雷 鈞 陳志楚 羅 敏

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

汽車零部件為了得到較高的硬度，多采用淬火工藝，感應(yīng)加熱在汽車零部件生成中應(yīng)用廣泛[1-3]。本文把采集到的感應(yīng)淬火機(jī)床能量相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲，便于監(jiān)控感應(yīng)淬火過程和數(shù)據(jù)查詢[4-6]。

1 監(jiān)控方案設(shè)計(jì)

感應(yīng)淬火機(jī)床能量監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集如圖1 所示，主要包括上位機(jī)、S7-1212PLCPLC、傳感器和變送器等。感應(yīng)加熱電源把交流整流成直流后，直流電流和直流電壓經(jīng)對應(yīng)的傳感器和變送器變?yōu)?～10 V 電壓進(jìn)入PLC 的A/D。PLC 將實(shí)時(shí)采集的0～10 V 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并進(jìn)行標(biāo)度變換，然后計(jì)算加熱時(shí)間、加熱功率、加熱能量等數(shù)據(jù)。上位機(jī)淬火機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)對感應(yīng)淬火過程進(jìn)行監(jiān)控，上位機(jī)和PLC 用Profinet 連接，通信采用西門子S7 協(xié)議。PLC 把計(jì)算結(jié)果用通信方式送入上位機(jī)淬火機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)。上位機(jī)接收PLC 的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，進(jìn)行顯示和存儲，上位機(jī)也發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)給PLC。

圖1 能量監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

2 感應(yīng)加熱數(shù)據(jù)計(jì)算

感應(yīng)加熱電源把輸入交流經(jīng)整流后變換為直流，直流電壓為U，電流為I，淬火機(jī)床的直流功率P為

淬火機(jī)床的直流能量Q為

PLC 處理的是離散數(shù)據(jù)，計(jì)算不了式（2）中的時(shí)間積分，可以用求和代替積分，能量Q為

式中：T為采樣周期；k為采樣序號；P(i)為第i次的直流功率。

3 上位機(jī)與PLC 通信數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

上位機(jī)與PLC 的通信內(nèi)容包括上位機(jī)讀取PLC 的數(shù)據(jù)和上位機(jī)寫入PLC 的數(shù)據(jù)，為此設(shè)計(jì)了PLC 的DB1 作為交換數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊，見表1，這樣方便上位機(jī)讀寫PLC 的多個(gè)單元，節(jié)省通信時(shí)間[2]。

表1 通信內(nèi)容表

通道號數(shù)值為1～8；啟動(dòng)信號用到的位信號有：NO.0=0 為加熱停止；NO.0=1 為加熱啟動(dòng)；NO.1=1為開始記錄；NO.1=0 為停止記錄；NO.2=0 為控制模式；NO.2=1 為監(jiān)視模式。報(bào)警信號用到的位信號為：NO.0 為欠電壓；NO.1 為過電壓；NO.2 為欠電流；NO.3 為過電流；NO.4 為欠時(shí)間；NO.5 為過時(shí)間；NO.6 為欠能量；NO.7 為過能量。報(bào)警信號按位操作0 是正常、1 是不正常。為了保證數(shù)據(jù)保留1 位小數(shù)的精度，電壓、電流、功率和加熱時(shí)間這些數(shù)據(jù)是PLC 經(jīng)過計(jì)算得到的小數(shù)擴(kuò)大10 倍變?yōu)檎麛?shù)，上位機(jī)除以10 進(jìn)行處理。加熱時(shí)間上限、下限、設(shè)定值是一位小數(shù)，上位機(jī)乘以10 后寫入到PLC。

DB1.DBD66 為1 表示加熱時(shí)間優(yōu)先，即加熱時(shí)間到設(shè)定值就停止加熱；DB1.DBD66 為0 表示能量優(yōu)先，即加熱能量到設(shè)定值就停止加熱。加熱時(shí)間和加熱能量只能2 選1。

