   一、应用背景与需求
    工业机床的控制在工业生产自动化控制中占有重要的位置。在机床行业中，多工步机床由于其工步及动作多，控制较为复杂。采用传统的继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，因此故障多，维修困难，费工费时。采用PLC控制，可使接线大为简化，不但安装十分方便，而且**了可靠性，减少了维修量，提高了工效。
    某多工步机床是用于加工棉纺锭子锭脚的一种加工机床，其锭脚加工工艺比较复杂，零件加工前为实心坯件，整个机械加工过程由7个刀具分别按照7个工步要求依次进行切削。7个工步依次为：钻孔、车平面、钻深孔、车外圆及钻孔、粗铰双节孔及倒角、精铰双节孔、铰锥孔，各工步的动作分解如图8-24所示。
    本节以该锭脚加工机床的PLC控制为例，介绍PLC在多工步机床控制系统中的应用。
    二、多工步机床PLC控制系统分析
    使用该机床进行加工时，工件由主轴上的夹头夹紧，并由主轴电机M1带动作旋转运动。大拖板带动回转工作台作纵向进给运动，其进给速度由工进电机（慢速电机M2）、快进电机（快速电机M3）经电磁气阀YV1离合器带动丝杠控制。小拖板的横向运动由电磁气阀YV1气压驱动。
    对于7把刀具，除了*2把刀（完成*2工步，即车平面）是由小拖板横向运动切削外，完成其余6个工步的6把刀均由大拖板带动回转工作台（六角）纵向运动切割，每完成一个工步，回转工作台转动一个工位，进行下一工步的切削。
    为简明期间，本例只对刀具进给运动的控制进行分析与设计，刀具进给运动的控制过程如下：
    (1)刀具进给的启动由启动按钮SB1发出启动指令。
    (2)刀具进给运动过程中，各动作之间的转换由限位开关发出指令；纵向快进结束压合限位开关ST1，发出工进指令。
    (3)工进结束压合限位开关ST2，发出延时指令，延时1s后开始纵向快退。
    (4)纵向快退结束后压合限位开关ST3，发出横向进给指令，由*一工步转入*二工步，发出下一工步快进指令。
    (5)横向进给结束压合限位开关ST4，发出横向退回指令及*三工步的快进指令，以后各工步的动作将重复*一工步的变化。
    另外，各动作之间应设置互锁，即某一个动作进行时，应锁定另一个动作，如快进与工进互锁、纵进与纵退互锁等。
    三、多工步机床控制系统硬件设计
    1．输入/输出信号分析
    根据对多工步机床控制系统的功能分析，可知其主要的输入和输出信号如下：
    输入信号：控制多工步机床刀具进给加工的开始按钮1个，行程开关共有4个，包括纵向快进到位行程开关1个、纵向工进到位行程开关1个、纵向后退到位开关1个以及横向进给到位行程开关1个，所以输入信号共5路，需5个输入端子。
    输出信号：主要是控制各类接触器以及电磁阀，包括纵向前进接触器、纵向快速接触器、纵向后退接触器以及横向前进电磁阀各1个，所以输出信号共4路，需4个输出端子。
    2．PLC的输入/输出分配表
    在对多工步转塔车床控制系统的各个硬件组成部分进行了详细分析后，可以对PLC主机的I/O点数进行分配，如表8-7所示。
    表8-7    多工步转塔车床控制系统的I/O点数分配表
    通过对各个输入和输出信号进行分析后可以得知，该多工步机床控制系统中有5个数字量输入信号和4个数字量输出信号，共需9个I/O点，根据I/O点数和容量，本实例可以选择S7-200系列PLC中的CPU221作为控制主机。
    4．硬件接线图
    根据PLC的输入/输出分配表，可以画出如图8-26所示的多工步机床PLC控制主机的硬件接线图。
    四、多工步机床PLC控制系统软件设计
    根据多工步转塔车床加工棉纺锭子、锭脚的加工工序，采用顺序控制指令可以编写出多工步转塔车床控制系统的PLC梯形图及语句表，如图8-27所示。
    （一）控制单元的选择
    自动放散点火系统的核心是控制单元，一般选用工控机、单片机和PLC，然而用工控机作为控制单元成本偏高；用单片机作为控制单元开发周期较长，抗干扰性差；用PLC则成本比较低，硬件工作量小，开发*。所以选PLC作为控制单元是较为合适的方案。目前PLC的种类繁多，不同厂家的PLC都自成体系，不具互换性。下面以SI-EM：NS7-200为例介绍其如何实现逻辑和顺序控制各设备的启动和停止等动作。
    SIEM：NS7-200是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。其模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展，能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护，它具有高电磁兼容性和强抗振动、冲击性，有很高的工业环境适应性，可适用于各种领域。其主要功能如下：
    (1)高速的指令处理：0.1～0. 6μs的指令处理时间从中等到较低性能要求的范围内开辟了全新的应用领域。
    (2)浮点数运算：用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算。
    (3)方便用户的参数赋值：提供一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值。
    (4)人机界面(HMI)：方便的人机界面服务已经集成在S7-200操作系统内，因此人机对话的编程要求大大减少。SIMENS人机界面(HMI)从S7-200中取得数据，S7-200按用户*的刷新速度传送这些数据。S7-200操作系统自动地处理数据的传送。
