西门子6ES7231-0HF22-0XA0接线方式

西门子6ES7231-0HF22-0XA0接线方式

本文介绍的典型数控铣床主要由机床操作面板、X、Y、Z 三个直线坐标轴、上轴及机床的液压、润滑、冷却系统等机床辅助功能组成。机床的电气系统包括数字控制系统(CNC)、数字伺服驱动系统、主轴变频调速系统及机床输入输出PLC控制系统等。
本电气系统主要完成人机对话和对三坐标机床坐标的进给、主轴的运转以及机床的液压、润滑、冷却系统等的控制。该机床的三个坐标采用HEIDEHAIN直线光栅尺全闭环反馈方式，机床主轴为电主轴，使用施耐德变频器控制，针对该机床的结构特点，其电气控制系统配置了法国NUM公司的NUM1050全数字数控系统，伺服驱动配置相应的MDLUNUMDRIVE数控式伺服驱动系统。
这台三坐标机床的PLC 控制程序是利用NUM1050全数字数控系统的内置式PLC功能，并配以相应的软件平台开发出来的。因而PLC程序的灵活性和易维护性与NUM1050数控系统的高性能有密不可分的关系。
1 NUM1050数控系统
NUM1050是一种开放式的、功能强大的数字控制系统，采用64位的CPU68040，用于数据的处理和坐标的控制，具有处理速度快、位置控制精度高等特点。
系统中的图形功能管理CNC面板显示和键盘：内存用来存储操作程序、PLC程序和用户文件：强大的通讯功能使CNC既可通过RS232串口又可通过网络接口与上位机进行通讯：轴控板用于控制数字轴或模拟轴的运动：内置式PLC通过输入/输出模块管理机床：CNC软件则管理加工程序、机床数据、计算机轨迹和速度以及监控坐标轴的运动。
2 NUM1050内置式PLC特点
PLC使用NUM系统提供的输入/输出接口与外界进行数据交换，通过PLC的扫描周期刷新存储区内的数据，PLC读取数据是通过%I变量，而PLC输出给外界数据是通过%Q变量进行的。
内置式PLC与NC之间则通过交换区交换数据，交换区中的内容是NC与PLC之间输入/输出的数据。NC输出给PLC的数据，PLC通过%R变量从交换区读取，PLC发送到NC的数据是通过%W变量放入交换区，由NC去读取，其扫描周期由系统自动执行。%R和%W所有变量的各字节和位都有特定的含义，专门提供给PLC用来控制NC的运行，并协调外接设备与NC之间的动作。
3 NUM1050 PLC程序结构特点
NUM数控系统的PLC编程有梯形图、汇编语言和高级语言(C语言)几种方式，其程序都采用任务模块和子程序模块来设计。PLC程序的任务模块包括：%INI、%TS0～4、%TF0～15、%TH0～15。子程序模埠%SP0～255，这些子程序可以由模块调用或子程序间调用。各模块的功能如下：
初始化任务%INI：系统每次上电时执行一次。
循环任务%TS：系统先执行%TS0，再按顺序执行TS1～4。%TS0的执行周期等于每个RTC(实时时钟控制)周期，即20ms，%TS1～4每5个RTC周期(100ms)执行一次。
后台任务%TS 比循环任务%TS和中断任务%TH的**权低，可用于等待任务的使用。后台任务可持续数个RTC循环周期，可以被循环任务中断。
中断(实时)任务%TH用于**权较高的事件而不必等待RTC循环的结束。中断(实时)任务%TH比循环任务%TS和后台任务%TF的**权高。
错误信息表%9999.9：机床错误信息文件。
4 三坐标数控龙门铣床PLC程序的设计与实现
PLC程序的设计离不开良好的软件平台和硬件环境，NUM1050数控系统为机床生产制造者提供了丰富的软件资源和强大的软件开发工具。如PLCTOOL，SETTOOL，PCTOOLKIT等。它们都是基于bbbbbbS平台上使用，为机床电气控制系统开发带来了较大的方便。其中PLCTOOL可方便地进行PLC梯形图或高级语言C的编程，备有丰富的指令集与计时器、计数器单元，图形化的界面，使用操作灵活方便。这台三坐标数控龙门铣床的PLC程序正是在PLCTOOL软件平台上开发设计出来的。考虑到实际的应用，这台三坐标机床采用梯形图语言设计PLC程序，其优点是直观，可以动态显示，易于调试和维护。
利用NUM1050数控系统提供的输入/输出模块和机床操作面板，可以非常方便地控制机床的运动及其他功能，因为机床操作面板带有可供编程的自定义键。NUM系统提供的机床操作面板通过光缆与系统相连，提高了可靠性。
根据NUM1050的PLC程序结构特点，在设计这台三坐标机床的PLC程序时，将该机床的各项功能分配给不同的模块控制。因该机床无特殊的中断任务，所以设计程序时使用了初始化任务%INI、循环任务%TS和子程序模块%SP。%TS0的扫描周期为20ms，所以将重要的子程序放在% TS0中调用，机床的辅助功能如液压、冷却、润滑等则在任务模块%TS1～3中控制，机床的坐标、主轴及相关部分的控制由梯形图的子程序%SP模块承担。三坐标数控铣床的PLC程序结构及每一模块介绍如下：%INI：系统在其它执行前调用，仅在PLC上电时执行一次，不受PTC循环控制，主要对一些变量进行初始化。%TS0：调用子程序。%TS1：控制机床辅助功能导轨润滑和液压系统。其中导轨润滑周期由PLC程序中的定时器控制。%TS2：控制机床冷却系统。可以在机床操作面板上选择自动冷却和手动冷却。%TS3：控制机床主轴的松和夹紧。%SP0：用于控制机床操作面板上的指示灯闪烁。NUM1050系统提供的机床操作面板上的自定义按键大部分带有指示灯，在使用一些需要特别提醒的功能时，其按键采用指示灯闪烁的方式，以示醒目，如机床故障复位键、换完成键等等。%SP2：控制机床操作面板的自定义按键。操作面板的自定义键必须经过PLC编程才能生效，而按键的功能则根据机床的需要来定义。根据用户的要求，这台三坐标数控龙门铣床的操作面板上设计了机床启动、冷却控制、主轴启停、换完成、机床故障复位等功能。%SP3：控制坐标运动及坐标限位的安全检查。%SP4：M 功能译码，该模块用于定义换结束的M06功能。%SP5：控制坐标轴伺服使能。%SP6：该模块控制主轴部分的所有功能，包括主轴冷却、主轴润滑、夹紧、主轴电机、主轴变频器等。%SP20：机床故障信息的显示控制。当机床出现故障时，在显示页面需要及时显示故障号和故障内容，当机床出现多条故障时，系统便可以按顺序显示故障，每条故障显示的时间在本子程序模块中设置。该模块被其它相关模块调用。
这台三坐标数控龙门铣床的所有功能和控制均由以上各模块实现，其中%SP2、%SP3、%SP5和%SP6更是这台机床PLC程序的核心。用模块化方式设计PLC程序，可以对每一模块进行单独调试，提高了机床调试的效率，当调试过程中出现问题时，可以很快找到问题所在，而且机床的不同功能用不同的子模块来表示，程序结构一目了然。通过对每一个子模块的单独调试和较终的机电联调，都证明了这套PLC程序的设计思想和方法是行之有效的。
5 小结
这台三坐标数控龙门铣床经过紧张调试后，机床工作正常，符合要求，机床达到验收标准。实践证明，这台三坐标机床的控制软件设计是成功的，并且设计开发的有些基本模块还具有良好的可移植性，在以后使用NUM1000系列数控的典型数控机床PLC梯形图设计中稍加改动使可加以使用，对以后同系列数控机床的PLC控制软件的设计打下了良好的基础。

