西门子模块6ES7214-1HF40-0XB0性能参数
一、应用背景
工业控制技术经过近几年的发展，已从早期的单机控制逐步走向了集中监控、集散控制。如今已进入网络时代，工业控制器的网络化也成为工控技术发展方向之一。为了方便不同厂家的不同控制单元进行组网，诞生了很多种通信协议，其中Modbus协议就是工业控制器的网络协议中应用较为普遍的一种。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。
因此在很多PLC中也专门针对MODBUS的通讯外围设备设置了专用的驱动指令。例如台达PLC中就有“MODRD”、“MODRW”、“RS”等MODBUS资料传输指令，但这些指令在使用时每次只能传输一组数据，无法同时传输多组数据，这就给设备的监控带来了一定的麻烦。例如在PLC和变频器之间通讯，若需要将变频器运行时的频率、电流、温度等数据瞬时传送给PLC，由 PLC对这些数据做出分析判断，并将参数显示在人机界面中。这时若用同一指令对几个参数分别传送，就会发现传出的数据并不是我们所需要的，数据明显的出现了混乱，有时还会出现乱码。
不同的参数在变频器中的地址本身就不相同，当然我们也需要在PLC中划分出不同的存储区来存放这些参数。既然地址是不同的那就排除了地址冲突的可能性，所以可能造成数据混乱的原因就应该是指令传输的时间发生了冲突。因此，为了避免多个参数传输时发生冲突，在区别其地址的基础上还需要区别其传输的时间。
二、实施方法
就以我公司所生产的新型精梳机为例，来具体说明实施的方法。精梳机是近年来在纺织行业使用较为普遍的一种设备，其主要作用是排出梳棉生条中一定长度以下的短纤维，提高纤维整齐度，进一步清除纤维中残留的棉结、杂质，提高纤维光洁度。由于精梳机的电气控制部分采用了PLC运算控制，变频器驱动调速，触摸屏操作显示的控制主线，因此在三者间就必然会用通讯协议来传输数据。其中触摸屏通过RS232接口与PLC连接，变频器通过RS485接口与PLC连接。
由于纺织设备通常使用在高温、高湿的环境里，并且空气中飘浮着大量的棉絮，因此在这种较为恶劣的环境中应用时变频器是应安装在电气柜中的。很多情况下我们都是通过电机的负荷来分析机械故障的，而电机的运行参数又直接反应在变频器上。根据变频器所显示的电机频率我们可以判断精梳机的实际运行速度是否符合设定速度；根据变频器所显示的电机电流我们可以判断精梳机的传动机构间隙是否合适，轴承运动是否灵活；根据变频器所显示的温度我们可以判断变频器的冷却风道是否被棉絮堵塞等等。但实际使用时电气柜是关闭的，而且变频器的显示区每次只能显示一个参数，若要查看其它参数就需要在变频器上不断的切换，很不方便。
在这种情况下，操作者和检修者对设备的运行情况并不能直观的了解，这就给检修与维护带来了很大的不便，如果能把变频器运行时的频率、电流、温度等参数在触摸屏上同时显示出来，就能直观的掌握电机的负荷和设备的运行状况了。我们使用的是台达VFD055M43A型变频器，支持Modbus协议，参照说明书不难看出频率、电流、温度的字址分别是2103H、2104H和210DH，在台达PLC程序中可以利用“MODRD”指令对变频器进行资料读取。为了避免读取数据的时间发生冲突，可以在PLC中利用软件来形成循环的时间脉冲，对这些参数依次读取。
假设在触摸屏上显示频率、电流、温度的寄存器地址分别是D1、D2和D3，刷新的时间是7个单位时间，先利用PLC编程软件形成一个如下图所示的循环时间脉冲，当然编制这个程序也有不同的方法，这里就不详细叙述了。可以用T1、T2和T3分别来触发“MODRD”指令，从而在不同的时间送出所需要的资料。
具体的做法可参照下面的程序，终传输的变频器参数可以作为一个画面显示在触摸屏中。
PLC中的相关程序
触摸屏中的相关画面
三、结束语
