鹤岗西门子主机模块代理商 保证原装正品

    德国西门子公司是世界上较早研制和生产PLC产品的主要厂家之一，其产品具有多种型号，以适应各种不同的应用场合，有适合于起重机械或各种气候条件的坚固型，也有适用于狭小空间具有高处理性能的密集型，有的运行速度较快且具有优异的扩展能力。它包括从简单的小型控制器到具有过程计算机功能的大型控制器，可以配置各种I/O模块、编程器、过程通信和显示部件等。西门子公司的PLC发展到现在已有很多系列产品，如S5、S7、C7、M7系列等，本书主要以S7-300/400系列为例讲解PLC的理论和应用。

    S7系列PLC是在S5系列基础上研制出来的，它由S7-200、S7-300/400 PLC组成。

    1．S7-200 PLC

    微型S7-200 PLC结构紧凑、价格低廉，适用于小型的自动化控制系统。其指令处理时间短，减少了循环时间，高速计数器使其可应用于更广泛的领域，高速中断处理能分别响应各种过程事件；对性能的扩展提供了模块化的扩展能力，用于控制步进电动机的脉冲输出，同样可用于脉宽调制，为快速方便地解决较复杂问题提供高效的指令集。此外，附加性能有：点对点接口( PPI)支持编程；操作员接口与串行设备接口；用户界面友好的STEP 7Micro/DOS软件和高效的编程器简化了编程；三级口令用于保护用户程序；TD200和COROS操作员面板提供了简单的人机接口功能。

    2．S7-300 PLC

    模块化S7-300 PLC适用于快速的过程处理或对数据处理能力有特别要求的中小型自动化控制系统。它具有高速的计算能力、完整的指令集、多点接口( MPI)和通过SINEC LAN进行联网的能力；它内置多种功能，具有综合诊断能力，它推出的口令保护，简便的连接系统和无限的插入模块组态，使系统组态处理更加方便；由于其快速的指令处理速度，大大缩短了系统循环时间；同时高性能模块和多种CPU为各种各样的需求提供了合适的解决方案；模块扩展能力较多可增加到3个扩展基架(ER)，较高的安装密度，背板总线安装在每个模块中，预先接线系统（TOP接线），减少了所需空间和费用，同时为连接SIMATIC系列各种部件提供了接口，它具有对用户友好的Windows STEP 7 Mini编程软件和功能强大的编程器。

    3．S7-400 PLC

    较具通信能力的S7-400 PLC适于大、中型自动控制系统，它指令执行时间较短；在恶劣、不稳定的工业环境下，坚固、全部密封的模板依然可正常工作；无风扇操作降低了安装的费用；在操作运行过程中模板可插拔；分布式的内部总线允许在CPU与*I/O间进行非常快的通信(P总线与I]O模板间进行数据交换，C总线可将大量数据传送到功能模块和通信模块)；一些CPU装备了内置的SINEC L2 DP接口，保证了对分布式I/O进行快速数据交换，其强大的通信模块允许点对点通信，以及用SINEC L2和SINEC Hl总线系统进行通信。

 1．控制要求

    两种液体的混合装置简图如图11-26所示。

    (1)初始状态容器是空的，电磁阀F1、F2和F3，搅拌电机M，液面传感器L1、L2和L3，加热器H和温度传感器T均为OFF。

两种液体的混合装置简图

    图11-26    两种液体的混合装置简图

    (2)物料自动混合控制  按下启动按钮，开始下列操作。

    1)电磁阀F1开启，开始注入物料A，**度L2（此时L2、L3均为ON）时，关闭阀F1，同时开启电磁阀F2，注入物料B，当液面上升至L1时，关闭阀F2。

    2)停止注入物料B后，起动搅拌电机M，使A、B两种物料混合10s。

    3) 10s后停止搅拌，开启电磁阀F3，放出混合物料，当液面高度降至L3后，再经5s后关闭阀F3。

    (3)停止操作按下停止按钮，在当前过程完成以后（物料全部排出），再停止操作，回到初始状态。

    2．方案选择及地址分配

    (1)方案选择  由于系统的输入/输出点较少(71/90)，且控制任务比较简单只涉及到延时控制，所以选用S7-200的CPU224( 141/100)完成控制，既可采用基本指令也可采用步进指令，但由于步进指令程序较长，本文只给出采用基本指令编写的控制程序。

