機床能量監控系統的建立和數控系統調試

　　摘要：本文介紹了在基于三菱E60數控系統的熱處理機床上實現能量監控的技術要點，介紹了使用宏程序和常規的PLC程序處理模擬信號的方法以及調試系統時遇到的問題及解決方案。

　　關鍵詞：能量監控 E60數控系統 模擬信號

　　1.數控熱處理機床對’能量監控”的要求

　　基于數控系統的熱處理機床，其主要功能是運用數控系統使工件精確定位，熱處理機床對工件的特定部位進行加熱噴水等處理，數控系統對工藝所要求的定位，運行軌跡控制(如斜齒輪齒槽)和加熱時間，噴水冷卻時間的控制是能夠方便的進行處理的。但熱處理淬火機床還有一項要求是進行“能量監控”，其要求是對加熱和冷卻過程中工作電源的電流和電壓，流量進行控制，當電流和電壓，流量在一定數值范圍時，才能滿足熱處理工藝的要求。

　　通常的高端熱處理淬火機床，其“能量監控”的處理辦法是另外用一套“PLC+AD+工控機”，即通過AD模塊取得電流，電壓和流量的模擬信號送入PLC中作邏輯處理，然后送入工控機中顯示和保存。這種方法的一個明顯的缺點是增加了一套控制系統，使機床控制系統的成本，安裝布線，程序編制工作量大大增加。

　　能否直接利用使用數控系統實現“能量監控”的要求，換言之：能否直接使用數控系統實現對多個標準模擬信號的處理呢?

　　筆者通過對三菱數控系統各功能單元的研究，決定采用“E60控制器+基本I/O+DX140”構成一套具備多個標準模擬信號采集功能的數控系統，其中運動控制部分由常規控制完成。而模擬信號的采集，則由特殊遠程I/O模塊“DX140”來完成。

　　2.實際監控中的問題

　　2.1DX140的基本特性

　　DX140是一個具有“32點開關量輸入，32點開關量輸出，4點模擬信號輸入，1點模擬信號輸出”的特殊遠程I/O單元。但必須注意，在使用其模擬輸入信號時，必須是+/-15V的電壓信號，不能使用4—20mA的電流信號!其分辨率=200，即10v=2000,模擬輸入的采樣時間=42.6ms。其輸入信號技術規范如圖1：

　　圖1DX140的模擬信號技術規范

　　2.2DX140的實際使用：

　　1)DX140四個通道只能接受電壓信號，而客戶的流量計為電流信號，所以需要進行再次轉換;

　　DX140模塊中的模擬輸入信號的接法如圖2所示。其專用電纜如圖3所示：

　　圖2 DX140接法

　　圖3 DX140 模擬信號 專用電纜

　　2.3對模擬信號監控的PLC程序

　　在實際的PLC程序中，與4個模擬信號相對應的接口分別為R0,R1,R2,R3，將R0,R1,R2,R3編入PLC程序當中并對PLC程序進行監控時就可以看到各模擬輸入信號的變化。

　　圖4是對模擬信號的“當前值”和“平均值”進行監控和顯示的PLC程序。由于取出的信號中受到干擾，跳動很大，必須進行平均值處理才能使用。

　　另外數據處理時要先乘后除。注意在進行除法運算時，必須使用32位的運算，否則會引起數據溢出和運算錯誤。

　　圖4.對外部模擬信號進行監控的PLC 程序

　　2.4在實際對模擬信號監控時出現下列問題：

　　)模擬信號不穩定：

　　工作電流數值：通過互感器取出的模擬電壓信號經轉換后的數字量跳動幅度在10---30;即在數字表上觀察到的電流值在350，而經過A/D轉換在PLC程序中觀察到的數值在在340—370變化;

　　)工作電壓數值：通過互感器取出的模擬電壓信號跳動幅度在200---300;即在數字表上觀察到的電壓值在450-459V，而經過A/D轉換在PLC程序中觀察到的數值在300---590之間變化，無法直接使用該數據進行比較判斷;

　　為此必須對采集的模擬信號進行處理，也就是進行平均值計算，平均值能夠在很大程度上反映實際工作電源的有效值。

　　常規的A/D模塊是可以在模塊上設定平均值的取樣方式的。但DX140不具備該項功能，必須在PLC程序中處理：

　　3.PLC程序和宏程序對模擬信號的處理

　　采集并進行平均值計算的方法有兩種：

　　3.1在PLC程序中編制相關程序，其PLC程序如圖5所示：

　　圖5.采樣和平均值處理的PLC處理

　　在圖5中，使用一計時器T60，使其在不同的采樣時間點上發出脈沖，利用該脈沖實施采樣，最后對采樣值進行平均值計算。該方法程序編制量大，不易對采樣時間，采用次數進行外部設定，修改程序困難。