一． 综述
多晶硅还原炉电气系统的主要设备是大功率调压器。调压器所带负载是多晶硅棒串联而成的纯电阻负载。调压器的作用实际上是对负载电阻进行电加热，并且保持硅棒表面温度恒定（一般1080℃）。硅棒串联而成的电阻是一个变化的电阻：**，硅棒温度从常温上升到1000℃，Φ8直径硅芯电阻从几百kΩ下降到几十Ω；*二，保持硅棒表面温度1080℃，硅棒直径从Φ8增加到Φ150，硅棒电阻从几十Ω下降到几十mΩ。可见硅棒电阻大范围变动引起调压器输出电压和电流的调节范围大是这种调压器的设计特点。按照实际工作的性质，调压器分为硅棒温度从常温加热到1000℃的预热调压器和硅棒直径从Φ8增加到较终直径并且始终保持硅棒表面温度1080℃的还原调压器。
预热调压器工作过程中硅棒温度从常温加热到1000℃，其主要困难是硅棒初始电阻R太大，加热功率正比于V2/R，电阻大必然要求供电电压高（甚至需十几kV），一般应尽可能降低电阻R。常用方法有提高炉壁冷却液的温度，加粗硅芯直径，对硅芯参杂，炉内注入高温等离子体或放置卤钨灯等等。预热调压器工作时间十几分钟，功率30－200kVA。
还原调压器输出功率用于加热硅棒，硅棒再通过辐射、传导和对流方式将功率传递给还原炉内的反应气体和炉壁的冷却液。随硅棒直径增长，反应气体流量加大，炉内的反应气体和炉壁的冷却液带走的热量增加，调压器输出功率越来越大。工艺对还原炉提出的技术要求如图一所示。还原调压器设计必须满足工艺上随直径Φ变化，电压V、电流I和功率P的供电要求。同时，重点考虑高电压的电气结构问题、大电流的电气结构问题、负载电阻变化引起的调节器参数设计问题、调压范围大引起的功率因数低和谐波问题、结构上的环流问题、硅棒碰壁、裂棒检测及断电再上电等辅助功能问题。