当然，要实现这些功能还有其它很多种方法，设计者也可根据自己的习惯选择。此外，也可以根据显示参数的数量来确定时间脉冲的数量，终形成一个脉冲对应一个参数的关系。也可以通过程序设定脉冲周期，从而根据需要来改变参数的刷新时间，终实现对多个参数的通讯传输功能。目前，国际上汽车生产所采用的感应淬火设备正逐步向柔性化程度发展。通用淬火机床更加通用，功能更加完善。具有代表性的日本DKK、西班牙GH、德国 AEG、跨国公司的EFD产品应用十分广泛。它们的共同特点是，在一台淬火机床口可对不同性能要求的不同零件进行感应加热淬火，甚至同一零件多段变功变速也能达到；采用计算机控制技术监控并显示淬火过程和工艺参数，跟踪全部加工过程，数控技术应用十分活跃并日渐成熟；计算机控制成为控制主流，主驱动采用交流伺服电机拖动，移动速度稳定均匀、定位准确、重复精度高；零件旋转采用变频调速，能适应多方面工艺要求；代表机械传动技术的滚珠丝杠和直线导轨等**技术被大量采用；配套成龙的电源、淬火机床、冷却系统的感应加热淬火装置已屡见不鲜。
自改革外放以来，一汽集团公司虽然引进了多台感应淬火设备，但汽车生产中应用多的通用试验设备仍是低层次的PLC控制的淬火机床。其效率低、功能差、难以保证淬火质量。
为了保证汽车新产品开发进度，弥补通用淬火机床功能不足，在消化理解国外**技术的基础上，经过两年的刻苦攻关，集团公司采用数控和能量控制技术研制成功并直接应用于生产的通用多功能卧式数控淬火机床，技术性能国内、功能接近20世纪末期从GH公司引进没备水平。半年多运行表明，性能稳定、质量可靠。
一、卧式数控淬火设备组成
淬火设备有别于其他冷加工设备，由供电电源、淬火机床、冷却系统和淬火系统组成，缺一不可。卧式数控淬火设备组成如图1所示。
图1 卧式数控淬火设备组成
KGPS-400/4是中频电源，功率为400kw、频率为4kHz，它是产生零件加热所需要的能源。
BP、BPT分别通过管路组成淬火和冷却软化水系统。BP提供零件淬火时所需要的水源；BPT用于冷却变压器、电容器、感应器用电源等。
二、淬火机床结构特点
淬火机床采用悬挂结构。结构如图2所示。
1. 2.淬火变压器与电容器组成的并联谐振系统
3.坦克链 4.后 5.滚珠丝杠拖架 6.淬火水箱 7.床身
图2 卧式淬火机床结构简图
淬火机床为卧式全封闭结构。前后用于夹持零件，被零件旋转电机带动旋转；被加热零件、感应器、变压器组成谐振电路的电感支路，感应器接在变压器次级，变压器初级和电容器组成的并联谐振电路直接与中频电源相相连，共同组成电源的负载；电源与谐振回路的电缆连同冷却变压器、电容器的冷却水管放置在坦克链上，在伺服电机的带动下连同变压器、电容器一起前后移动，旋转电机由变频器控制，伺服电机由伺服驱动器驱动，中频电源输出能量的大小均由工控机控制，可完成手动、半自动操作。
手动操作包括：机械动作调整；冷规范工艺参数调整、热规范工艺参数调整。
半自动操作包括：在供电功率和频率允许的范围内，按被加工零件工艺要求编制的软件程序周而复始地实现感应加热淬火。
三、控制模式
很多资料介绍数控原理，在此不再赘述，下面只介绍能量控制原理。
1．能量控制原理
根据资料，当电压变化±5％，功率在±10％的范围内变动。工件所获得的能量Pt与淬硬层d的关系如图3所示。
图3 工件所获得的能量Pt与淬硬层d的关系
从图3可知：功率P在±10％变化时的S是极小部分并近似于直线。如果把加热能量控制在一定范围内，那么淬硬层的变化也是极小的。同样，只要Pg±△Pg 和tg±△tg构成的面积足够小，那么，tg±△tg和Wg±△Wg的面积也会足够小(见图4和图5)。这一点从数学分析也可以得到验证。因为 Pg=f(tg)，Wg=f(tg)的函数关系是一一对应的。工件加热过程中，由于某种原因瞬时功率变大时，根据某一规律加热时间减少；反之，时问加长。在控制系统中把累计近似能量积分值控制在EFGH偏差带内，就达到了控制能量的目的。当然，对于不同工件可以设置不同偏差带，或同一工件根据不同质量要求也可以设置不同偏差带，也就是说，设置的偏差带越小，获得的产品质量越高。