當(dāng)程序剛開始運(yùn)行時(shí)，上位機(jī)寫入PLC 的電源參數(shù)設(shè)定值。淬火設(shè)備在應(yīng)對多品種淬火時(shí)，需要選擇對應(yīng)的工藝參數(shù)文件[3]。當(dāng)通道號發(fā)生變化時(shí)，上位機(jī)從當(dāng)前工藝文件中讀取對應(yīng)的工藝參數(shù)設(shè)定值，發(fā)指令把參數(shù)寫入到PLC。上位機(jī)每隔固定時(shí)間就讀取PLC 的相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 PLC 控制程序設(shè)計(jì)

除了DB1 的數(shù)據(jù)外，本文在PLC 控制梯形圖程序中所用變量含義、數(shù)據(jù)類型、存儲器地址見表2。本文主要設(shè)計(jì)了主程序OB1 和1 ms 循環(huán)中斷程序OB30，控制程序整體流程如圖2 所示。在OB1 中啟動(dòng)/停止1 ms 循環(huán)中斷程序，采集電流、電壓等數(shù)據(jù)并進(jìn)行標(biāo)度變換，對電壓、電流、加熱時(shí)間和加熱能量等數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警處理。在OB30 中，計(jì)算加熱時(shí)間、加熱功率和加熱能量。

表2 PLC 變量表

圖2 控制程序整體流程圖

4.1 循環(huán)中斷程序

本課題之所以不用PLC 定時(shí)器而用循環(huán)中斷計(jì)算加熱時(shí)間，是因?yàn)镻LC 采用循環(huán)掃描工作方式，定時(shí)時(shí)間不可能每次都一樣，而循環(huán)中斷的時(shí)間精度會高一些。取采樣周期T為1 ms，即PLC 循環(huán)中斷的間隔時(shí)時(shí)間是1 ms，在PLC 程序計(jì)算中，加熱時(shí)間用的是累加時(shí)間，功率和能量計(jì)算更準(zhǔn)確。

PLC 程序計(jì)算加熱時(shí)間如圖3 所示，每中斷1 次，加熱時(shí)間MD6 加1 ms，DB1.DW14 是給上位機(jī)讀取的加熱時(shí)間，單位為s，保留1 位小數(shù)，因此MD6 的數(shù)據(jù)除以1 000 得到以秒為單位的加熱時(shí)間，然后擴(kuò)大10 倍變?yōu)檎麛?shù)給DB1.DW14，見式（4）。同理，根據(jù)式（1），計(jì)算功率見式（5），計(jì)算加熱功率程序如圖4 所示，計(jì)算功率MD12 單位是W，上位機(jī)讀取功率DB1.DW10 單位是0.1 kW。

圖3 計(jì)算加熱時(shí)間程序

圖4 計(jì)算加熱功率程序

根據(jù)式（3），每中斷1 次，功率DB1.DW10乘以1 ms 得到瞬時(shí)能量MD32，單位是0.1 kW·ms。累積能量MD36=MD36+MD32，單位是0.1 kW·ms。上位機(jī)讀取能量DB1.DW12 單位是kJ，因此需要MD36 除以1 000，如圖5 所示。

圖5 計(jì)算能量程序

4.2 標(biāo)度變換程序

電流和電壓傳感器的信號0～10 V 輸入到PLC的模擬量輸入通道1 和2，對應(yīng)的地址是IW64 和IW66，需要轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的工程量，傳感器轉(zhuǎn)換量程表見表3，標(biāo)度變換公式見式（6）。圖4 和式（5）的MD170 和MD190 就是電壓和電流的實(shí)際工程量。電壓標(biāo)度變換PLC 程序如圖6 所示，用PLC 的轉(zhuǎn)換操作指令NORM 和SCALE。DB1.DW4是給上位機(jī)讀取的電壓，單位是V，保留1 位小數(shù)，因此MD170 的數(shù)據(jù)擴(kuò)大10 倍變?yōu)檎麛?shù)給DB1.DW4。

表3 傳感器轉(zhuǎn)換量程表

圖6 電壓標(biāo)度變換程序

4.3 判斷報(bào)警程序

判斷報(bào)警程序就是判斷電壓、電流、加熱時(shí)間、加熱能量是否超出設(shè)定范圍。PLC 程序用按位或1指令把報(bào)警信號的相應(yīng)位置1 來報(bào)警；用按位與0指令把報(bào)警信號的相應(yīng)位置0 來清除報(bào)警。