多晶硅还原炉电气系统除了调压器以外还有一套计算机管理、操作系统。它的主要功能是：
1． 对管辖的所有还原炉电气设备（调压器、变压器、开关柜）进行数字通信。
2． 对管辖的所有还原炉电气设备的电气数据进行画面显示和曲线记录，并且对所有还原炉电气设备的故障进行画面提示和记录。
3． 对管辖的所有还原炉电气设备进行画面操作。
该系统采用双冗余计算机和光纤通信，可靠性高、抗干扰能力强。
目前，国际上对中国实行还原炉电气系统的技术，同类进口产品只是国际九十年代初的水平。要想设计出适应我国还原炉内硅棒不断增多、直径不断长粗、气体压力不断增高的还原炉电气系统，仍然需要依靠中国电气**的共同努力。

二． 预热调压器的设计
目前比较流行的预热方式是直接采用高压调压电源进行预热，而不是用高温等离子体或放置卤钨灯等方式。因为在掌握了电极绝缘技术的情况下，高压调压电源进行预热，工艺优势比较大。

预热调压器方案1，380V交流电压经过交流调压器调压后连接到升压变压器原边。变压器副边1档额定输出V1（例如12kV）、2档额定输出V2（例如6kV）、3档额定输出V3（例如3kV）。K1真空接触器吸合，调压输出范围V1－V2；K2真空接触器吸合，调压输出范围V2－V3；K3真空接触器吸合，调压输出范围V3－1000℃硅棒电压。方案1的缺点是真空接触器体积较大，维护多、切换时间较长。优点是不考虑环流问题。

预热调压器方案2，380V交流电压经过交流调压器Q1调压后连接到升压变压器原边1档，变压器副边额定输出电压V1（例如12kV），调压输出范围V1－V2。380V交流电压经过交流调压器Q2调压后连接到升压变压器原边2档，变压器副边额定输出电压V2（例如6kV），调压输出范围V2－V3。380V交流电压经过交流调压器Q3调压后连接到升压变压器原边3档，变压器副边额定输出电压V3（例如3kV），调压输出范围V3－1000℃硅棒电压。方案2不是真空接触器换档而是可控硅换档，无换档时间。但是图三中存在不同档的两个可控硅开通形成变压器原边两个抽头短路的环流可能性。因此，方案2的核心技术是确保任何一档可控硅工作时，其他档可控硅处于脉冲状态，绝不会产生环流。实际上环流是两个原因造成的：一是应该关断的可控硅在干扰情况下误触发导通；二是应该关断的可控硅承受很大的dv/dt而导通。因此，主回路应该通过阻容吸收电路抑制可控硅两端的电压尖峰和dv/dt，控制回路应该采取抗干扰措施。
根据经验，预热调压器较高输出电压：硅棒长度×700V/米（炉壁冷却液温度240℃）；硅棒长度×1500V/米（炉壁冷却液温度130℃）。当预热调压器较高输出电压**过炉底电极绝缘电压时，可以采用短对方案，也可以采用多电源方案。

       短对方案中K1和K2真空接触器先吸合，预热调压器为一对棒加热到1000℃。然后K1真空接触器吸合、K2断开，预热调压器为1000℃的一对棒和常温的一对棒串联加热，使两对棒都加热到1000℃。最后K1、K2都断开，预热调压器为1000℃的两对棒和常温的一对棒串联加热，使三对棒都加热到1000℃。短对方案的主要缺点是把1000℃的硅棒和常温的硅棒串联再加热时，由于常温硅棒电阻很大，10000C的硅棒没有获取功率而温度下降，硅棒温度反复波动容易出现裂棒甚至倒棒。
多电源方案不会出现温度波动问题。对应预热调压器1的一对硅棒先到1000℃，由于它对炉内温度的加热，使对应预热调压器2的两对硅棒的较高每米电压值降低，预热调压器2可以加热两对硅棒到1000℃。两个预热调压电源相位互差120°，三根预热母线中任意两根线的电压不**过预热调压器较高输出电压。
为了简化设备，一般选用1套预热调压器对N台炉进行预加热。9对棒还原炉预加热系统原理，K1真空断路器断开，防止高压加入A相还原调压器。K2吸合，对1#炉A相3对棒预热。预热结束，K2断开，K1吸合，A相3对棒开始由A相还原调压器供电。同样，K3真空断路器断开，防止高压加入B相还原调压器。K4吸合，对1#炉B相3对棒预热。预热结束，K4断开，K2吸合，B相3对棒开始由B相还原调压器供电。以次类推，每次预热3对棒，每炉预热3次。可以对任何一个炉进行硅芯调压预热。所有真空接触器和真空断路器的逻辑控制由PLC操作。

