西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8产品规格

西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8产品规格

1  引言
  风洞是空气动力试验系统。它依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。也可以说，风洞就是在地面上人为地创造一个“天空”。风洞是研制飞机必需的一种试验装置。它模拟飞机飞行中各种空气动力条件，只在地面就可以获取飞机在空中飞行时的各种参数。
  气流的改变通过调节风洞系统中的风速，风速采用富士G11系列变频控制器，并配以编码器反馈完成高精度速度控制。可编程控制器(也称为PLC)工业控制部件因其功能强大、运算速度快、程序设计简单、修改程序灵活方便、可靠性高、抗干扰能力强以及能在恶劣的工业环境下长期工作等显著特点，已广泛应用于工业自动化控制的各个领域。但是其本身不具备人机交互功能，在工艺参数较多，需要人机交互时，配合使用具有触摸操作和通信功能的人机界面就是一种很好的选择。在本文所述的风洞调速系统中，变频器、PLC及人机界面之间以串行通信方式，可以在人机界面上直接对风洞内的风速、速压进行设定、控制及监视，并且可以通过趋势图随时观察气流改变时风洞内9个环境参数(温度、大气压、落压差等)的变化。该系统具有稳定、可靠性高的特点。

2  硬件配置设计
2.1  原理设计
  图1是该系统的主要硬件组成图，应用于某风洞实验。

图1     系统主要硬件配置图

  设定数据主要是风速，风速分为自动和手动调节两种方式。自动调节时,风速分15个等级，在POD上预先设定好每个等级的数据和工作时间后，按预先设定的等级的数据和时间让风速电机依次连续运行。手动时，POD随时由操作员调节风速电机的速度。通过传感器把风洞内的9个环境参数信号传给三个模拟输入单元。这9个环境参数分别是温度、实验段气压、落压差和力等。
  对风速和速压两种方式可以任意选择和任意设定，根据流体力学[1]，由公式:
  Qi=k1ρVi2=k2△Pi  ——i=1到15可任意选择(i为实验Vi或Qi点数)
  ρ=k3P/(273+t)  ——k1,k2,k3:常数，根据不同系统而定:
  Qi——速压(kg/m2) 
  Vi——风速(m/s)
  △Pi——落差压(mbar) 
  ρ——空气密度(kg*s2/m4) 
  t——温度(℃)
  P——实验段气压(mbar)
  可以计算Vi和Qi，也可以和风速的给定值进行比较。
2.2  配置设计
  (1) 根据系统运行和控制要求，选用富士的MICREX-SX SPB系列PLC，其使用简单，功能强大，优性能价格比，能满足各种各样自动化控制需要，且具有尺寸小不受安装场所限制，大容量内存，高速指令功能;并提供了方便、简洁、开放的通信功能;可直接连接POD;使MICREX-SX SPB系列PLC可以很好的满足控制要求[2]。
  (2) 人机界面选用带RS-485通信的富士UG430H-SS触摸屏，彩色，128色，10.4寸。进行参数的设定、显示[3]。
  (3) 变频器选用富士的FRENIC5000G11S，该变频器具有低噪音、高性能、多功能以及带有RS-485通信接口等特点。配以编码器反馈完成高精度速度控制[4]。

3  系统软件设计
3.1  人机界面的软件设计
  本系统人机界面所有画面均用UG00S-CWV3软件进行设计，分为操作画面和检测画面。有主画面、环境参数趋势图显示、风速的自动和手动设定等画面，经UG00S-CWV3编译无误后，从个人电脑中下载到人机界面,如果与PLC的通信能正常进行，并且PLC侧相应的程序也正确无误，则即可使用。人机界面通过RS-422通信电缆直接与与PLC编程器端口连接，实行命令设定型通信。根据来自人机界面的请求命令，可以实施PLC内部存储器的读写操作。PLC完成处理后，回送答复给外部设备。PLC侧不用特意编写通信程序。这里只介绍风速的自动和手动两个画面。
  (1) 风速自动画面设计
风速的自动调节分为15个等级，每一个等级对应一个风速设定值和相应运行的时间。通过画面显示风速的当前值和系统的累计运行时间。
  图2是设计的画面。画面中的自动调节风速是静态文字，对画面起到说明的作用，画面上所有静态文字的设计方法基本相同，设计时应在画面上合理布置，现以“自动调节风速”为例说明如下:在draw tool bar中选择[text],输入文字“自动调节风速”设定文字大小为Enlarge X:2;Enlarge Y:2，文字颜色为白色、透明。文字底下的方块、阴影，是在draw tool bar中选择[box]进行重叠的结果，它起到美化的作用，这里就不再详细说明[5]。

