西門子節能控制在高速臥式加工中心上的應用

■ 沈陽機床（集團）有限責任公司 （遼寧沈陽 110142） 徐兆成

在數控機床應用的制造業領域，節能及能源的高效利用正在成為十分重要的角色。在本文中所提及的高速臥式加工中心上使用了西門子數控系統提供的節能控制（Ctrl Energy）這一應用，可以對數控機床的能耗進行分析，同時根據節能控制方案相應的接口信號，可以在PLC中編寫節能控制觸發之后需要產生的邏輯動作，如：給軸控制模塊或電源模塊去使能、關閉外圍部件甚至斷電等，最終實現節能減耗的目的。

1. 節能控制的硬件設計及組態

在節能控制中主要使用硬件模塊SENTRON PAC4200來進行電壓及電流數據的測量，同時選用擴展模塊PAC PROFINET與數控系統NCU進行通信，PAC4200在高速臥式加工中心中的硬件連接如圖1所示，其安裝在機床電源的總進線處，主要用于測量和分析整個機床所消耗的能量。如果想要測量和分析某一個驅動或負載所消耗的能量，則需要在相應的驅動或負載處再次安裝PAC4200。本臺高速臥式加工中心上PAC4200及相應的電流互感器在電氣柜中的實際安裝示意如圖2所示。

（1）參數設置 在PAC4200首次開機時進行如下參數的設置：設置顯示語言——中文，設置PAC4200的接線方式——3P4W，設置參考電壓——600V，設置參考電流——5∶500A，設置擴展模塊的IP地址——192.168.214.21，設置擴展模塊的子關掩碼——255.255.255.0，設置擴展模塊的名字——pac4200-pn21。

圖1 節能控制電氣原理

圖2 PAC4200及電流互感器安裝

（2）硬件組態 首先要在Step7軟件中安裝PAC PROFINET的組態文件GSDML，組態文件安裝成功后如圖3所示。

根據設計需要選用PAC4200，將PAC4200添加到840Dsl系統NCU上X150口的PROFINET總線上，如圖4所示。

圖3 安裝PAC4200 GSD文件后的硬件目錄

圖4 PAC4200添加到PROFINET總線

將前面所述PAC4200設備里的設備IP和設備名稱等輸入到組態設置中（必須與PAC4200參數設置中的保持一致），如圖5所示。

接下來設置通過PAC4200需要采集的數據及地址分配，這里主要采集數據為總的激活功率（Total Active Power）、輸入電能（Act Energy Imp Tar）和反饋電能（Act Energy Exp Tar），地址分配如圖6所示。

2. 節能控制的能量分析

節能控制的能量分析可以對機床各軸或整個機床的功率、電能等進行測量，并將數據以圖形的方式顯示出來供用戶分析使用。在本臺高速臥式加工中心上定義了M98作為啟動測量的M代碼，M99為測量結束M代碼，從PAC4200中得到的各種功率、電能等數據通過PLC程序存儲到DB1001數據塊中，PLC控制程序塊為FC501，其功能主要為通過M代碼啟動能量測量，將PAC4200采集的數據傳遞給NCU的接口信號中。主要程序如下：

圖5 PAC4200在Step7中的組態設置

//激活測量

A “CHANAL 1”.MDyn[98]

S “SentronPac”.MeasAct

A(

O “CHANAL 1”.MDyn[99]

O “CHANAL 1”.MDyn[30]

O “CHANAL 1”.MDyn[2]

)

R “SentronPac”.MeasAct

NOP 0

//直接從PAC4200獲得能量數據

A “M_ONE”

=“SentronPac”.FeedInEnergyReadSP

=“SentronPac”.FeedBackEnergyReadSP

//PAC4200測量整個機床能量

A “M_ONE”

=“SentronPac”.SentronPacMach

//測量數據轉換

L ID 200

T“SentronPac”.ActivePowerSentron

L ID 204

T “SentronPac”.ActiveEnergySentron

L ID 208

T “SentronPac”.ReactiveEnergySentron

//測量數據處理

A “SentronPac”.MeasAct

FP “M_FLANK_M9.6”

= L 0.0

圖6 PAC4200測量數據選擇及地址分配組態

A L 0.0

JNB _001

L “SentronPac”.ActiveEnergySentron

T MD 24

_001: NOP 0

A L 0.0

JNB _002

L “SentronPac”.ReactiveEnergySentron

T MD 28

_002: NOP 0

//HMI數據——激活功率

L “SentronPac”.ActiveEnergySentron

L MD 24

-R

L 1.000000e+003

/R

T “SentronPac”.ActiveEnergyItem

//HMI數據——反饋功率

L “SentronPac”.ReactiveEnergySentron

L MD 28

-R

L 1.000000e+003

/R

T “SentronPac”.ReactiveEnergyItem

當在加工程序中編寫了M98代碼后，測量便被激活，在HMI上可以看到相應的測量圖形，如圖7所示。用戶可以根據測得的能量曲線進行相關的加工工藝參數調整，進而合理控制加工過程中的能耗。

3. 節能控制方案

圖7 能量測量曲線

圖8 節能方案配置畫面

使用西門子的節能控制可以根據需要來設定不同的節能方案，通過PLC控制在不同的節能方案下產生相應的節能措施。840Dsl系統默認有三種節能方案，分別是簡單節能模式、完全節能模式和最大節能模式，如圖8所示。

設定好節能方案后，可以通過更改按鍵進入到所對應的節能模式的激活條件設定界面，即畫面中的哪些狀態條件長時間未被觸發時，則會進入相對應的節能模式，如圖9所示。

在本臺高速臥式加工中心上利用了系統內部的相應接口信號來判斷是否觸發相應的節能模式。在PLC內相關的邏輯控制下，每一種節能模式的機床運行狀態見表1。

4. 結語

在高速臥式加工中心上應用西門子的節能控制后，可以便捷地監控能源的使用量，并以此為依據調整相應的加工工藝，減少能耗，提高加工效率，同時數控機床可以依據自身狀態進入不同的節能模式，減少了機床在待機狀態下的能量損耗。

圖9 節能方案的狀態條件

表1 各種節能模式下機床狀態