CN109753021A

CN109753021A - 一种数控机床电参数采集系统及方法

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Publication number: CN109753021A
Application number: CN201910217960.6A
Authority: CN
Inventors: 徐金瑜; 罗敏; 刘凌云; 李慧玲; 雷钧; 马彬; 吴岳敏
Original assignee: Hubei University of Automotive Technology
Current assignee: Hubei University of Automotive Technology
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2019-05-14

Abstract

本发明属于数控机床技术领域，公开了一种数控机床电参数采集系统及方法，采用西门子PLC200、西门子PLC300和WB9128功率采集器搭建硬件平台，利用三个WB9128功率采集器分别采集车拉数控机床电参数、钻床电参数和数控车床电参数，再将该电参数模拟信号分别通过WB9128传感器模拟量输出口OUT传送到S7‑300和S7‑200的模拟输入模块中，再编写PLC程序对模拟量数据进行采集及处理，再利用WINCC组态软件，通过PROFIBUS‑DP总线与PLC进行通讯，并保存其电参数及进行过程归档。本发明实现了数控机床的智能控制。

Description

一种数控机床电参数采集系统及方法

技术领域

本发明属于数控机床技术领域，尤其涉及一种数控机床电参数采集系统及方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

随着加工型企业规模日趋大型化，涵盖数控机床的平台集成技术、远程交互技术、文件传输技术等信息化技术的方案越来越受到企业的重视。通过技术手段解决车间现场问题，从而提高设备利用率，提升现场管理能力，降低生产成本，是每个加工型企业的切实需求。

大多数加工型车间都不同程度的存在数控机床品牌、类型繁杂，不同数控机床采用的通讯协议、接口方式呈多样性，通过统一的接口技术将所有数控机床接入信息化平台的难度较大。同时，由于各个数控机床输出的数据格式、规范不尽相同，这又导致了数据在存储时，统一进行数据分析、处理的难度增大。由于缺少必要的技术手段，大多数加工型车间都存在生产管理人员不能及时了解车间生产状况，获取现场生产数据、设备信息依赖于走查，获取现场数据效率低且易出错的问题。此外，传统加工型车间中，工艺文件都依赖于U盘、移动硬盘等移动存储设备传输至数控机床，频繁的热插拔容易烧坏数控机床电控设备板卡，也容易导致控制系统感染病毒程序，而且U盘与数控机床一对一传输文件效率很低。

目前的设备集成方案是建立车间局域网，通过网线直连、串口转网口等手段，将数控机床连接到远程计算机上，通过共享网络路径的方式实现机床与计算机、机床与机床的连通。在远程监控方面，通过访问共享网络路径上的数控机床数控系统输出文件的方式，获取数控机床实时运转状态，从而实现机床运行状态监控。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术中，没有利用采集器分别采集车拉数控机床电参数、钻床电参数和数控车床电参数，再编写PLC程序对模拟量数据进行采集及处理，造成数控机床控制效果差。

(2)现有方法中有些采用RS485通信方式传输数字量电参数，由于采集频率低，在电机频繁启动和制动阶段，存在电参数尖峰和低谷无法准确获取的问题，误差较大。

(3)现有技术中很多采用电能表采集能耗数据，无法获取其他电参数的瞬时值，不能获得实时曲线，掌握机床刀片寿命。

解决上述技术问题的难度：

需要相应的硬件模块支持，采用模拟量传输，再通过PLC程序转换成相应实际物理量数据，数据信息量较大，需要高效的数据处理能力。

解决上述技术问题的意义：

数控机床在线监测技术是对数控机床运行状态进行监控以保证数控机床运行正常并保证加工质量，它是提高操作自动化程度和机床工作精度的关键技术之一，是CIMS中质量保证系统不可分割的一部分。车间设备集成控制系统环境下的数控机床状态监测系统位于整个工厂自动化系统中的车间检测层，在高度自动化、高度复杂化、高度集成化的现代加工过程中，检测车间工作现场数控机床的状态是制定生产作业计划的基础，可以实时获取车间数控机床的运行状态，如机床运行与停止、故障报警、刀具寿命管理等，有助于保护车间数控机床设备，提高车间数控机床加工质量，减少刀具管理员的人为判断失误，也为车间高效的生产管理与控制提供实施基础。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种数控机床电参数采集系统及方法。

本发明是这样实现的，一种数控机床电参数采集方法，所述数控机床电参数采集方法包括：

利用多个功率采集器分别采集车拉数控机床电参数、钻床电参数和数控车床电参数处理为模拟量从OUT口输出信号；

从OUT口输出信号传输给接在各个机床的三相进线、各个轴的驱动器三相输出线上互感器，采集各相电流、电压模拟信号；

再将采集的各相电流、电压模拟信号传送到西门子模拟输入模块中，通过PLC程序对模拟量数据进行采集及处理；根据实际物理量与模拟量输入模块内部的数字量比例关系，编写PLC程序，实现比例关系的转换，获得实际的电流值、电压值、功率值电参数；

再利用上位机组态软件和通过总线与PLC进行通讯，并保存电参数进行过程归档。

进一步，利用组态软件对工业自动化系统的监视、控制和管理，从工业现场环境中采集各种数据信息，并将这些数据信息以图形和动画直观方式进行显示，并且将重要的数据信息通过有关的技术和方法传递给系统管理中心，系统管理中心对现场釆集来的数据信息进行分析、处理、加工及存储，同时发出各种控制指令，实现人机互动协调工作。

