率，提高设备作业率，确保竖炉达产达效，是重大技改课题。

2 nbsp 竖炉控制系统的研制

2.1 设备技改路线分析

（1）在国内很多小型竖炉中，仍然普遍采用继电器式控制方式。该控制方式的优点：传统方式容易实现，技术含量低，岗位工人容易接受。其缺点有以下几个方面：所用电器元件较多，成本较高；故障点较多，线路复杂，维护困难，故障处理时间长；可靠性差，难以适应恶劣的环境；电能损失大。

（2）采用小型pc一体式结构系统。小型系统优点是：体积小，结构紧凑，价格较低。其缺点是：硬件固定，灵活性较差，整机备件，相对地提高了成本。

（3）采用大型plc系统。整个竖炉采用一套大型的plc系统，布料系统是其中一部分或一个远程站。

该系统优点是：控制灵活可靠，功能强大，适用于较大的系统。其缺点是：价格昂贵，对于小系统显然是不经济的。

2.2 技改方案的确定

通过对竖炉控制系统故障原因分析，造成竖炉设备电气故障的原因主要有以下几个方面：由于采用继电器控制方式，各类继电器达150多个，故障点较多；由于环境恶劣及元件本身质量的影响，工作可靠性大大降低；由于控制线路的复杂性，使维修产生一定的困难，造成故障处理时间的延长；由于煤气及粉尘的影响，给维护带来不便。

在保证生产的基础上，结合我厂实际情况，提出了用plc控制系统代替继电器控制的方案。这样，不仅可以大大简化控制线路，减少故障点，而且提高了系统稳定性、可靠性和灵活性，具有很高的性能价格比，对于降，减少运转费用都有积极意义。

2.3 设备选型

经过市场调研，目前市场上常见结构有两种。一种是一体式结构，另一种是模块式结构。**种具有结构紧凑、体积小、价格低等优点，但是备件只能整机备件，相对而言成本较高；后一种模块式结构，具有系统构成灵活、扩展功能强等特点，又不需整机备件，但一次投入费用较高。我们着眼于全局考虑，为了方便以后的改造和扩建工作，决定采用模块式。该产品具有较高的性能价格比，且系统构成灵活，技术支持完备，售后服务较好。

3 nbsp 项目研制

3.1 硬件部分

（1）系统的硬件设备：电源模块1块；cpu模块1块；数字量输入模块4块；数字量输出模块4块。各模块之间由地址总线连接，由现场送来的操作及设备状态信号，通过4个输入模块进入cpu，由cpu进行逻辑运算后，把送至输出模块，直接控制各驱动设备的接触线圈，完成整个系统的控制。

（2）系统点数：9点接收操作台起停信号；14点接收设备运行状态信号；9点接收事故信号。输出32点：11点用于设备状态及故障显示；18点用于启动设备指令；3点用于故障报警及显示。

本系统结构简单，线路清晰，体积小，可完成两个继电器柜所能完成的一切控制功能。可实现自动、手动两种方式对12台驱动设备的连锁控制，同时增加了系统安全停机、故障报警、灯光显示等功能。

3.2 软件部分

主要功能：实现两种工艺要求，正常生产和调剂炉况两条不同的流程。其较大特点是：

（1）确保按工艺流程启动，防止误动作。

（2）提高故障判断、显示及处理能力。

（3）实现了系统重大故障时全线安全停机功能。

（4）节约能源。

（5）增加了皮带功能，包括断带、撕裂、跑偏、安全启动等功能。

（6）为了防止误操作，设计了按钮的确认功能。

原来的布料系统中，在某一设备发生故障时，只有该设备和前序设备同时停机，后序设备仍然运行，而且，系统故障发生时，线路控制自锁，当解除故障后，该设备又自动启动。由于该套设备是流水线作业，当系统中某一环节发生重大故障时，后序设备没有必要也不应该运行；一方面，可能造成原料的堆积和散落，使事故扩大化，另一方面也是能源的浪费，还有故障解除后，设备又自动启动，不仅容易造成安全事故而且可能引发新的设备事故。为此，我们在设计中考虑两方面的问题，一是增加对故障点的报警和显示，给维护和操作提供方便，尽可能减少故障处理时间，另一方面，一旦某一设备出现重故障时，后序设备立即按流程自动停车，不仅有效地防止事故扩大而且节约了能源。