    (2)编程元件的地址分配输入/输出地址分配及接线如图11-27所示。

两种液体的混合控制PLC I/O接线图

    图11-27    两种液体的混合控制PLC I/O接线图

    物料自动混合装置中电磁阀的动作，既受手动控制，又受液面传感器输入信号的控制，如果物料混合需要加热，按动按钮SB2，启动加热器H开始加热。当温度达到规定要求时，温度传感器T动作（D4指示），加热器H停止加热。液面位置由D1、D2和D3指示。

    3．程序设计

    采用基本逻辑指令设计的物料自动混合控制的梯形图如图11-28所示。

    数控系统内部处理的信息大致可分为两大类：一是控制坐标轴运动的连续数字信息，这种信息主要由CNC系统本身去完成；另一类是控制刀具更换、主轴起停、换向变速、零件装卸、切削液的开停和控制面板、机床面板的输入输出处理等离散信息，这些信息一般用PLC来实现。PLC在CNC系统中是介于CNC装置与机床之间的中间环节。它根据输入的离散信息，在内部进行逻辑运算并完成输出功能。

    1．数控机床中PLC的分类

    通常的PLC是一个独立的控制装置，由CPU、存储器、电源、I/O接口等构成独立的控制系统。从数控机床应用的角度分，可编程序控制器可分为两类：一类是CNC的生产厂家将数控装置( CNC)和PLC综合起来而设计的内装型PLC。内装型PLC从属于CNC装置，PLC与CNC装置之间的信号传送在CNC装置内部即可实现。PLC与数控机床之间则通过CNC输入/输出接口电路实现信号传送，如图6-1所示。另一类是专业的PLC生产厂家的产品，称为独立型PLC。独立型PLC独立于CNC装置，具有完备的硬件结构和软件功能，能够独立完成规定的控制任务，性能价格比不如内装型PLC。采用独立型PLC的数控系统框图如图6-2所示。很多数控系统采用独立的PLC作为逻辑控制器。西门子3系统就是采用独立的PLC，FANUC系统就是采用内装型PLC，与数控装置共用一个CPU，也称内嵌式PLC。

内装型PLC的CNC系统框图

    图6-1    内装型PLC的CNC系统框图

    2．CNC、PLC、机床之间的信号

    在数控机床上用PLC代替传统的机床强电顺序控制的继电器逻辑控制，利用逻辑运算实现各种开关量控制。PLC在数控装置和机床之间进行信号的传送和处理，即可以把数控装簧对机床的控制信号，通过PLC去控制机床动作：也可把机床的状态信号送还给数控装置，便于数控装置进行机床自动控制。

独立型PLC的CNC系统框图

    图6-2    独立型PLC的CNC系统框图

    (1) CNC侧与MT侧的概念

    在讨论数控机床的PLC时，常以PLC为界把数控机床分为CNC侧和MT侧两大部分。CNC侧包括CNC系统的硬件、软件以及CNC系统的外部设备。MT侧则包括机床的机械部分、液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置，以及机床操作面板、继电器电路、机床强电电路等。MT侧顺序控制的较终对象的数量随数控机床的类型、结构、辅助装置等的不同而有很大的差别。机床结构越复杂，辅助装置越多，受控对象数量就越多。相比而言，柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)的受控对象数量多，而数控车床、数控铣床的受控对象数量较少。

    (2) PLC、CNC、机床间的信息交换

    对于不同数控系统，所交换的信息内容、数量各有区别，但基本思路和作用是一样的。对于不带PLC的数控系统产品，其信息交换主要以开关量为主，并通过CNC与PLC之间的硬件I/O连接来实现。对于内装PLC的数控系统产品，不仅可通过开关量交换信息，而且可以通过内部寄存器、内部标志位等交换信息，而且在CNC与PLC之间*硬件I/O连接，数据处理能力强，可靠性高。

    数控系统中PLC的信息交换，是以PLC为中心，在CNC、PLC和机床之间的信息传递。PLC与CNC之间交换的信息分两个方向进行，其中由CNC发给PLC的信息主要包括各种功能代码M、S、T的信息、手动/自动方式信息、各种使能信息等。而由PLC发给CNC的信息主要包括M、S、T功能的应答信息和各坐标轴对应的机床参考点信息等。

