感应淬火机床能量监控系统PLC 程序设计

雷 钧 陈志楚 罗 敏

（湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002）

汽车零部件为了得到较高的硬度，多采用淬火工艺，感应加热在汽车零部件生成中应用广泛[1-3]。本文把采集到的感应淬火机床能量相关数据进行显示和存储，便于监控感应淬火过程和数据查询[4-6]。

1 监控方案设计

感应淬火机床能量监控系统数据采集如图1 所示，主要包括上位机、S7-1212PLCPLC、传感器和变送器等。感应加热电源把交流整流成直流后，直流电流和直流电压经对应的传感器和变送器变为0～10 V 电压进入PLC 的A/D。PLC 将实时采集的0～10 V 转换为数字量，并进行标度变换，然后计算加热时间、加热功率、加热能量等数据。上位机淬火机床监控系统对感应淬火过程进行监控，上位机和PLC 用Profinet 连接，通信采用西门子S7 协议。PLC 把计算结果用通信方式送入上位机淬火机床监控系统。上位机接收PLC 的数据，把数据进行处理后，进行显示和存储，上位机也发送相关数据给PLC。

图1 能量监控系统数据采集

2 感应加热数据计算

感应加热电源把输入交流经整流后变换为直流，直流电压为U，电流为I，淬火机床的直流功率P为

淬火机床的直流能量Q为

PLC 处理的是离散数据，计算不了式（2）中的时间积分，可以用求和代替积分，能量Q为

式中：T为采样周期；k为采样序号；P(i)为第i次的直流功率。

3 上位机与PLC 通信数据设计

上位机与PLC 的通信内容包括上位机读取PLC 的数据和上位机写入PLC 的数据，为此设计了PLC 的DB1 作为交换数据的数据块，见表1，这样方便上位机读写PLC 的多个单元，节省通信时间[2]。

表1 通信内容表

通道号数值为1～8；启动信号用到的位信号有：NO.0=0 为加热停止；NO.0=1 为加热启动；NO.1=1为开始记录；NO.1=0 为停止记录；NO.2=0 为控制模式；NO.2=1 为监视模式。报警信号用到的位信号为：NO.0 为欠电压；NO.1 为过电压；NO.2 为欠电流；NO.3 为过电流；NO.4 为欠时间；NO.5 为过时间；NO.6 为欠能量；NO.7 为过能量。报警信号按位操作0 是正常、1 是不正常。为了保证数据保留1 位小数的精度，电压、电流、功率和加热时间这些数据是PLC 经过计算得到的小数扩大10 倍变为整数，上位机除以10 进行处理。加热时间上限、下限、设定值是一位小数，上位机乘以10 后写入到PLC。

DB1.DBD66 为1 表示加热时间优先，即加热时间到设定值就停止加热；DB1.DBD66 为0 表示能量优先，即加热能量到设定值就停止加热。加热时间和加热能量只能2 选1。

当程序刚开始运行时，上位机写入PLC 的电源参数设定值。淬火设备在应对多品种淬火时，需要选择对应的工艺参数文件[3]。当通道号发生变化时，上位机从当前工艺文件中读取对应的工艺参数设定值，发指令把参数写入到PLC。上位机每隔固定时间就读取PLC 的相关数据。

4 PLC 控制程序设计

除了DB1 的数据外，本文在PLC 控制梯形图程序中所用变量含义、数据类型、存储器地址见表2。本文主要设计了主程序OB1 和1 ms 循环中断程序OB30，控制程序整体流程如图2 所示。在OB1 中启动/停止1 ms 循环中断程序，采集电流、电压等数据并进行标度变换，对电压、电流、加热时间和加热能量等数据进行报警处理。在OB30 中，计算加热时间、加热功率和加热能量。

表2 PLC 变量表

图2 控制程序整体流程图

4.1 循环中断程序

本课题之所以不用PLC 定时器而用循环中断计算加热时间，是因为PLC 采用循环扫描工作方式，定时时间不可能每次都一样，而循环中断的时间精度会高一些。取采样周期T为1 ms，即PLC 循环中断的间隔时时间是1 ms，在PLC 程序计算中，加热时间用的是累加时间，功率和能量计算更准确。

PLC 程序计算加热时间如图3 所示，每中断1 次，加热时间MD6 加1 ms，DB1.DW14 是给上位机读取的加热时间，单位为s，保留1 位小数，因此MD6 的数据除以1 000 得到以秒为单位的加热时间，然后扩大10 倍变为整数给DB1.DW14，见式（4）。同理，根据式（1），计算功率见式（5），计算加热功率程序如图4 所示，计算功率MD12 单位是W，上位机读取功率DB1.DW10 单位是0.1 kW。