3.3 初期投入发现的问题

（1）系统改为plc自动控制以后，操作人员和维护人员一时难以适应，出现故障后手忙脚乱，无从下手。针对这个问题，我们多次加强岗位人员和维修人员的培训，提高他们处理问题的能力。

（2）由于竖炉风机负荷较大，它的启动、停车对电网影响较大、plc系统因电网干扰有时误动作，为此，我们在plc供电部分增加了隔离变压器滤掉电网尖峰干扰。

通过对上述方案的补充、完善、保证了plc控制系统的可靠性。

3.4 实施效果

该控制系统自2004年11月投入生产后，效果显著，通过生产实践，该系统优点主要体现在以下几方面：

（1）nbsp系统设计合理，较好地满足了8m3竖炉生产的工艺要求。

（2）nbsp该控制方案功能齐全，系统灵活可靠，在国内同类竖炉中达到了国内水平。

（3）nbsp本系统与具有相同功能的继电器控制系统相比，结构大大简化，线路清晰直观，便于维护，缩短了故障处理时间，减少了工人的劳动强度，深受工人**。

（4）nbsp该系统对恶劣的环境适应性很强，抗干扰性能好，运行稳定可靠，降低了故障率，提高了设备作业率，从而提高了竖炉产生能量。

4 nbsp 结束语

用plc控制系统代替继电器控制系统，使竖炉电气故障明显减少，处理故障时间也大大缩短，从而有效地提高了竖炉布料系统设备作业率，使竖炉很快达产达效。

1 引言

可编程控制器plc外部接线简单方便，它的控制主要是程序的设计，编制梯形图是较常用的编程方式，使用中一般有经验设计法，逻辑设计法，继电器控制电路移植法和顺序控制设计法，其中顺序控制设计法也叫功能表图设计法，功能表图是一种用来描述控制系统的控制过程功能、特性的图形，它主要是由步、转换、转换条件、头线和动作组成。这是一种先进的设计方法，对于复杂系统，可以节约60%~的设计时间。我国1986年颁布了功能表图的国家标准（gb6988.6-86）。有了功能表图后，可以用四种方式编制梯形图，它们分别是：起保停编程方式、步进梯形指令编程方式、移位寄存器编程方式和置位复位编程方式。本文以三菱公司f1系列plc为例，说明实现顺序控制的四种编程方式。

例如：某plc控制的回转工作台控制钻孔的过程是：当回转工作台不转且钻头回转时，若传感器x400检测到工件到位，钻头向下工进y430当钻到一定深度钻头套筒压到下接近开关x401时，计时器t450计时，4s后快退y431到上接近开关x402，就回到了原位。

2 使用起保停电路的编程方式

起保停电路仅仅使用与触点和线圈有关的指令，*编程元件做中间环节，各种型号plc的指令系统都有相关指令，加上该电路利用自保持，从而具有记忆功能，且与传统继电器控制电路基本相类似，因此得到了广泛的应用。这种编程方法通用性强，编程容易掌握，一般在原继电器控制系统的plc改造过程中应用较多。如图2为使用起保停电路编程方式编制的与图1顺序功能图所对应的梯形图，只有常开触点、常闭触点及输出线圈组成。

