感應淬火機床能量監控系統PLC 程序設計

雷 鈞 陳志楚 羅 敏

（湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院，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，感應加熱在汽車零部件生成中應用廣泛[1-3]。本文把采集到的感應淬火機床能量相關數據進行顯示和存儲，便于監控感應淬火過程和數據查詢[4-6]。

1 監控方案設計

感應淬火機床能量監控系統數據采集如圖1 所示，主要包括上位機、S7-1212PLCPLC、傳感器和變送器等。感應加熱電源把交流整流成直流后，直流電流和直流電壓經對應的傳感器和變送器變為0～10 V 電壓進入PLC 的A/D。PLC 將實時采集的0～10 V 轉換為數字量，并進行標度變換，然后計算加熱時間、加熱功率、加熱能量等數據。上位機淬火機床監控系統對感應淬火過程進行監控，上位機和PLC 用Profinet 連接，通信采用西門子S7 協議。PLC 把計算結果用通信方式送入上位機淬火機床監控系統。上位機接收PLC 的數據，把數據進行處理后，進行顯示和存儲，上位機也發送相關數據給PLC。

圖1 能量監控系統數據采集

2 感應加熱數據計算

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

淬火機床的直流能量Q為

PLC 處理的是離散數據，計算不了式（2）中的時間積分，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 上位機與PLC 通信數據設計

上位機與PLC 的通信內容包括上位機讀取PLC 的數據和上位機寫入PLC 的數據，為此設計了PLC 的DB1 作為交換數據的數據塊，見表1，這樣方便上位機讀寫PLC 的多個單元，節省通信時間[2]。

表1 通信內容表

通道號數值為1～8；啟動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；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 為監視模式。報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 為欠時間；NO.5 為過時間；NO.6 為欠能量；NO.7 為過能量。報警信號按位操作0 是正常、1 是不正常。為了保證數據保留1 位小數的精度，電壓、電流、功率和加熱時間這些數據是PLC 經過計算得到的小數擴大10 倍變為整數，上位機除以10 進行處理。加熱時間上限、下限、設定值是一位小數，上位機乘以10 后寫入到PLC。

DB1.DBD66 為1 表示加熱時間優先，即加熱時間到設定值就停止加熱；DB1.DBD66 為0 表示能量優先，即加熱能量到設定值就停止加熱。加熱時間和加熱能量只能2 選1。

當程序剛開始運行時，上位機寫入PLC 的電源參數設定值。淬火設備在應對多品種淬火時，需要選擇對應的工藝參數文件[3]。當通道號發生變化時，上位機從當前工藝文件中讀取對應的工藝參數設定值，發指令把參數寫入到PLC。上位機每隔固定時間就讀取PLC 的相關數據。

4 PLC 控制程序設計

除了DB1 的數據外，本文在PLC 控制梯形圖程序中所用變量含義、數據類型、存儲器地址見表2。本文主要設計了主程序OB1 和1 ms 循環中斷程序OB30，控制程序整體流程如圖2 所示。在OB1 中啟動/停止1 ms 循環中斷程序，采集電流、電壓等數據并進行標度變換，對電壓、電流、加熱時間和加熱能量等數據進行報警處理。在OB30 中，計算加熱時間、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 循環中斷程序

本課題之所以不用PLC 定時器而用循環中斷計算加熱時間，是因為PLC 采用循環掃描工作方式，定時時間不可能每次都一樣，而循環中斷的時間精度會高一些。取采樣周期T為1 ms，即PLC 循環中斷的間隔時時間是1 ms，在PLC 程序計算中，加熱時間用的是累加時間，功率和能量計算更準確。

PLC 程序計算加熱時間如圖3 所示，每中斷1 次，加熱時間MD6 加1 ms，DB1.DW14 是給上位機讀取的加熱時間，單位為s，保留1 位小數，因此MD6 的數據除以1 000 得到以秒為單位的加熱時間，然后擴大10 倍變為整數給DB1.DW14，見式（4）。同理，根據式（1），計算功率見式（5），計算加熱功率程序如圖4 所示，計算功率MD12 單位是W，上位機讀取功率DB1.DW10 單位是0.1 kW。

圖3 計算加熱時間程序

圖4 計算加熱功率程序

根據式（3），每中斷1 次，功率DB1.DW10乘以1 ms 得到瞬時能量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 計算能量程序

4.2 標度變換程序

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，對應的地址是IW64 和IW66，需要轉換為對應的工程量，傳感器轉換量程表見表3，標度變換公式見式（6）。圖4 和式（5）的MD170 和MD190 就是電壓和電流的實際工程量。電壓標度變換PLC 程序如圖6 所示，用PLC 的轉換操作指令NORM 和SCALE。DB1.DW4是給上位機讀取的電壓，單位是V，保留1 位小數，因此MD170 的數據擴大10 倍變為整數給DB1.DW4。

表3 傳感器轉換量程表

圖6 電壓標度變換程序

4.3 判斷報警程序

判斷報警程序就是判斷電壓、電流、加熱時間、加熱能量是否超出設定范圍。PLC 程序用按位或1指令把報警信號的相應位置1 來報警；用按位與0指令把報警信號的相應位置0 來清除報警。

對于電壓和電流的報警檢測：需要加熱啟動后延時3 s 后檢測電壓和電流的下限報警，否則開始加熱就會出現下限報警，因為整流和A/D 轉換需要時間，那時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警。如圖7 所示，M10.0 導通后3 s 后M11.0 導通。電壓上下限報警程序如圖8 所示，M10.0 導通后如果電壓值DB1.DBW4 大于電壓上限DB1.DBD18，則報警信息DB1.DBW16 的第1 位就置1 表示過電壓，報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，則報警信息的第1 位就置0 表示正常，報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 導通后如果電壓值小于電壓下限DB1.DBD22，則報警信息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 電壓上下限報警程序

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

圖9 能量上下限報警程序

4.4 啟動/停止循環中斷程序

如圖10 所示，用M10.0 從0 到1 的上升沿啟動1 ms 循環中斷，SET_CINT 指令的CYCLE 是循環中斷的循環時間，此處設置為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循環中斷，CYCLE 設置為0。

圖10 啟動循環中斷程序

圖11 停止循環中斷程序

5 運行結果

本文所設計的PLC 控制程序經現場運行，工作正常，計算準確，上位機與PLC 的DB1 數據交互正確。用西門子PLC 編程軟件TIA Portal 監控程序運行情況，DB1 監控數據如圖12 所示，電壓500.8 V，電流200.6 A，功率100.4 kW，加熱時間12.6 s，能量1 267 kJ，符合實際計算值。電壓和電流上下限設定在正常值的±10%范圍內[7]，電壓上限550 V，下限450 V；電流上限220 A，下限180 A。控制方式為加熱時間，設定100 s，能量上限10 500 kJ，下限9 500 kJ。從監控數據可以看出無報警，因此報警信息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 二進制為0000000000001010B，10 進制為10，為過電壓、過電流報警。

圖12 DB1 監控數據1