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产品描述
西门子6ES7231-7PD22-0XA8功能介绍
目前数控技术的应用急需大量的人才。数控应用人才是一种介于工程师和高级技术工人之间的人才，他们的培养需要一种全新的教育体制，他们既应具备相应的理论知识，更应具备熟练的编程和操作及维修技能。根据目前的情况，创办数控技术高等职业教育是解决问题的较佳途径。这样，通过“批量”的培养规模，以数控培训基地为依托，加大实践环节的教学，进行系统化的数控应用技术教育，可以大大改善目前国内数控应用人才缺乏的局面。
企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以较低价格、较好的质量、较短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，较适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，*对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。
数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达±0.01至0.02mm，已能满足C620车床改造后加工零件的精度要求。
普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控机床的改造目的是要求机床稳定可靠，以尽可能低的故障率运转。普通车床应用微机控制系统进行改造，可以提高工艺水平和产品质量，减轻操作者的劳动强度。现将应用微机控制系统对C616-1车床改造过程做一总结分析。
1 微机控制系统的选择
目前市场上数控系统的类型比较多，选择前首先应对拟改造的数控机床自身功能有一个充分的了解，可依据价格合理、技术先进、服务方便的原则选择数控系统。在经济能力许可的情况下，尽量选用**产品。此类数控系统，零件筛选严格，制造工艺规范可靠、出现的因电器元件故障或提前失效引起的设备故障，有极好的预防作用。而且注重数控系统的功能选择。不应单纯追求数控系统的高性能指标，这对于实现较高的性能价格比非常重要。数控系统所具有的功能要与准备改造的数控机床所能达到功能相匹配，尽量减少过剩的数控功能。因为数控系统功能过剩，一方面浪费资金，另一方面还可能潜伏下由于数控系统复杂程度的增加而带来的故障率升高的隐患。
因此根据被改造机床的结构、性能及被加工零件精度选择了机床微机控制系统。即GWK/AT-Ⅱ型数控系统，系统配备了110BF03、160BF5C功率步进电机。控制电脑采用高速微机处理器，半导体存储器，并行接口电路。驱动部分采用晶体管PWM驱动线路，整个系统属于开环控制，结构简单驱动力大，价格低，抗干扰性能强，质量稳定可靠，安装调试方便。特别是师教编程功能直接面向操作者，很适合中、小批生产。
2 机械部分的改造
为了充分发挥GWK/AT-Ⅱ数控系统的技术性能，保改造后的车床在系统控制下重复定位精度，微机进给无爬行，使用寿命长、外型美观，机械部分作了如下改动。
(1)床身
为了使改造后的机床有较高的开动率和精度保持性，除尽可能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零件、部件的耐磨性，尤其是机床导轨的耐磨性。
当前国内外数控机床的床身等大件多采用普通铸铁。而导轨则采用淬硬的合金钢材料，其耐磨性比普通铸铁导轨高5至10倍。据此，在改造中利用旧床身，采用GCR15轴承钢淬硬到HRC56-62制成导轨，用螺钉和粘剂固定在铸铁床身上。
粘接前的导轨工作表面采用磨削加工，表面粗糙度Ra0.8mm，以提高粘接强度。
(2)主轴变速箱
选用GWK/AT-Ⅱ数控系统。主运动方式和传统机床一样都要求有十分宽广的变速范围来保加工时选择合理的切速，从而获得较高的生产率和表面质量。根据原主轴箱变速的具体情况，有效地利用数控系统中提供的以编码方式输入的16种主轴变速功能S只将I轴上56和51及Ⅱ轴上的34和39两个双联齿轮一分为二，在56和51上各装DLM3—10远程控制电磁离合器，以达到在不停机的情况下，按系统S功能发出的变速指令完成两种调速，其它速度组的调整可利用系统中停车待起动指令采用原手动机械变速来完成。改装部分的传动见图。
(3)拖板