3 使用步进梯形指令的编程方式

步进梯形指令是专门为顺序控制设计提供的指令，它的步只能用状态寄存器s来表示，状态寄存器有断电保持功能，在编制顺序控制程序时应与步进指令一起使用，而且状态寄存器必须用置位指令set置位，这样才具有控制功能，状态寄存器s才能提供stl触点，否则状态寄存器s与一般的中间继电器m相同。在步进梯形图中不同的步进段允许有双重输出，即允许有重号的负载输出，在步进触点结束时要用ret指令使后面的程序返回原母线。把图1中的0-3用状态寄存器s600-s603代替，代替以后使用步进梯形指令编程，这种编程方法很容易被初学者接受和掌握，对于有经验的工程师，也会提高设计效率，程序的调试、修改和阅读也很容易，使用方便，程序也较短，在顺序控制设计中应**考虑，该法在工业自动化控制中应用较多。

4 使用移位寄存器的编程方式

从功能表图可以看出，在0-3各步中只有一个步在某时刻接通而其他步都在断开，把各步用中间继电器m200-m203代替，就很容易用移位寄存器实现控制。用移位寄存器编程时的梯形图，采用移位寄存器m200-m217的**位m200-m203代表4个步，组成1个环形移位寄存器。用移位寄存器主要是对数据、移位、复位3个输入信号的处理。该方法设计的梯形图看起来简洁，所用指令也较少，但对较复杂控制系统设计就不方便，使用过程中在线修改能力差，在工业控制中使用较少，大多数应用在彩灯顺序控制电路中。

5 使用置位复位指令的编程方式

使用置位复位编程方式编制的与图1顺序功能图所对应的梯形图。在以置位复位指令的编程方式中，用某一转换所有前级步对应的辅助继电器的常开触点与转换对应的触点或电路串联，作为使所有后续步对应的辅助继电器置位和使所有前级步对应的辅助继电器复位的条件。对简单顺序控制系统也可直接对输出继电器置位或复位。该方法顺序转换关系明确，编程易理解，一般多用于自动控制系统中手动控制程序的编程。

以上四种顺序控制编程方式各有特点，可以根据实际情况选择一种来编制梯形图，它们的一般比较见附表。教学实践表明这些编程方式很容易被初学者接受和掌握，用它们可以得心应手地设计出任意复杂的顺序控制程序。

1 引言

（1） 三菱f系列变频器外部端子调速可分为模拟量调速和多段速调速

模拟量调速可用电压0~10vdc或电流4~20madc，进行无级调速。本公司货架组件（横梁）冷弯设备机组便采用多段速闭环变频器调速控制系统;一般采用外部输入端子sd、stf、str、rl、rm、rh，进行三段速调速。rl、rm、rh是低﹑中﹑高三段速速度选择端子，sd是输入公共端，stf是启动正转信号，str是启动反转信号。当y10，y11有输出时，变频器为低速运行;当y10，y12有输出时，为中速运行;当y10，y13有输出时为高速运行。三段速分别设置为20hz、30hz、45hz。在模拟量调速时，通过编程，三菱fx2n系列可编程控制器根据操作台发出的信号，选择控制方式：模拟量调速或多段速调速。其控制系统还可以通过dos操作系统开发编程的微机作为上位机实现控制功能或结合触摸屏技术实现随机动态适时控制或结合触摸屏控制技术来操作控制实现有关功能。

（2） 三菱fx2n系列可编程控制器是小型化，高速度，高性能的产品，是fx系列中较高档次的**小型程序装置。

本文探讨melsec fx2n-32mr在货架组件（横梁）冷弯机组中的应用特点。

2 系统构成

2.1 工艺流程

根据货架组件（横梁）的冷弯成型孔型设计及冷弯成型工艺要求，货架组件（横梁）冷弯机组共有12站牌楼构成，钢卷料由**站牌楼前的带料导引装置将钢带穿入冷弯机组进行冷弯成型加工，该冷弯机组主动力由22kw的三菱多功能矢量控制变频器和异步变频电机驱动系统构成，各牌楼间的动力传递可采用链传动或齿轮组来实现;主控系统选用melsec

fx2n-32mr可编程控制器，闭环控制反馈信号由1200p/r的旋转编码器被动测量提供信号开关量并测长，根据所选的编码器的线数以及要走的位置量，确定好对应的计测脉冲数，然后设置plc，使其在计测到相应的脉冲数时产生相应的动作以实现产品定长切断的精确控制，其基本长度控制精度可达±0.5mm以上，可重复长度控制误差分布范围较大不**过1mm。