對于電壓和電流的報(bào)警檢測：需要加熱啟動(dòng)后延時(shí)3 s 后檢測電壓和電流的下限報(bào)警，否則開始加熱就會出現(xiàn)下限報(bào)警，因?yàn)檎骱虯/D 轉(zhuǎn)換需要時(shí)間，那時(shí)電壓和電流的檢測值會低于下限。開始加熱就可以檢測電壓和電流的上限報(bào)警。如圖7 所示，M10.0 導(dǎo)通后3 s 后M11.0 導(dǎo)通。電壓上下限報(bào)警程序如圖8 所示，M10.0 導(dǎo)通后如果電壓值DB1.DBW4 大于電壓上限D(zhuǎn)B1.DBD18，則報(bào)警信息DB1.DBW16 的第1 位就置1 表示過電壓，報(bào)警信息的其他位保持不變，因此用了按位或指令，DB1.DBW16 和0002H 相或；如果電壓值小于電壓上限，則報(bào)警信息的第1 位就置0 表示正常，報(bào)警信息的其他位保持不變，因此用了按位與指令，DB1.DBW16 和FFFDH 相與。M11.0 導(dǎo)通后如果電壓值小于電壓下限D(zhuǎn)B1.DBD22，則報(bào)警信息DB1.DBW16 的第0 位就置1 表示欠電壓，DB1.DBW16 和0001H 相或；如果電壓值大于電壓下限，則報(bào)警信息的第0 位就置0 表示正常，DB1.DBW16和FFFEH 相與。

圖8 電壓上下限報(bào)警程序

由于加熱時(shí)間和加熱能量是累積值，因此需要加熱停止時(shí)才能進(jìn)行下限報(bào)警檢測，開始加熱就可以進(jìn)行上限報(bào)警檢測，并且加熱時(shí)間和能量一旦有報(bào)警就不會消除。能量上下限報(bào)警程序如圖9 所示，DB1.DBD66 為1，M10.0 導(dǎo)通后如果能量值DB1.DW12 大于能量上限D(zhuǎn)B1.DBD54，則報(bào)警信息DB1.DBW16 的第7 位就置1 表示過能量，DB1.DBW16 和0080H 相或；M10.0 關(guān)斷后如果能量值小于能量下限，則報(bào)警信息的第6 位就置1 表示欠能量，DB1.DBW16 和0040H 相或。

圖9 能量上下限報(bào)警程序

4.4 啟動(dòng)/停止循環(huán)中斷程序

如圖10 所示，用M10.0 從0 到1 的上升沿啟動(dòng)1 ms 循環(huán)中斷，SET_CINT 指令的CYCLE 是循環(huán)中斷的循環(huán)時(shí)間，此處設(shè)置為1 000 μs（1 ms），接著把MD6、MD32、MD36 和DB1.DBW16 清0。如圖11 所示，用M10.0 從1 到0 的下降沿停止1 ms循環(huán)中斷，CYCLE 設(shè)置為0。

圖10 啟動(dòng)循環(huán)中斷程序

圖11 停止循環(huán)中斷程序

5 運(yùn)行結(jié)果

本文所設(shè)計(jì)的PLC 控制程序經(jīng)現(xiàn)場運(yùn)行，工作正常，計(jì)算準(zhǔn)確，上位機(jī)與PLC 的DB1 數(shù)據(jù)交互正確。用西門子PLC 編程軟件TIA Portal 監(jiān)控程序運(yùn)行情況，DB1 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如圖12 所示，電壓500.8 V，電流200.6 A，功率100.4 kW，加熱時(shí)間12.6 s，能量1 267 kJ，符合實(shí)際計(jì)算值。電壓和電流上下限設(shè)定在正常值的±10%范圍內(nèi)[7]，電壓上限550 V，下限450 V；電流上限220 A，下限180 A?？刂品绞綖榧訜釙r(shí)間，設(shè)定100 s，能量上限10 500 kJ，下限9 500 kJ。從監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以看出無報(bào)警，因此報(bào)警信息DB1.DBW16 為0。如圖13 所示，電壓586.0 V，電流234.8 A，超過了各自的上限，因此DB1.DBW16 二進(jìn)制為0000000000001010B，10 進(jìn)制為10，為過電壓、過電流報(bào)警。

圖12 DB1 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)1