拖板是GWK/AT-Ⅱ数控系统直接控制的对象，不论是点位控制还是连续控制，对被加工零件的最后坐标精度将受拖板运动精度、灵敏度和稳定性的影响。对于应用步进电机作拖动元件的开环系统尤其是这样。因为数控系统发出的指令仅使拖板运动而没有位置检测和信号反馈，故实际移动值和系统指令值如果有差别就会造成加工误差。因此，除了拖板及其配件精度要求较高外，还应采取以下措施来满足传动精度和灵敏度要求。①在传动装置的布局上采用减速齿轮箱来提高传动扭矩和传动精度(分辨率为0.01mm)。传动比计算公式为：
采用GWK/AT-Ⅱ数控系统控制。拆除原拖板箱，利用此位置安装新拖板箱，新拖板箱除固定滚珠丝杠的螺母外，并在内部设存储油箱和手压泵，用于润滑丝杠副。挂轮箱、走箱拆除，在此两个位置分别装控制螺纹加工的主轴脉冲编码器和拖板轴向伺服元件功率步进电机及减速箱。使改造后的机床外型美观、合理。改造后机床的启动、停机均由数控系统完成，故拆除原机床操纵杆，变向杠、立轴等杠杆零件。
一、 变频器在染整行业发展趋势
对于染整行业来说，电耗是其生产成本的主要部分，而染缸是染纱的主要能耗设备之一；随着变频控制技术的发展，对流量压差进行变频控制已在染整行业中得到广泛的应用。采用变频节能对染缸的节能改造也已成为染整业降低染纱的能耗成本、提高产品竞争力的较有效的途径。因此交流变频调速装置在染缸上的应用，对于减少能源浪费具有重要意义。
二、 染缸工艺中的主要损耗
染纱工艺是一个按照预定的周期性动作过程，即是内流与外流的时间控制达成染色工艺。其内外流主要靠换向器换向实现；而纱的流量主要靠主泵实现。
**为硬件损耗。 普通染缸主泵采用原始的Y-△降压启动，其启动转矩和启动电流大，加快主泵的老化和换向器的加速磨损。提高了维修成本和能源的浪费。
第二为溢流损耗。随纱的加工工序不同，各工序所需温度、流量、压力不同，对于主泵马达而言，染缸在染色过程的负载是处于变化状态。而泵的流量是按照所需的较大流量来设计的，其原主泵马达以恒定的转速提供的压力流量，当每泵纱所需的流量小于较大流量时，色料反而流过了每一磅纱，使其没有在较短的时间内加色，这一部分能量就损耗掉了。
第三为节流损耗。当水流经换向器的换向口时会有一定的和压力，增加换向电磁阀的力矩，同时由于水长期全速循环流动与换向器件机械剧烈磨擦，造成密封圈温度过高，换向器噪音过大，机械寿命缩短等不良现象。
第四为设计余量损耗。通常在设计中，一般会考虑到共用性，设计时以较大容量为基础，因此染缸主泵电机设计的容量比实际需要高出很多，存在“大马拉小车”的现象，造成电能的大量浪费。
三、 流量压差控制变频器的节能原理及控制系统
**调速节能。根据染纱的工艺要求,把原来的主缸注料管改成流量控制器经转换为4-20mA电流信号后加在PLC模拟输入端作为变频器的频率给定信号，PLC对其进行实时采样并通过PID运算处理，使输出给变频器的频率随流量控制器的模拟信号成线形变化；在经过给出的磅数大小通过PLC运算后，需要压力和大小会自动调节电机转速，从而降低电机的输出功率，在换向电磁阀处加装换向到位开关，已确保换向电磁阀完全动作到位。内外流换向时会根据换向开关动作自动降低转速，等换向完成后自动加速到所需频率，使电机和换向阀在整个负载范围内的能量损耗达到较小程度。
第二成本降低、操作方便。把主缸原有的水位控制器和磁石信号去掉改成模拟信号控制器以实现控制水位的高低。并加装人机界面来查看主缸的实时水位。已免主缸无水运行造成事故发生。去掉料缸水位控制器，用原有的模拟信号控制器实现水位高低控制，降低维修成本和生产成本。
第三提高功率因数节能。无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是因为功率因数的降低导致电网有功功率的降低。可知，当功率因数越大，有功功率越大。普通主泵φ值在0.6-0.8之间，而使用变频调速装置后，由于变频器内滤波电容的补偿作用，使得φ≈1，从而减小了无功损耗，增大了电网的有功功率。
第四软启动节能。由于原电机为直接启动或Y/△启动，启动电流等于(3-7)倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会增加电网容量要求，启动时产生的大电流和震动对设备的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，较大值被限制在变频器设置的加速中电流限幅水平以内，一般不超过1.7倍额定电流，减轻了对电网的冲击和对电网容量的要求，延长了设备的使用寿命。
要完成复杂任务，可以把整个程序分成一个个独立的程序块，STEP5有5种块类型，即组织块(OB)、程序块(PB)、顺序块(SB)、功能块(FB)和数据块(DB)。
1 系统组成
某电厂化学水处理系统基础设备具有良好的可控性，利用PLC和工业控制计算机对其进行实时监控管理，系统基本组成如图1所示。