2.2 系统硬件结构的主要配置

（1） plc选用是fx2n-32mr，外加fx2n-232-bd通信模块。各1只;

（2） 触摸屏选用型号为：gp37w2-bg41-24v，或采用微机控制上位机系统;

（3） koyo旋转编码器trd-nh1200-rz及测量辊、24v开关电源，各1台;

（4） 三菱多功能矢量控制变频器：fr-a540-22k-ch变频器，1台;

（5） 三相笼型交流异步电动机：y系列，4较，22kw，1台;

（6） 其它电气选配件。

3 电气闭环控制系统原理

3.1 无极闭环系统的控制原理

要实现货架组件（横梁）的冷弯成型机组的闭环无级控制，必须根据变频器和变频电机的特性，即：在一定载荷下变频器所存在的理想加速和减速特性曲线，或根据不同的品牌和规格的变频器的特性参考资料、冷弯机组加工件的负荷特性、电机的负荷特性等进行适时调整。

3.2 基本控制思想

（1）据旋转编码器测量反馈的当前速度信号适时调整变频器的输出驱动频率值，从而保证变频电机能以要求的速度平稳运行;其还表现在必须根据具体冷弯产品的成型工艺要求、负荷波动规律等选择相应的速度控制模式，即初时运动加速度与加速控制时间、平稳运行速度与距离、减速运动加速度与控制时间等进行变频器的适时调整，确保主机运行及控制反馈运行过程的平稳，不稳定形成的系统**差故障;

（2）据旋转编码器的脉冲测量数反馈当前冷弯机组主电机的位移信号及预先设定的控制方案适时调整变频器的输出驱动频率值，使变频电机先以较高的速度运行到接近冷弯产品控制切断长度的位置后将速度平稳降到较低的速度下工作，并在切断控制处准确制动停准，必要时可采取机械抱闸系统来辅助快速定位，再通过输出控制点发出切断控制信号实现液压停剪;plc控制系统在工作过程中实时采集运行数据，并不断地与存放在软件控制数据块里的标准位置参数进行比较和控制决策，从而达到快速准确定位、提高作业效率的目的，并与监控系统交换工作信息以实现生产管理系统的全面动态管理。

4 负载机械特性和变频器的选型

该系统的电气拖动主要是驱动冷弯轧辊运动，其阻力矩tl取决于冷弯轧辊与钢卷料之间的摩擦力fl与冷弯轧辊半径r的乘积，即tl=fl×r。在这里，冷弯轧辊的半径r是恒定不变的，摩擦力fl的大小与相应的冷弯产品的孔型设计工艺水平、机组的传动效率和相关材料与轧辊间的摩擦系数等有关，与转速高低关系不大。这是典型的恒转矩负载机械特性。可初步选用三菱fr-a540系列变频器。

4.1 三菱fr-a540系列变频器具有的特性

（1）采用先进的磁通矢量控制。由于采用了精简指令集计算机risc微处理芯片，使之具有全新的在线自动调整功能，使电机在不影响启动速度的情况下迅速得到调整。

（2）具有多段速度选择功能：它有高速rh、中速rm、低速rl、*二加/减速时间选择rt、漏型公共输入端sd等端子，可以通过plc的输出点直接控制输入端子的on/off状态来实现变频器速度的上升、下降和精确停车。每档速度的大小可由变频器功能预置来设定。