图2     风速自动调节画面

  在工具栏中单击数值显示部件[Num.Data Display],出现Num.Display对话框，对该数值进行设置，Division No设为0，Memory设为$u0100,Display function设为Entry Target，放置到如图2等级1的下面。用同样的方法，在工具栏中单击数值显示部件[Num.Data Display]，对该数值进行设置，Division No设为0，Memory设为D0120，Display function设为Entry Target。利用编辑菜单中的Multi Copy分别对上面设置的两个数值进行复制，复制时次序递增，存储单元地址递增，分别复制15个，放置的位置如图2。然后用Draw工具栏中的[Line]和[Text]画成表格的形式。
  图3是对风速和时间设定时弹出的小窗口，在Item菜单中选择[Multi-Overlap],在出现的对话框中设窗口号为0，点击OK，进入多窗口设置画面，在工具栏中单击[Overlap],设置弹出窗口大小、颜色、类型，设好后点击OK放置到画面编辑区域里。在编辑区域内单击右键，选择Overlap0，工具栏中选择[Entry Mode]，出现，点击左面的部件，通过设置把键盘到上一步的弹出窗口中。通过[Max]和[Min]在弹出窗口上可以显示每一个设定值的范围，这里就不再详细介绍了。

图3     风速和时间设定窗口

  在图2的画面上设置了三个按钮，通过他们可以转到首页、手动调节风速、风压画面。自动调节风速的数值设好后，系统运行时指示灯亮。显示的当前值是根据前面的公式计算的结果，累计运行时间是从系统运行到停止的总的运行时间。
  在依次自动执行15个风速段的程序设计中用到了宏命令模式。每一个风速值对应一个标志位，系统从个数值运行，当到达设定的运行时间后，第二个风速值对应的标志位置1，执行宏命令，把设定值送给变频器、风扇电机，按设定时间运行后，第三个风速值对应的标志位置1，下面的依此类推。
  该人机界面内置日历，用来显示当前时间，也可是修改时间的显示格式。如图2右上角显示当前的年月日、日期和时间。
  (2) 风速手动画面
  图4为风速手动画面

图4     风速手动画面

  在风速手动画面上，放置有加一减一键、左右移动键和输入键，通过它们可以改变设定的风速和时间值。
3.2  PLC的软件设计
  用PLC编制的程序主要完成的功能有:对9路环境参数进行转换、运算;完成风速的自动、手动调节;PLC程序结构图如图5所示:

图5     程序结构图

  PLC的程序和人机界面的画面设计相互配合来完成系统的功能。在整个系统软件的设计过程中，明显的特点是用了标志位。以风速自动调节为例，对15个等级采用了15个标志位，来分别完成对15个风速等级的控制[6]。

4  变频器功能参数的设置与控制方法
  变频器通过RS-485通信线和人机界面相连，通过人机界面对风速电机进行调控[7]。变频器的接线图如图6。利用编码器、编码器反馈卡实现对风速电机转速的闭环控制。风洞风速用变频器的PID调节实现闭环控制。变频器主要功能参数的设置附表。

附表     变频器主要功能参数

图6     变频器接线图

5  系统调试
5.1  脱机调试
  为了缩短现场调试时间，在安装之前先进行脱机调试。首先用下载线分别下载程序到PLC和人机界面，再用通信线RS-422把PLC和人机界面相连，上电检查PLC和人机界面能否正常通信。在调试中，遇到了通信出错的情况，通过改变PLC和人机界面的通信参数，后使它们能够正常通信。接下来把PLC和3个模拟输入单元相连，给模拟输入模块任意通道一个0～10V的电压信号，在PLC编程画面里的数据表中看相应的数字变换值，在调试中变换值正确，PLC和三个输入模拟单元连接正常。后，有485通信线连接变频器和人机界面，用人机界面显示变频器某个功能代码的值，在调试中，通信正常，并能正确显示功能代码的值。后，把按系统要求编制的程序下到PLC和人机界面里，PLC的输入接上开关量进行调试，调试通过。
5.2  现场调试
  在脱机调试通过之后，进行带负荷，也就是带电机后的试运行调试。变频器和电机相连，上电，用变频器的键盘面板操作方式，分别按FWD正转键、REV反转键和STOP键，看电机是否运转正常。在现场调试中电机旋转方向正确，旋转平稳，加减速平稳。之后增加运行频率，继续试运行，电机运行正常。

一：背景

二十一世纪的中国经济，正以惊人的发展速度使世人瞩目，应现代化建设之需要 ，使马达的需求量大增，从而引来了国内外商家的大量投资，随之而带动了马达设备销售及制造业的兴起，转子外圆自动粗车机就是加工马达转子的专用设备，应深圳精马自动化设备有限公司的要求，设计整合了转子外圆自动粗车机，转子外圆自动粗车机适用于电风扇马达、空调马达、洗衣机马达等感应马达之铸铝转子的粗车。以下详细介绍了转子外圆自动粗车机特性，加工工艺及需要注意的问题等。