采用3台西门子公司的SIMATICS5—115U可编程序控制器控制现场的一次设备，程控系统分为3套，依次为#1补给水处理单元、#2补给水处理单元、#3凝结水处理单元。
操作员站选用两台研华586工控机，软件开发平台选用美国Inbbtion公司的FIX5.5组态软件。FIX5.5是一种能完成数据采集及控制、报警、图形数据显示等功能的完整工业自动化软件，该版本在bbbbbbS或bbbbbbSNT环境下运行，采用了图形用户界面，相应其内部的图形处理是基于第三代图形技术。
数据通信系统采用SINECL2网，它把SIMATIC系列可编程序控制器以及工控机连成网络。SNECL2是令牌总线网，网络传输介质是双绞线或光缆。每个节点通过总线连接器连到总线网上，在本系统中，三台PLC之间以及与两台工控机之间都实现了数据通讯。
系统结构图
图1 系统结构图
该方案配置体现了分散控制系统的优点，即控制功能分散，操作管理集中。控制功能分散意味着系统实时响应快和系统危险分散，操作管理集中便于集中管理，方案配置还具有冗余特性。
2 PLC及其程序设计
2.1 SIMATICS5-115U硬件组成及编程概要
可编程序控制器SIMATICS5-115U采用标准的模块式结构，电源、CPU、各种I/O模件都插在一块母板上，并可以根据不同的I/O点数增加扩展母板，输入、输出模件和存储器的精细分级，使得这种装置具有较强的配置适应能力；通过通讯处理器和局部网，可方便地实现PLC之间及与计算机的通讯。
SIMATICS5-115U的编程语言是STEP5，有3种表达方法，即控制系统流程图CSF，梯形图LAD和语句表STL.其中语句表STL较接近于机器内部的控制程序，功能也比前两种方法丰富得多，因此在本系统实际编程应用中全部采用语句表STL.
STEP5的较大特点是采用了结构化编程方法，并提供大量标准功能块如乘法功能块FB242、通讯功能块FB244等，使得编程工作大大简化，而且所编程序条理清晰，易于读懂、修改和测试，这一优点尤其在编制大型复杂程序时更能显现出来。
要完成复杂任务，可以把整个程序分成一个个独立的程序块，STEP5有5种块类型，即组织块(OB)、程序块(PB)、顺序块(SB)、功能块(FB)和数据块(DB)，其中组织块(OB)用以管理用户程序，形成了操作系统和控制程序之间的接口，所有其它类型块在此被调用执行。功能块(FB)用于实现反复调用或者特别复杂的程序功能，这些功能块可以是系统以标准功能块的形式提供的，也可以由用户自己编制。例如标准功能块FB242就可以实现16位二进制乘法功能、FB244可以实现CPU与通讯处理器之间的数据传送，用到这些功能时可以直接调用这些功能块。
2.2 SIMATICS5-115U大型程序的设计
以本系统#1补给水处理单元的控制程序为例，在组织块OB1内主要有下面几条语句，完成各功能块的无条件调用。
JUFB1(定义PLC1向两台工控机传送的数据)
JUFB2(定义两台工控机向PLC1传送的数据)
JUFB231(完成PLC1与两台工控机之间通讯的基本设置)
JUFB232(完成PLC1与PLC2、PLC3之间通讯的基本设置)
JUFB4(实现自动控制及无扰切换功能)
JUFB3(气动门及电动门控制)
JUFB10(实现模拟量处理功能)
JUFB11(报警处理)
在FB1、FB2内主要将需要通讯的数据分别写入某数据块如DB10的相应位，由此才能与通讯处理器中的变量取得一致。在FB231中调用两个STEP5本身提供的标准功能块FB244(发送数据)、FB245(接收数据)，再根据通讯处理器填写一些必要的参数如接口、作业号等，从而实现数据通讯功能。在FB232内按照通讯处理器分配的数据位，定义3台PLC之间需要传送的数据。在FB4内根据生产工艺流程要求及操作规范，充分利用其它功能块及I/O模块传送的数据，实现系统的自动控制及无扰切换功能；针对多个被控对象相似的特点，分别编制了几个有代表性的功能块FB20、FB30、FB40，例如在FB4内多次调用了FB20以便解决PLC内某程序步时间和工控机画面显示时间保持一致的问题，而且FB20内又调用了乘法功能块FB244.FB3根据FB4发出的自动程序步指令去控制气动门、电动门及泵等现场设备。FB10负责所有模拟量的处理，在此调用了开方功能块FB5.FB11根据FB10转换出来的数据，对模拟量进行报警处理，在此一定要注意模拟量和PLC内部数字量的对应关系，以保证模拟量显示和报警的准确性。
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