（3）运用了三菱**“柔性脉宽调制”（soft-pwm）开关方式，实现更低噪音运行，并能减少对外射频干扰，有利于邻近的plc、旋转编码器的可靠运行。

（4）调速范围：1:120（0.5hz~60hz运行时），且低频运行性能稳定可靠，采用自动调整后，可以在不同的品牌的电机上实现高精度运行。

4.2 变频器的选型

货架组件（横梁）冷弯机组的主要功耗包括：用于货架组件（横梁）弯曲变形功率、克服辊子与工件之间的摩擦阻力及辊子轴承摩擦阻力、克服机组传动阻力及功率损耗，一般采用经验测算方法与简单公式计算后放大倍数的方法共同核算，通常还根据冷弯成型的成功案例进行类比测算，并依此确定具体型号变频器的实际功率。

综合多种因素，笔者选定了三菱fr-a540-22kw-ch变频器。经试验证明：针对货架组件（横梁）的冷弯成型机组采用pgl板反而会出现较大的定位误差，故取消了pgl板设计，仅利用变频器的多段速选择和fr-a540的高性能来实现货架组件（横梁）的冷弯成型的定位控制。

5 外部接口设计

三菱fx2n型plc内置多个高速计数器。经过测量测试，选择采用两相两计数输入、应答频率为30khz的c251计数器，将旋转编码器的a、b输出端与plc的x0、x1输入点相连，可以稳定地捕捉货架组件（横梁）冷弯机组上加工产品所需要的闭环控制反馈信号，实现冷弯产品的加工长度、位置定位后的程序比较及控制信号的输出，实现冷弯产品的定长液压停剪动作。机组较大运行速度限制计算为：测量辊周长与应答频率为30khz的乘积再除旋转编码器的每转脉冲数，如我司选用的测量辊直径为φ60mm，周长为188.5mm，则每秒较大运动位移为：

188.5mm×30000÷1200=4.1725m

远远满足货架组件（横梁）冷弯机组的较大运行速度在20m/min的要求。

fx2n-32mr的输出点的外部接线方式为分组式，有com0~com3共4个com点与16个输出点对应，可以灵活地选择输出点的电源形式。

用plc编写一条32位的高速计数器区间比较复位指令dhsz，用触摸屏对plc数据寄存器d赋值，数值以理论脉冲数为基准增减，再与c251记录的编码器脉冲数进行比较，当两个数据相等时，plc指令变频器和电机停机。经反复赋值试验，可以找到精确的编码器脉冲总数。然后按照速度控制规律

的各段分配脉冲数，以指导plc适时向变频器发出速度切换指令。试验时电机采用低速运行，脉冲数或实际长度换算数以实际记录为准。

加速/减速时间的设置是变频器参数设置的关键。冷弯机组遵循加速-运行-减速-低速运行正反转调整-停止为一个运行周期，每一周期中的间隔是冷弯产品的切断过程及系统动作复位。合理设置这些参数，可以调整定位运行的切断控制精度及机组生产效率，使它适合负荷的要求。

6 结束语

plc+变频器控制实现的多段速系统控制确保了货架冷弯机组的自动化控制要求，具有运行稳定可靠，定位精度高等特点。实践也证明fr-a540-22kw变频器完全满足货架冷弯机组的调速和基本定位控制要求，提高了生产效率。此种plc+变频器控制方式也可用于其他需要速度配合及定位控制的电机变频调速系统。

根据今后货架冷弯机组的自动化发展方向，将成型速度的设定与控制理论的发展与应用、成型辊辊型设定与实时调节、具体机械设备的故障诊断的处理与显示等与具体的plc控制功能和发展相结合，必然能促进货架冷弯机组的自动化发展水平。

1 引言

在自动生产线上，各工序之间的物品常用有轨小车来。小车通常采用电动机驱动，电动机正转小车前进，电动机反转小车后退。

2 控制要求

对小车运行的控制要求为：小车从原位a出发驶向1号位，抵达后立即返回原位;接着又从原位a出发直接驶向2号位，抵达后又立即返回原位;*三次还从原位a出发，直接驶向3号位，抵达后仍立即返回原位，

