机床能量监控系统的建立和数控系统调试

　　摘要：本文介绍了在基于三菱E60数控系统的热处理机床上实现能量监控的技术要点，介绍了使用宏程序和常规的PLC程序处理模拟信号的方法以及调试系统时遇到的问题及解决方案。

　　关键词：能量监控 E60数控系统 模拟信号

　　1.数控热处理机床对’能量监控”的要求

　　基于数控系统的热处理机床，其主要功能是运用数控系统使工件精确定位，热处理机床对工件的特定部位进行加热喷水等处理，数控系统对工艺所要求的定位，运行轨迹控制(如斜齿轮齿槽)和加热时间，喷水冷却时间的控制是能够方便的进行处理的。但热处理淬火机床还有一项要求是进行“能量监控”，其要求是对加热和冷却过程中工作电源的电流和电压，流量进行控制，当电流和电压，流量在一定数值范围时，才能满足热处理工艺的要求。

　　通常的高端热处理淬火机床，其“能量监控”的处理办法是另外用一套“PLC+AD+工控机”，即通过AD模块取得电流，电压和流量的模拟信号送入PLC中作逻辑处理，然后送入工控机中显示和保存。这种方法的一个明显的缺点是增加了一套控制系统，使机床控制系统的成本，安装布线，程序编制工作量大大增加。

　　能否直接利用使用数控系统实现“能量监控”的要求，换言之：能否直接使用数控系统实现对多个标准模拟信号的处理呢?

　　笔者通过对三菱数控系统各功能单元的研究，决定采用“E60控制器+基本I/O+DX140”构成一套具备多个标准模拟信号采集功能的数控系统，其中运动控制部分由常规控制完成。而模拟信号的采集，则由特殊远程I/O模块“DX140”来完成。

　　2.实际监控中的问题

　　2.1DX140的基本特性

　　DX140是一个具有“32点开关量输入，32点开关量输出，4点模拟信号输入，1点模拟信号输出”的特殊远程I/O单元。但必须注意，在使用其模拟输入信号时，必须是+/-15V的电压信号，不能使用4—20mA的电流信号!其分辨率=200，即10v=2000,模拟输入的采样时间=42.6ms。其输入信号技术规范如图1：

　　图1DX140的模拟信号技术规范

　　2.2DX140的实际使用：

　　1)DX140四个通道只能接受电压信号，而客户的流量计为电流信号，所以需要进行再次转换;

　　DX140模块中的模拟输入信号的接法如图2所示。其专用电缆如图3所示：

　　图2 DX140接法

　　图3 DX140 模拟信号 专用电缆

　　2.3对模拟信号监控的PLC程序

　　在实际的PLC程序中，与4个模拟信号相对应的接口分别为R0,R1,R2,R3，将R0,R1,R2,R3编入PLC程序当中并对PLC程序进行监控时就可以看到各模拟输入信号的变化。

　　图4是对模拟信号的“当前值”和“平均值”进行监控和显示的PLC程序。由于取出的信号中受到干扰，跳动很大，必须进行平均值处理才能使用。

　　另外数据处理时要先乘后除。注意在进行除法运算时，必须使用32位的运算，否则会引起数据溢出和运算错误。

　　图4.对外部模拟信号进行监控的PLC 程序

　　2.4在实际对模拟信号监控时出现下列问题：

　　)模拟信号不稳定：

　　工作电流数值：通过互感器取出的模拟电压信号经转换后的数字量跳动幅度在10---30;即在数字表上观察到的电流值在350，而经过A/D转换在PLC程序中观察到的数值在在340—370变化;

　　)工作电压数值：通过互感器取出的模拟电压信号跳动幅度在200---300;即在数字表上观察到的电压值在450-459V，而经过A/D转换在PLC程序中观察到的数值在300---590之间变化，无法直接使用该数据进行比较判断;

　　为此必须对采集的模拟信号进行处理，也就是进行平均值计算，平均值能够在很大程度上反映实际工作电源的有效值。

　　常规的A/D模块是可以在模块上设定平均值的取样方式的。但DX140不具备该项功能，必须在PLC程序中处理：

　　3.PLC程序和宏程序对模拟信号的处理

　　采集并进行平均值计算的方法有两种：

　　3.1在PLC程序中编制相关程序，其PLC程序如图5所示：

　　图5.采样和平均值处理的PLC处理

　　在图5中，使用一计时器T60，使其在不同的采样时间点上发出脉冲，利用该脉冲实施采样，最后对采样值进行平均值计算。该方法程序编制量大，不易对采样时间，采用次数进行外部设定，修改程序困难。