图3 计算加热时间程序

图4 计算加热功率程序

根据式（3），每中断1 次，功率DB1.DW10乘以1 ms 得到瞬时能量MD32，单位是0.1 kW·ms。累积能量MD36=MD36+MD32，单位是0.1 kW·ms。上位机读取能量DB1.DW12 单位是kJ，因此需要MD36 除以1 000，如图5 所示。

图5 计算能量程序

4.2 标度变换程序

电流和电压传感器的信号0～10 V 输入到PLC的模拟量输入通道1 和2，对应的地址是IW64 和IW66，需要转换为对应的工程量，传感器转换量程表见表3，标度变换公式见式（6）。图4 和式（5）的MD170 和MD190 就是电压和电流的实际工程量。电压标度变换PLC 程序如图6 所示，用PLC 的转换操作指令NORM 和SCALE。DB1.DW4是给上位机读取的电压，单位是V，保留1 位小数，因此MD170 的数据扩大10 倍变为整数给DB1.DW4。

表3 传感器转换量程表

图6 电压标度变换程序

4.3 判断报警程序

判断报警程序就是判断电压、电流、加热时间、加热能量是否超出设定范围。PLC 程序用按位或1指令把报警信号的相应位置1 来报警；用按位与0指令把报警信号的相应位置0 来清除报警。

对于电压和电流的报警检测：需要加热启动后延时3 s 后检测电压和电流的下限报警，否则开始加热就会出现下限报警，因为整流和A/D 转换需要时间，那时电压和电流的检测值会低于下限。开始加热就可以检测电压和电流的上限报警。如图7 所示，M10.0 导通后3 s 后M11.0 导通。电压上下限报警程序如图8 所示，M10.0 导通后如果电压值DB1.DBW4 大于电压上限DB1.DBD18，则报警信息DB1.DBW16 的第1 位就置1 表示过电压，报警信息的其他位保持不变，因此用了按位或指令，DB1.DBW16 和0002H 相或；如果电压值小于电压上限，则报警信息的第1 位就置0 表示正常，报警信息的其他位保持不变，因此用了按位与指令，DB1.DBW16 和FFFDH 相与。M11.0 导通后如果电压值小于电压下限DB1.DBD22，则报警信息DB1.DBW16 的第0 位就置1 表示欠电压，DB1.DBW16 和0001H 相或；如果电压值大于电压下限，则报警信息的第0 位就置0 表示正常，DB1.DBW16和FFFEH 相与。

图8 电压上下限报警程序

由于加热时间和加热能量是累积值，因此需要加热停止时才能进行下限报警检测，开始加热就可以进行上限报警检测，并且加热时间和能量一旦有报警就不会消除。能量上下限报警程序如图9 所示，DB1.DBD66 为1，M10.0 导通后如果能量值DB1.DW12 大于能量上限DB1.DBD54，则报警信息DB1.DBW16 的第7 位就置1 表示过能量，DB1.DBW16 和0080H 相或；M10.0 关断后如果能量值小于能量下限，则报警信息的第6 位就置1 表示欠能量，DB1.DBW16 和0040H 相或。

图9 能量上下限报警程序

4.4 启动/停止循环中断程序

如图10 所示，用M10.0 从0 到1 的上升沿启动1 ms 循环中断，SET_CINT 指令的CYCLE 是循环中断的循环时间，此处设置为1 000 μs（1 ms），接着把MD6、MD32、MD36 和DB1.DBW16 清0。如图11 所示，用M10.0 从1 到0 的下降沿停止1 ms循环中断，CYCLE 设置为0。

图10 启动循环中断程序

图11 停止循环中断程序

5 运行结果

本文所设计的PLC 控制程序经现场运行，工作正常，计算准确，上位机与PLC 的DB1 数据交互正确。用西门子PLC 编程软件TIA Portal 监控程序运行情况，DB1 监控数据如图12 所示，电压500.8 V，电流200.6 A，功率100.4 kW，加热时间12.6 s，能量1 267 kJ，符合实际计算值。电压和电流上下限设定在正常值的±10%范围内[7]，电压上限550 V，下限450 V；电流上限220 A，下限180 A。控制方式为加热时间，设定100 s，能量上限10 500 kJ，下限9 500 kJ。从监控数据可以看出无报警，因此报警信息DB1.DBW16 为0。如图13 所示，电压586.0 V，电流234.8 A，超过了各自的上限，因此DB1.DBW16 二进制为0000000000001010B，10 进制为10，为过电压、过电流报警。

图12 DB1 监控数据1