三． 还原调压器设计
多晶硅50Hz交流的集肤深度大约26mm，直径较粗时，直流导电面积是圆的面积，50Hz交流的导电面积是圆环的面积。还原调压器可以采用直流调压方式。但是，在工艺上，由于硅棒中心导电，中心温度要**硅棒表面温度，硅棒机械强度变差甚至出现溶心现象。在供电上，直流硅棒电阻小，对同样功率属于低压大电流供电方式，所以一般采用交流调压方式。
由工艺决定的硅棒调压范围大约10：1，为了提高功率因数，降低谐波，通常采用副边多抽头的还原变压器，即调压器调压与抽头切换相结合的交流调压方式。
用真空断路器进行抽头切换，可控硅交流调压器在相邻两抽头间进行小范围调压。缺点是硅棒电流较大时，真空断路器价格高体积大。另外断路器切换时间和维护都不如可控硅电子开关。无断路器结构，4个可控硅调压器任何时候仅有1个可控硅调压器在工作。变压器原边绕组的电压、电流波形如图九所示，电流波形由0线和正弦波组成。显然，电流滞后于电压，功率因数低；电流畸变，存在高次谐波。因此，在变压器副边的一个抽头上安装就地无功功率补偿和谐波治理装置。使功率因数大于0.9，注入10kV电网的谐波达到国家标准GB/14549?93。图十中存在不同档的两个可控硅开通形成变压器副边两个抽头短路的环流可能性。因此，其核心技术是确保任何一档可控硅工作时，其它档可控硅处于脉冲封锁状态，保证绝不会产生环流。

在电压/电流工艺曲线固定的情况下，可以不用无功功率补偿和谐波治理装置，选用高功率因数调压方式实现功率因数大于0.9，注入10kV电网的谐波达到国家标准。该方式的调压器主回路电路图相同，4个可控硅调压器任何时候有2个可控硅调压器在工作。变压器原边绕组的电压、电流波形如图十所示，电流波形由小正弦波和大正弦波组成。例如：先Q3导通产生电流正极性小正弦波，再Q1导通产生电流正极性大正弦波，再Q4导通产生电流负极性小正弦波，最后Q2导通产生电流负极性大正弦波。注意：设两个相邻的抽头电压分别为1000V和707V，硅棒电流波形大正弦波与小正弦波的峰值比例是1.414。但是变压器原边绕组的电流波形大正弦波与小正弦波的峰值比例则为2。可以证明，两个相邻的抽头电压接近到一定程度，可以解决功率因数和谐波的问题。
当单相供电的硅棒串联对数较多时，或者硅棒高度较长时，工艺电压曲线较高电压值比较大。为解决可控硅耐压问题，通常采用先独立后串联供电方案，如图十一所示。例如：18对棒还原炉单相供电6对棒，首先K1电子开关导通，K2电子开关断路，调压器T2为上3对棒供电，调压器T1为下3对棒供电。随直径长粗，供电电压下降，再进入串联状态，K2电子开关导通，K1电子开关断路，调压器T2、T3、T4为6对棒供电。
还原调压器的调节器是自适应调节器，调节器参数随负载电阻变化而自动改变。具备全套的保护功能。并且有硅棒碰壁、裂棒检测及主回路突然断电再上电的处理功能。

四． 实际应用效果
北京三义电力电子公司提供的多晶硅还原炉电气系统由我公司提供设计参数、其它厂家生产的外围设备（变压器、高压开关柜）和我公司设计并生产的核心设备组成。核心设备包括预热调压器、计算机操作管理系统、综号柜和还原调压器四部分。**部分一套生产线仅需要1套，还原调压器数量与炉子数量相对应。北京三义电力电子公司自2005年**套多晶硅还原炉电气系统在洛阳中硅公司投入运行以来，已经制造了13套生