    (5)诊断功能：CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常；记录错误和特殊系统事件（例如：**时、模块更换等）。
    (6)口令保护：多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。
    (7)操作方式选择开关：操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序。
    (8)通讯：．这是一个经济而有效的解决方案。方便的STEP7用户界面提供了通讯组态功能，这使得组态非常*、简单。
    SIMENS S7-200具有多种不同的通讯接口，多种通讯处理器用来连接AS-I接口和工业以太网总线系统；串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统；多点接口( MPI)集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。CPU支持下列通讯类型：
    1)过程通讯：通过总线(AS-I或PROFIBUS)对I/O模块周期寻址（过程映象交换）。
    2)数据通讯：在自动控制系统之间、人机界面(LB＼41)和几个自动化功能块间相互调用。
    （二）自动点火的实现
    本系统专用于焦炉荒煤气自动放散点火，每套系统设置两个自动放散点火点，由系统柜和手动柜共同进行自动和手动控制。系统以集气管内煤气压力为检测信号，该信号以4～20mA电流信号进入PLC系统，当PLC检测到压力**规定较**，系统发出报警信号。PLC按预先设置的程序指令执行单元，开煤气阀、点火，开放散阀，开蒸汽阀。当管内煤气压力下降到正常值时，PLC再指令执行关放散阀、关蒸汽阀等，所以，可编程控制器为控制核心，**了整个系统的可靠、安全运行。
    每套点火装置操作步骤：
    上限声光报警→上上限声光报警→开点火阀→开启水封放散阀→蒸汽阀→关点火阀→关放散阀→关蒸汽阀。
    此次点火结束，准备下次点火。
    （三）自动放散点火系统的组成和功能
    1．系统组成
    AZFD-Ⅲ型点火系统的组成，主要包括PLC、显示操作、动力驱动、火焰检测和受控对象。
    (1)逻辑控制部分。该部分主要由PLC和中间继电器组成。该部分的PLC是整个系统的核心，负责控制整个点火过程和点火阀、放散阀、蒸汽阀的启停。并能将该系统挂接到DCS上，参与整个焦炉控制系统的实时通讯。
    系统柜的智能数显仪显示炉压（对炉压分为上限、上上限、下限、下下限4位，其值可在系统运行中随时进行重新调整），当4～20mA输入回路断开时炉压即时值显示屏会显示broke字样。
    通过系统柜PLC的程序，**下列控制功能：
    1)当炉压**上**发出声光预报警信号，以提醒有关人员进行相应操作。
    2)炉压**上上**发出声光预报警信号，当延时炉压仍在上上**，即开始自动开启水封放散阀（其开度是根据炉压分三级进行的），同时开点火阀配合点火，然后开蒸汽阀，关点火阀。自动点火模块程序如图9-13。
    3)放散过程中，炉压降至下限以下时，即开始自关放散阀，最后关汽阀。
    4)为防止氨水放散阀被焦油粘死，程序中设定了定期开放散阀，当定期内（10天）未放散点火，自动活动放散阀1～3次，两放散阀活动时间是错开的。从PLC的输出回路指示灯的明灭可观察到逐级打开放散阀、开点火阀及配合点火和开汽的全过程。也可观察到停止放散时关闭放散阀和关汽的过程。手动柜有数显指示仪显示两套放散阀的开度(0°～90°)。系统的和手动柜面上的手动按钮可分别对两套管进行手动操作。
    自动柜电源为220V交流电源，柜内配置后备式UPS电源，供停电时系统照常运行使用。
    (2)显示操作部分。该部分主要由模拟显示器、指示灯和操作按钮组成，它们分别布置在主控柜和现场柜的面板上，无论是在现场还是主控室，操作人员均能方便地操作设备，观察设备工作情况。
    (3)动力驱动部分。该部分主要由交流接触器、固态继电器、熔断器、信号隔离器等元件组成，主要布置在现场箱内。通过接收到控制信号去驱动设备工作，并将设备状态信号反馈到主控柜。
    (4)火焰检测部分。该部分主要由火焰检测器探头和处理板等组成，检测火焰是否点火是整个点火过程的关键。为了确保检测结果的正确性，本系统从布置和选型两方面予以考虑。在布置检测元件时，采用一对一的方式，即一个火焰测元件对应一个点火把装置；在选择检测元件时，根据点火燃料——混合煤气的燃烧特性，选用了带微处理器的紫外线型火焰检测仪，实现远距离监测火焰，避免了传统的热电偶在火焰高温区的烧坏和信号反馈滞后的弱点。该火焰检测器能见检测信号以开关量和模拟量的方式输出，开关量根据点火的需要反馈给点火控制过程，4～20mA的模拟输出信号则供DCS画面显示。
    (5)受控对象部分。该部分主要由高能激发点火器、不锈钢点火火焰传送器、电动执行机构、电动阀门等元件组成，它们均布置在现场。为了能确保点燃荒煤气，打火先点燃精煤气，然后蒸汽吹出，蒸汽的作用一是为了防止把炉筒烧坏，二是助燃。
自动点火模块程序框图
    图9-13    自动点火模块程序框图
    （四）程序设计
    本系统控制程序采用模块化的设计方法，把系统所需完成的功能分成自动点火模块、报警模块等，这样方便且易于操作。
    1．自动点火模块
    这是该系统的主要部分，点火时系统就按照点火步骤自动按顺序执行相应操作，直到点火结束，该模块的程序框图如图9-13所示，每执行一步程序都将检查*设备是否达到预定位置，如果达到炉压设定值，系统则发出报警信号，提醒有关人员进行相应的操作。
    2．报警模块
    当系统某一部位或功能出现异常时，将发出报警信号提醒运行人员注意。