根据工作需要，可以将上述三次运行作为一个周期，每个周期间小车可以停顿若干时间。也可以无须停顿而重复上述过程，直至按下停止按钮为止。

3 plc选型及i/o接线图

根据控制要求，系统的输入量有：启、停按钮信号;1号位、2号位、3号位限位开关信号;连续运行开关信号和原位点限位开关信号。系统的输出信号有：运行指示和原位点指示输出信号;前进、后退控制电机接触器驱动信号。共需实际输入点数7个，输出点数4个。选用日本三菱公司f-20m产品，其输入点数12，输出点数8。小车行驶控制系统plc

4 控制程序设计

小车运行控制过程如下：

（1） 小车处于原位　压下原位限位开关sqo，x401接通y430，原位指示灯亮。

（2）小车行驶至1号位返回原位

按下启动按钮sb1，y431被x400触点接通并自锁，运行指示灯亮并保持整个运行过程。此时y431的常开触点接通移位寄存器的数据输入端in，m100置1（其常闭触点断开，常开触点闭合），m100和x402的触点接通y432线圈，前进接触器km2得电吸合，电动机正转，小车驶向1号位。当小车到达1号位时，限位开关sq1动作，x402常闭触点断开y432线圈，km3失电释放，电动机停转，小车停止前进。与此同时x402接通移位寄存器移位输入cp端，将m100中的“1”移到m101，m101常闭触点断开，m100补“0”，而m101常开触点闭合，y433接通，接触器km4得电吸合，电动机反转，小车后退，返回原位。

（3） 小车行驶至2号位又返回原位

当小车碰到原位限位开关sqo，x401断开y433线圈通路，km4失电释放，电动机停转，小车停止。x401与m101接通移位输入通路，m102接通y432线圈，小车驶向2号位。当小车再次到达1号位时，虽然sq1动作，x402动作，但因为m102和x402仍接通y432，m100为“0”，所以不影响小车继续驶向2号位。直至小车碰到2号位限位开关sq2，x403断开y432，小车才停止前进。与此同时，x403与m102接通移位输入通路，将m102中的“1”移到m103，m103为“1”，其余位全为“0”。m103接通y433线圈，小车返回原位。

（4） 小车行驶至3号位再返回原位

当小车碰到原位限位开关sqo后，小车停止后退。同时m103和x401接通移位输入通路，m104和x404接通y432，小车向3号位驶去。小车再次经过1号位和2号位，但因为m100~m103均为“0”，不会移位，m104和x404仍接通y432，直到小车碰到3号位限位开关sq3动作，x404才断开y432线圈，小车才停止前进。这时m104和x404接通移位输入通路，m104移位到m105，m405为“1”，其它位为“0”，m105和x401接通y433，电机反转，小车后退返回原位。

（5） 小车运行一个周期

小车运行一个周期返回原位后压下原位限位开关sqo，x401又断开y433，小车停止运行。同时m105和x401接通移位输入通路，m105移位到m106，m106为“1”，其余位为“0”，即m100~m105的常开触点均为断态，这时如果连续运行开关s仍未合上，x405仍断开，那么移位寄存器不会复位，m100仍为“0”，则小车正向出发往返运行三次（一个周期）后，就在原位停下来了。

（6） 小车连续运行与停止 如果需要小车在运行一个周期后，继续运行下去，则合上连续运行开关s，

x405、x401和m106接通复位输入端r，移位寄存器复位，m100重新置“1”，m100与x402又接通y432，小车又开始*二个周期的运行，并且一个周期又一个周期地连续运行下去，直到按下停机按钮sb2，

x407触点断开，y432和y433线圈断开，小车才会立即停止运行。同理，如果发生意外情况，不论小车运行在什么位置，只要按下停车按钮sb2，电动机立即停转，小车停止运行。

5 结束语

自动生产线上使用的小车，是常用的生产