图4 Pg=f(tg)变化曲线
注：Pg——瞬时功率没定值，kW；
Pg±△Pg——瞬时功率变化偏差带，kW
tg——加热时间没定值，s；
tg±△tg——加热时间设定偏差带，s。
图5 Wg=f(tg)变化曲线
注：Wg——能量设定值，kW.s；
Wg=f(tg)——能量设定偏差带，kW.s。
2．硬件组成
本系统采用华中数控股份有限公司生产的HNC-2000工业控制机，由信号检测、开天元件、伺服功率驱动器、交流伺服电机、变频器、交流电机及工业控制机等组成。系统硬件组成如图6所示。
图6 系统硬件组成
(1)模数转换的电流、电压、频率模拟信号从品闸管中频电源引出，他们通过A/D转换摸板变成标准的0～10v电压信号，直接送人工控机。
(2)工艺参数诸如工件不同部位所需功率大小、加热淬火时间、零件转速多少、感应器所处准确位置等均以代码形式由工控机键盘设定。
(3)输入开关量信号通过多路控制输入模板进人工控机；工控机通过多路控制输出模板控制输出负载变化。
(4)拖架移动采用闭环控制。
四、软件组成
1．控制软件总体结构
控制软件总体结构如图7所示。
图7 控制软件总体结构
2．基本功能
(1)自动加工模块 从文件中读人加工代码，解释并执行代码。
(2)程序编辑模块 加工代码的编辑。
(3)能量控制模块 该模块主要负责能量的采集、显示及和能量模板偏差带进行比较的功能。在加工过程中，如果处于加热状态，则通过A/D转换采集电源的电压、电流和频率，并将采样值换算为功率值，并将该值和能量模板偏差带进行比较。
(4)模板编辑功能 通过采集的能量数据曲线，可以编辑上下偏差带，并将该偏差带作为模板，或者将已有的模板打开重新修改编辑模板。
(5)手动控制模块 该模块实现状态显示【机床，电源】及手动参数的编辑修改。
(6)故障诊断模块 该模块实现故障的自诊断及故障原因的显示。
3．程序规定用代码
M50 零件正转
M51 零件正转停止
M52 加热启动
M53 加热停止
M54 淬火水开关合；G01HS
M55 淬火水开关闭
M56 外水套开关合
M57 外水套开关闭
M58 气阀开
M59 气阀闭
M30 程序结束
F 延时时间，单位：0.1s
H 输出功率控制代码，单位：kw
S 零件旋转速度，单位：r/min
五、数控卧式感应加热淬火机床外型
数控卧式感应加热淬火机床外型如图8所示。
图8 成套卧式感应加热淬火机床外型
六、设备创新点
(1)淬火机床全封闭结构，解决了溅水问题。
(2)电缆拖链的应用解决了变压器长距离移动问题。
(3)振荡电路中变压器电容器一体，节电显著。
(4)拖架伺服电机驱动，定位准确、速度平稳。
(5)淬火过程能量控制，淬火质量稳定。
(6)变功、变速．能够适应各种结构复杂零件淬火需要。
(7)指令少，编程容易，使用方便灵活。
(8)自诊断功能，为设备维修提供极大方便。
(9)机械结构初次采用了悬挂式运动机构。
七、应用
数控中频卧式淬火机床研制成功后，与中频电源、水冷系统、供电系统连机调试，2004年1月投人生产使用。截止到目前完成新产品试制、迂回生产汽车零件近百种。3月末前试制零件见下表。
数控中频卧式淬火机床感应加热试验与试制件清单
注：运行表明，使用性能稳定、淬火质量可靠。
八、经济效益与社会效益
1．经济效益
(1)将能量控制和数控高新技术结合控制零件淬火质量在国内首开先河，一方面提高淬火质量；另一方面在加热淬火过程中能够改变功率，可大大缩短新产品开发工作中工艺试验周期，保证试制进度，确保生产过程中淬火质量的稳定性。
(2)将淬火变压器与电热电容器一体连接且汇流排间隙缩短为2mm，节电明显，保守估算，提高效率8％～10％。
2．社会效益
将感应加热模拟量控制改为数字量控制，对电源技术、淬火机床控制技术都将产生质的飞跃，为赶上世界**水平提供了可能。尤其是保证零件淬火质量创造了条件。这项技术用于通用淬火设备，如其中部分技术移植到专用淬火机床，将有广阔的发展空间。