    同样，PLC与机床之间交换的信息也分为两部分。例如机床的起动/停止，主轴正转/反转/停止、机械变速选择、切削液的开/关、倍率选择、各坐标轴点动和刀架、卡盘的夹紧/松开等信号，以及上述各部件的限位开关等保护装置、主轴伺服状态监视信号和伺服系统运行准备等信号。

    FANUC系统是内装型PLC。由于PLC在数控系统中的特殊作用，FANUC系统将PLC称为PMC，其编程方法详见本章*二节。西门子数控系统大多数采用独立型PLC，PLC用西门子S7系列，编程用STEP软件，其编程方法可参照其他文章，这里不再赘述。掌握PLC的编程方法是利用PLC进行故障诊断和维修的前提条件。

    传统的变较调速，虽然具有成本低、能耗低、控制简单和可靠性高等优点，但由于采用有级调速，且级差很大，使其应用领域受到很大的限制。矢量控制、直接转矩控制等方式的变频调速，具有很好的调速平滑性，能很好地克服变较调速的困难，但又存在成本高和可靠性差等缺点。

    本节采用S7-200 PLC来控制一台三相感应电动机，该电动机具有两个单独的绕组，对应不同的转速和旋转方向。本实例采用的方法适用于旋转方向可选的三相感应电动机的变较调速。

    一、感应电动机的动态变较调速

    1．调速原理

    感应电动机动态变较调速的原理是：把电动机绕组设计成具有两种工作较数2P1和2P2，让电动机交替地在这两种工作状态下*切换（例如，每秒切换10次），此时电动机的转速将不只是由电动机的工作较数2P1和2P2决定，而是由2P1和2P2，以及工作于这两种工作较数的时间t1和t2等4个因素共同决定。于是，在工作较数2P1和2P2确定之后，调节t1和t2即可改变电动机的转速。

    2．控制目标

    该实例用来控制一台具有两个单独绕组的三相感应电动机，该电动机可以按不同的方向以不同的转速旋转。当与各输入点相连的点动开关被按下时，电动机启动。不论电动机绕什么方向旋转，任何时候都可以改变电动机的转速，转速分为高低两挡。电动机需要5s时间来刹车停机之后，才可以朝相反方向启动。

    3．功能实现

    用下列4只与输入点相连的电动开关来启动电动机：I0.0-低速顺时针方向旋转开关；I0.1-高速顺时针方向旋转开关；I0.2-低速逆时针方向旋转开关；I0.3-高速逆时针方向旋转开关。

    与输入点I0.4相连的开关(OFF)用来关闭电动机，电动机电路断路器与输入点I0.5相连。当电动机过载时，电动机电路断路器触点断开，也会导致电动机停机。当电动机停机时，点亮与输出点Q0.4相连的信号灯。

    在程序扫描循环的起始处调用子程序SBR_0，该子程序的任务是检查输入信号。为了防止操作错误，首先要检查是否有两个或两个以上开关同时动作，然后再检查在换向时是否已**过了限制等待时间。当禁止电动机启动器工作时，互锁存储器位M1.0被置为1。互锁电路的作用是防止电动机误启动或朝错误方向启动。只有当所有的点动开关都没有动作，且**定时器溢出后，才解除互锁，即M1.0被置为逻辑“0”。

    同时满足下列条件时，电动机才能以某种操作方式启动：

    (1)停机开关没有动作；

    (2)防止电动机过载的电动机断路器没有打开；

    (3)电动机不是正在绕相反的方向旋转。

    若改变转速也必须满足上述要求，否则命令无效。这就保证了两个电动机启动器不会同时启动。也就是说，每个方向的高速运转启动器和低速运转启动器不同时工作。例如，当与输入点I0.3相连的点动开关被按下，发出逆时针方向高速旋转命令时，负责锁着逆时针方向低速旋转的输出点I0.2被复位。只有当选择所期望的操作模式命令已发出，且互锁未生效时，才能锁定操作模式，即将相关的状态位Q0.0、Q0.1、Q0.2和Q0.3复位。