　　3.2用數控系統的宏程序進行處理，該方法的優點是程序柔性好，能通過變量對采樣時間，采樣次數進行任意設置，現將該宏程序的編制要點闡述如下：

　　)先利用宏程序讀出進入PLC內部的R0---R3值;

　　N10#100100=6------------------指定讀取R類元件

　　N20#100101=0---------------指定讀取的元件號(R0)

　　N30#100102=2------------------指定讀取字元件的字節長度(16bit)

　　N40#100103=1-------------------指定讀取元件的“位”

　　N50#300=#100110------變量#100110是被讀取(R0)的數值

　　N60#100101=1---------------指定讀取的元件號(R1)

　　N70#310=#100110------變量#100110是被讀取(R1)的數值

　　N80#100101=2---------------指定讀取的元件號(R2)

　　N90#320=#100110------變量#100110是被讀取(R2)的數值

　　N80#100101=3---------------指定讀取的元件號(R3)

　　N90#330=#100110------變量#100110是被讀取(R3)的數值

　　)編制一循環程序，反復對R0值進行取樣，取樣的數值存放在順序變量中，

　　)對順序變量進行累加處理，

　　)對累加值進行求平均值處理;

　　)將求得的平均值通過宏程序接口(R172)送入PLC程序中，由PLC程序進行判斷比較。

　　取電流電壓平均值的實用宏程序

　　9100(宏程序---取電流電壓平均值)

　　N10#100100=6------------------指定讀取R類元件

　　N20#100101=0---------------指定讀取的元件號(R0)

　　N30#100102=2------------------指定讀取字元件的字節長度(16bit)

　　N40#100103=1-------------------指定讀取元件的“位”

　　N50#300=#100110------變量#100110是被讀取(R0)的數值

　　N60#100101=1---------------指定讀取的元件號(R1)

　　N70#310=#100110------變量#100110是被讀取(R1)的數值

　　N80#100101=2---------------指定讀取的元件號(R2)

　　N90#320=#100110------變量#100110是被讀取(R2)的數值

　　N80#100101=3---------------指定讀取的元件號(R3)

　　N90#330=#100110------變量#100110是被讀取(R3)的數值

　　N100#2=#510/#500----------#2=取樣次數;(#510--取樣總時間，#500為取樣周期)

　　N110WHILE[#1LE#2]DO1

　　N120G04X#500---------------#500為取樣周期

　　N130#(800+#1)=#320;----------取模擬量(R2)數值

　　N140#(800+#1)=#(800+#1)+#[800+(#1-1)]---取出的模擬量進行累加

　　N150#1134=#(800+#1)/(#1+1)----計算平均值(#1134=R176)

　　N160#(900+#1)=#330;---取模擬量(R3)數值

　　N170#(900+#1)=#(900+#1)+#[900+(#1-1)]---取出的模擬量進行累加

　　N180#1135=#[900+(#1)]/(#1+1)----計算平均值(#1133=R174)

　　N190#1=#1+1

　　N200END1

　　使用宏程序的好處是可以在顯示屏上任意設定采樣周期和采樣總的時間。在上述的P9100宏程序中，設定共變量500為采樣周期，設定共變量510為采樣總時間，共變量500和510都可以在顯示屏上任意設定，只要將采樣周期設定的足夠小，就可以得到足夠精度的模擬信號平均值。這在調試時對模擬信號的確認極為方便。

　　4.監控數據在屏幕上的顯示

　　客戶要求對所監控的流量，電流，電壓值在屏幕上進行監控。在E60數控系統的顯示屏上如何來實現客戶的這一要求呢?

　　經過分析研究及實驗，屏幕上的S,T均有對應的R接口，只要通過PLC程序向其R接口送入相應的數據，就可以在屏幕上有相應的顯示。

　　另外在“坐標值畫面”，E60系統原來提供一顯示主軸負載和Z軸負載的窗口畫面，該窗口也可以經過處理后用于顯示相關的電流電壓數據。

　　本工程中確定用T顯示內流量R0,其對應的接口是R36,用S顯示外流量R1,其對應的接口是R108。

　　對顯示主軸負載和Z軸負載的窗口畫面進行重新定義，對原來顯示主軸負載的接口R152現在定義為顯示電流;對原來顯示Z軸負載的接口R154現在定義為顯示電壓;這樣在“坐標值畫面”上就可以觀察到4個外部信號，滿足了客戶的要求。相關畫面如圖6所示：

　　圖6.實際電流電壓的顯示

　　5 輸入信號接反時出現的燒損

　　在調試期間曾經發生一起燒損事故，在將模擬信號電纜接到端子排時，將A11與GND電纜接反，結果造成下列部件嚴重燒損：

　　電纜被燒損;

　　DX140被燒損;

　　電控柜內的接線端子排被燒黑;

　　當時模擬信號電壓僅僅2.5V,雖然很低的電壓，也造成了嚴重的燒損，這是值得注意的。