二：电气特性

该转子外圆自动粗車机电控系统采用台达DOP-A57GSTD具有人性化的人机对话操作界面和DVP-32ES00R2可编程控制器做为控制中心，采用油压系统控制，整套设备包含有油压马达1台，主轴传动马达1台，行程控制阀1个（双电控），主刀控制阀1个（单电控），顶针电磁阀1个（双电控），卸料电磁阀1个（单电控），上料电磁阀1个（双电控）。

设备规格如下：
转子外径：Φ30～80mm
转子积厚：10～60mm
轴心孔径：Φ8 mm
车削量：0.1～0.8mm
刀具：焊接刀
油压马达：2HP 30L
主轴传动马达：3HP
使用电源：三相AC380V/（50/60）HZ
外形尺寸：1000X700X1280mm

三：设备加工工艺

该转子外圆自动粗车机分为手动、半自动、全自动三种工作模式按照不同的工艺流程进行转子的加工。
1．手动操作工艺流程

手动操作主要应用于调试模具，正常生产时无需此手动操作。手动操作可以完成上料、行程、顶针、主刀、卸料的各自动作，此手动操作在人机界面系统菜单画面如图1所示，在画面上选择相应手动控制换画面按钮组件进入手动控制画面如下图2,在手动控制画面上选择不同功能按钮组件来完成手动动作，按钮组件选择的类型是保持型按钮来完成程序的设计。

此手动流程在编写PLC程序时需要注意主刀和顶针在退回过程中的先后顺序及互锁以免发生干涉损坏切削刀具，应该依照下面正确的顺序来执行：刀先退回，行程、顶针再退回，其他动作之间则无需加任何互锁。

2．半自动工艺流程

半自动工艺就是手动上料单件生产，该工艺流程主要应用于加工生产首件产品，设备加工完成首件产品后不再返回初始步骤进行下一个工件的加工。具体工艺流程如下：

3．全自动工艺流程：

全自动工艺就是在正常生产过程中无需人工上料由该粗車机自动由上料到卸料全过程完成马达转子连续加工车削的工艺，具体工艺流程如下：

以上半自动、全自动流程图中原点的状态为顶针退回位、行程退回位、主刀回位、卸料退回位。

半自动、全自动工艺的执行首先在人机对话操作界面上如上图 3上选择相应的模式按钮功能组件，之后切换到运行画面如下图4进行设备的启动运行或者按下设备机身的外部启动按钮。

四：PLC程序编制及人机巨集指令应用

在程序编制过程中，需要注意的是半自动、全自动工艺执行的过程中，如果设备发生故障需要按下紧急停止按钮，在按下急停按鈕后，卸料机构不动其他机构全部恢复原始零位，但需要注意在退回过程中刀先退回，行程、顶针再退回，否则会出现动作干涉损坏切削刀具。

无论以上任何一种工艺，当工艺之间进行模式转换时，刀、行程、顶针、卸料全部要自动退回原始退状态。

在模式转换过程中，由于是采用人机界面来编制的转换开关组件，利用按钮on巨集指令来完成各个转换开关组件之间的互锁。如下图5～7：

图5 当中的巨集指令是选择了手动控制模式，将自动、半自动模式选择按钮复位；
图6 当中的巨集指令是选择了自动运行模式，将手动、半自动模式选择按钮复位；
图7 画面七当中的巨集指令是选择了半自动运行模式，将手动、自动模式选择按钮复位；

可编程控制器半自动、全自动的程序利用步进梯形图指令来完成，这样减少了顺序梯形图的互锁，实现和调试起来比较容易。

在系统运行过程中，当传感器异常、电机过流岀现工位不到位或原点复归不到位的情况，会自动在人机操作界面上提示报警并停机，操作机修工按照相应提示到指定工位做故障检查，排除故障，恢复设备正常运行。

五：安装调试

转子外圆自动粗車机在系统设计过程中已充分考虑到了设备的安全性和可靠性，设备有良好的接地。安装完成之后，在现场机械电气配合进行联机调试，效果比较理想，每分钟连续加工产品数量达12个，车削外圆之跳动面及锥度能保持在0.05mm以内，单次进刀量大可以达到0.8mm，完全达到工艺的要求。

六：结束语

转子外圆自动精車机调试完成后已经正式移交客户使用，客户反映效果良好，在此基础上将进一步利用台达机电产品配套开发转子外圆自动精車机系统，台达DOPA系列人机界面和ES系列PLC在转子外圆自动粗车机这种小型机加工设备上的成功应用，为台达机电产品在工控领域开拓更广阔的市场奠定了基础。