    该子程序输出的边沿信号检测用来在电动机关机时刻启动**等待定时器，以便使电动机有足够的刹车时间。

    退出子程序后，这些状态位的值被复制到输出点Q0.0～Q0.3，这些输出点控制电动机启动器。输出点Q0.4和Q0.5分别用来表示“停机”状态和“**等待”状态。

    二、双向变较调速感应电动机控制系统硬件设计

    1．输入/输出信号分析

    根据上述的双向变较调速感应电动机的调速原理和要实现的功能，可知该控制系统的输入信号有：启动电动机的4个旋转开关，即低速/高速顺时针方向旋转开关各1个，低速/高速逆时针方向旋转开关各1个；瞬时接触开关1个，电动机过载开关1个，共6路数字输入信号，需6个输入端子。

    输出信号：控制电动机低速（高速）顺时针方向旋转和低速（高速）逆时针方向旋转的4路输出信号，电动机停止运行指示灯以及反方向启动指示灯各1个，共6路数字输出信号，需6个输出端子。

    2．PLC输入/输出分配表和资源分配表

    根据前述对双向变较调速感应电动机的控制目标以及功能实现，可设计如表7-10所示的PLC的输入/输出分配表，以及表7 11所示的资源分配表。

    表7-10    PLC输入/输出分配表

  交流伺服电动机驱动是较新发展起来的新型伺服系统，也是当前机床进给驱动系统方面的一个新动向。交流伺服电动机克服了直流电动机中电动机电刷和整流子要经常维修、电动机尺寸较大和使用环境受限制等缺点，能在较宽的调速范围内产生理想的转矩，结构简单，运行可靠，在数控机床等进给驱动系统较为精密的运动控制中得到了广泛应用。

    一、交流伺服电动机工作原理

    图7-37所示是交流伺服电动机的原理图，图中f和c表示装在定子上的两个绕组，它们在空间相差90°电角度。绕组厂由定值交流电压励磁，称为励磁绕组，绕组c是由伺服放大器供电而进行控制的，称为控制绕组，转子为笼型。

交流伺服电动机的原理图

    图7-37   交流伺服电动机的原理图

    交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机相似，当它在系统中运行时，励磁绕组固定地接到交流电源上，当控制绕组上的控制电压为零时，气隙内磁场为脉振磁场，电动机无启动转矩，转子不转。若在两相绕组上加以幅值相等、相位差90°电角度的对称电压，则在电动机的气隙中产生圆形的旋转磁场。若两个电压的幅值不等或相位不为90°电角度，则产生的磁场将是一个椭圆形旋转磁场。总之，若有控制电压加在控制绕组上，且控制绕组内流过的电流和励磁绕组内的电流不同相，则在气隙内会建立一定大小的旋转磁场。加在控制绕组上的信号不同，产生的磁场椭圆度也不同，改变控制信号，就可以改变磁场的椭圆度，从而控制伺服电机的转速。

    由于交流伺服电动机在各类机电设备中一般作为执行元件，将交流电信号转换为机床转轴上的角位移或角速度，所以要求转子速度的快慢能够反映控制信号的相位，无控制信号时电动机不转动。特别是当交流伺服电机处于转动状态时，如果控制信号消失，电机立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，若控制信号消失，往往不能立即停止而要继续转动一段时间。

    二、交流伺服电动机运动控制系统硬件设计

    在本实例中，要求控制交流伺服电动机先低速正转，再高速反转，较后停车。其中，实现电动机的正转和反转以及转速控制需要通过电动机驱动器进行设计。PLC的作用就是对驱动器进行控制，开启或关闭这些功能，从而实现对交流电动机的控制。

    1．输入/输出信号分析

    交流伺服电动机运动控制系统硬件组成示意图如图7-38所示，根据此硬件组成示意图以及上述的控制要求，可知该运动控制系统的输入信号有：电动机的启动和停止按钮各1个，共2路输入信号，需2个输入端子。

交流伺服电动机运动控制系统硬件组成示意图

    图7-38    交流伺服电动机运动控制系统硬件组成示意图

    输出信号：驱动电动机运行的驱动器1个，控制电动机运行方向（正转或反转）的输出信号1个，共2路输出信号，需2个输出端子。

    2．PLC的输入/输出分配表

    根据图7-38所示的交流伺服电动机运动控制系统硬件组成，以及交流伺服电动机的运动控制系统的输入/输出信号分析，可设计如表7-8所示的PLC主机的输入/输出分配表。