　　3.2用数控系统的宏程序进行处理，该方法的优点是程序柔性好，能通过变量对采样时间，采样次数进行任意设置，现将该宏程序的编制要点阐述如下：

　　)先利用宏程序读出进入PLC内部的R0---R3值;

　　N10#100100=6------------------指定读取R类元件

　　N20#100101=0---------------指定读取的元件号(R0)

　　N30#100102=2------------------指定读取字元件的字节长度(16bit)

　　N40#100103=1-------------------指定读取元件的“位”

　　N50#300=#100110------变量#100110是被读取(R0)的数值

　　N60#100101=1---------------指定读取的元件号(R1)

　　N70#310=#100110------变量#100110是被读取(R1)的数值

　　N80#100101=2---------------指定读取的元件号(R2)

　　N90#320=#100110------变量#100110是被读取(R2)的数值

　　N80#100101=3---------------指定读取的元件号(R3)

　　N90#330=#100110------变量#100110是被读取(R3)的数值

　　)编制一循环程序，反复对R0值进行取样，取样的数值存放在顺序变量中，

　　)对顺序变量进行累加处理，

　　)对累加值进行求平均值处理;

　　)将求得的平均值通过宏程序接口(R172)送入PLC程序中，由PLC程序进行判断比较。

　　取电流电压平均值的实用宏程序

　　9100(宏程序---取电流电压平均值)

　　N10#100100=6------------------指定读取R类元件

　　N20#100101=0---------------指定读取的元件号(R0)

　　N30#100102=2------------------指定读取字元件的字节长度(16bit)

　　N40#100103=1-------------------指定读取元件的“位”

　　N50#300=#100110------变量#100110是被读取(R0)的数值

　　N60#100101=1---------------指定读取的元件号(R1)

　　N70#310=#100110------变量#100110是被读取(R1)的数值

　　N80#100101=2---------------指定读取的元件号(R2)

　　N90#320=#100110------变量#100110是被读取(R2)的数值

　　N80#100101=3---------------指定读取的元件号(R3)

　　N90#330=#100110------变量#100110是被读取(R3)的数值

　　N100#2=#510/#500----------#2=取样次数;(#510--取样总时间，#500为取样周期)

　　N110WHILE[#1LE#2]DO1

　　N120G04X#500---------------#500为取样周期

　　N130#(800+#1)=#320;----------取模拟量(R2)数值

　　N140#(800+#1)=#(800+#1)+#[800+(#1-1)]---取出的模拟量进行累加

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

　　N160#(900+#1)=#330;---取模拟量(R3)数值

　　N170#(900+#1)=#(900+#1)+#[900+(#1-1)]---取出的模拟量进行累加

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

　　N190#1=#1+1

　　N200END1

　　使用宏程序的好处是可以在显示屏上任意设定采样周期和采样总的时间。在上述的P9100宏程序中，设定共变量500为采样周期，设定共变量510为采样总时间，共变量500和510都可以在显示屏上任意设定，只要将采样周期设定的足够小，就可以得到足够精度的模拟信号平均值。这在调试时对模拟信号的确认极为方便。

　　4.监控数据在屏幕上的显示

　　客户要求对所监控的流量，电流，电压值在屏幕上进行监控。在E60数控系统的显示屏上如何来实现客户的这一要求呢?

　　经过分析研究及实验，屏幕上的S,T均有对应的R接口，只要通过PLC程序向其R接口送入相应的数据，就可以在屏幕上有相应的显示。

　　另外在“坐标值画面”，E60系统原来提供一显示主轴负载和Z轴负载的窗口画面，该窗口也可以经过处理后用于显示相关的电流电压数据。

　　本工程中确定用T显示内流量R0,其对应的接口是R36,用S显示外流量R1,其对应的接口是R108。

　　对显示主轴负载和Z轴负载的窗口画面进行重新定义，对原来显示主轴负载的接口R152现在定义为显示电流;对原来显示Z轴负载的接口R154现在定义为显示电压;这样在“坐标值画面”上就可以观察到4个外部信号，满足了客户的要求。相关画面如图6所示：

　　图6.实际电流电压的显示

　　5 输入信号接反时出现的烧损

　　在调试期间曾经发生一起烧损事故，在将模拟信号电缆接到端子排时，将A11与GND电缆接反，结果造成下列部件严重烧损：

　　电缆被烧损;

　　DX140被烧损;

　　电控柜内的接线端子排被烧黑;

　　当时模拟信号电压仅仅2.5V,虽然很低的电压，也造成了严重的烧损，这是值得注意的。