西門子節(jié)能控制在高速臥式加工中心上的應(yīng)用

■ 沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 （遼寧沈陽 110142） 徐兆成

在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的制造業(yè)領(lǐng)域，節(jié)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(shù)控系統(tǒng)提供的節(jié)能控制（Ctrl Energy）這一應(yīng)用，可以對數(shù)控機(jī)床的能耗進(jìn)行分析，同時(shí)根據(jù)節(jié)能控制方案相應(yīng)的接口信號，可以在PLC中編寫節(jié)能控制觸發(fā)之后需要產(chǎn)生的邏輯動(dòng)作，如：給軸控制模塊或電源模塊去使能、關(guān)閉外圍部件甚至斷電等，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗的目的。

1. 節(jié)能控制的硬件設(shè)計(jì)及組態(tài)

在節(jié)能控制中主要使用硬件模塊SENTRON PAC4200來進(jìn)行電壓及電流數(shù)據(jù)的測量，同時(shí)選用擴(kuò)展模塊PAC PROFINET與數(shù)控系統(tǒng)NCU進(jìn)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(jī)床電源的總進(jìn)線處，主要用于測量和分析整個(gè)機(jī)床所消耗的能量。如果想要測量和分析某一個(gè)驅(qū)動(dòng)或負(fù)載所消耗的能量，則需要在相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)或負(fù)載處再次安裝PAC4200。本臺高速臥式加工中心上PAC4200及相應(yīng)的電流互感器在電氣柜中的實(shí)際安裝示意如圖2所示。

（1）參數(shù)設(shè)置 在PAC4200首次開機(jī)時(shí)進(jìn)行如下參數(shù)的設(shè)置：設(shè)置顯示語言——中文，設(shè)置PAC4200的接線方式——3P4W，設(shè)置參考電壓——600V，設(shè)置參考電流——5∶500A，設(shè)置擴(kuò)展模塊的IP地址——192.168.214.21，設(shè)置擴(kuò)展模塊的子關(guān)掩碼——255.255.255.0，設(shè)置擴(kuò)展模塊的名字——pac4200-pn21。

圖1 節(jié)能控制電氣原理

圖2 PAC4200及電流互感器安裝

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

根據(jù)設(shè)計(jì)需要選用PAC4200，將PAC4200添加到840Dsl系統(tǒng)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(shè)備里的設(shè)備IP和設(shè)備名稱等輸入到組態(tài)設(shè)置中（必須與PAC4200參數(shù)設(shè)置中的保持一致），如圖5所示。

接下來設(shè)置通過PAC4200需要采集的數(shù)據(jù)及地址分配，這里主要采集數(shù)據(jù)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(jié)能控制的能量分析

節(jié)能控制的能量分析可以對機(jī)床各軸或整個(gè)機(jī)床的功率、電能等進(jìn)行測量，并將數(shù)據(jù)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(dòng)測量的M代碼，M99為測量結(jié)束M代碼，從PAC4200中得到的各種功率、電能等數(shù)據(jù)通過PLC程序存儲到DB1001數(shù)據(jù)塊中，PLC控制程序塊為FC501，其功能主要為通過M代碼啟動(dòng)能量測量，將PAC4200采集的數(shù)據(jù)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(tài)設(shè)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(shù)據(jù)

A “M_ONE”

=“SentronPac”.FeedInEnergyReadSP

=“SentronPac”.FeedBackEnergyReadSP

//PAC4200測量整個(gè)機(jī)床能量

A “M_ONE”

=“SentronPac”.SentronPacMach

//測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

L ID 200

T“SentronPac”.ActivePowerSentron

L ID 204

T “SentronPac”.ActiveEnergySentron

L ID 208

T “SentronPac”.ReactiveEnergySentron

//測量數(shù)據(jù)處理

A “SentronPac”.MeasAct

FP “M_FLANK_M9.6”

= L 0.0

圖6 PAC4200測量數(shù)據(jù)選擇及地址分配組態(tài)

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(shù)據(jù)——激活功率

L “SentronPac”.ActiveEnergySentron

L MD 24

-R

L 1.000000e+003

/R

T “SentronPac”.ActiveEnergyItem

//HMI數(shù)據(jù)——反饋功率

L “SentronPac”.ReactiveEnergySentron

L MD 28

-R

L 1.000000e+003

/R

T “SentronPac”.ReactiveEnergyItem

當(dāng)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(yīng)的測量圖形，如圖7所示。用戶可以根據(jù)測得的能量曲線進(jìn)行相關(guān)的加工工藝參數(shù)調(diào)整，進(jìn)而合理控制加工過程中的能耗。

3. 節(jié)能控制方案

圖7 能量測量曲線

圖8 節(jié)能方案配置畫面

使用西門子的節(jié)能控制可以根據(jù)需要來設(shè)定不同的節(jié)能方案，通過PLC控制在不同的節(jié)能方案下產(chǎn)生相應(yīng)的節(jié)能措施。840Dsl系統(tǒng)默認(rèn)有三種節(jié)能方案，分別是簡單節(jié)能模式、完全節(jié)能模式和最大節(jié)能模式，如圖8所示。

設(shè)定好節(jié)能方案后，可以通過更改按鍵進(jìn)入到所對應(yīng)的節(jié)能模式的激活條件設(shè)定界面，即畫面中的哪些狀態(tài)條件長時(shí)間未被觸發(fā)時(shí)，則會(huì)進(jìn)入相對應(yīng)的節(jié)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(tǒng)內(nèi)部的相應(yīng)接口信號來判斷是否觸發(fā)相應(yīng)的節(jié)能模式。在PLC內(nèi)相關(guān)的邏輯控制下，每一種節(jié)能模式的機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)見表1。

4. 結(jié)語

在高速臥式加工中心上應(yīng)用西門子的節(jié)能控制后，可以便捷地監(jiān)控能源的使用量，并以此為依據(jù)調(diào)整相應(yīng)的加工工藝，減少能耗，提高加工效率，同時(shí)數(shù)控機(jī)床可以依據(jù)自身狀態(tài)進(jìn)入不同的節(jié)能模式，減少了機(jī)床在待機(jī)狀態(tài)下的能量損耗。

圖9 節(jié)能方案的狀態(tài)條件

表1 各種節(jié)能模式下機(jī)床狀態(tài)