进一步，过程值归档的方法包括：

(1)过程值的连续周期性归档：

运行系统启动时,过程值的连续周期性归档随之开始，过程值以恒定的时间周期采集并存储在归档数据库中，运行系统终止时,过程值的连续周期性归档也结束；

(2)周期的选择性过程值归档：对受事件控制的连续的过程值归档；

(3)非周期性的过程值归档：

对事件控制的过程值归档，当超出临界限制值时,对当前过程值进行归档，运行期间，非周期性过程值归档仅将当前过程值保存在归档数据库中；

(4)在改变期间将过程值归档：过程值仅在被改变后进行非周期性归档；

(5)在过程控制中过程值归档：对多个过程变量或快速变化的过程值进行归档，过程值被写入由归档系统解码的报文变量，采集的过程值存储在归档数据库中。

进一步，过程值归档在归档系统中进行编译、处理，在运行系统数据库中保存；在运行系统中，以表格或趋势的形式输出当前过程值或已归档过程值或将所归档的过程值作为草案打印出来。

进一步，过程值归档中，通过自动化系统AS存储通过通信驱动程序传送到WINCC的过程值；通过数据管理器DM处理过程值，然后通过过程变量将其返回至归档系统；通过归档系统处理采集到的过程值，处理方法采用组态归本当方式；通过运行系统数据库DB保存要归本当的过程值。

在自动化系统中二过程值被写入二进制文件并以报文形式发送到WINCC，存储在WINCC的原始数据变量中；

将为用户正在使用的自动化系统提供格式DLL，并由后者拆分报文，然后将过程值写入至归档数据库。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述的数控机床电参数采集方法的数控机床电参数采集系统，所述数控机床电参数采集系统包括：

多个功率采集器，分别采集车拉数控机床电参数、钻床电参数和数控车床电参数；

多个互感器，分别获取机床电流参数；

S7-200第一模拟量输入模块EM231，用于接收来自多个功率采集器采集的OUT输出口电参数模拟信号；

S7-300第二模拟量输入模块EM331，用于接收来自多个功率采集器采集的OUT输出口电参数模拟信号；

S7-200第一PLC模块，作为从站，对模拟量数据进行采集及处理；

S7-300第二PLC模块，作为主站，对模拟量数据进行采集及处理；

EM277通讯模块，实现S7-200与S7-300之间的PROFIBUS-DP通信。

WinCC上位机，通过上位机组态软件和PROFIBUS总线与PLC进行通讯，并保存上述电参数进行过程归档。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述数控机床电参数采集方法的车拉数控机床电参数程序。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述数控机床电参数采集方法的钻床电参数程序。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述数控机床电参数采集方法的和数控车床电参数程序。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述数控机床电参数采集系统的数控机床生产线。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明的优点是采集数据效率高，能很好的捕捉电参数的尖峰值以及低谷值，数据准确度更高，有利于更好的分析数据变化，研究机床以及各轴运动状态。如机床运行与停止、故障报警、刀具寿命管理等，有助于保护车间数控机床设备，提高车间数控机床加工质量，减少刀具管理员的人为判断失误，也为车间高效的生产管理与控制提供实施基础，产生了积极效果。同时，利用本采集系统构建的能耗模型，填补了国内空白。

根据本发明构建的能耗模型，计算并绘制车拉与内铣机床的各部分能耗与功率占比中，体现在以下几点：

(1)车拉与内铣加工节拍大致相当，周期都为130秒左右；车拉机床待机功率6249.2W，内铣机床4118.7W。因此车拉机床待机能耗高于内铣机床。这是车拉机床辅助系统功率远高于内铣机床所致。

(2)内铣机床空程功率5911.8W，车拉机床2156.9W，且内铣空程时间较长，所以内铣机床空程能耗高于车拉机床。

(3)车拉待机能耗占机床总能耗比例过半，达52％。可以考虑加快车拉机床的节拍，缩短待机时间从而降低待机能耗。也可以考虑待机超过一定时间，即关断机床液压，待机床加工循环需要液压动作时，再自动启动液压电机。

(4)内铣空程能耗占机床总能耗比例较高，达43.6％。由于空程功率主要是主轴电机和进给电机驱动机械传动系统所消耗的功率，可以考虑适当延迟主轴启动和提前停止主轴，以降低空程能耗。

(5)空程时，车拉机床和内铣机床主轴电机负载率分别为5.9％和15.5％，标准差分别为0.006和0.01，说明负载波动极小，机床主运动机械传动的运行状态基本稳定，工况良好。

(6)切削时，车拉机床主轴电机负载率，粗加工在4.9％～36.3％范围，精加工在6.3％～10.6％范围；内铣机床主轴电机负载率在21.8％～53.95％范围，反应了刀具加工时的切削受力状态，进一步建模可以用于刀具寿命状态分析。

本发明采用西门子PLC200、西门子PLC300和WB9128功率采集器搭建硬件平台，利用三个WB9128功率采集器分别采集车拉数控机床电参数、钻床电参数和数控车床电参数，再将该电参数模拟信号分别通过WB9128传感器模拟量输出口OUT传送到S7-300和S7-200的模拟输入模块中，再编写PLC程序对模拟量数据进行采集及处理，再利用WINCC组态软件，通过PROFIBUS-DP总线与PLC进行通讯，并保存其电参数及进行过程归档。

附图说明

图1是本发明实施例提供的数控机床电参数采集方法流程图。

图2是本发明实施例提供的数控机床电参数采集装置示意图。

图3是本发明实施例提供的WB9128传感器端子图。

图4是本发明实施例提供的WB9128传感器连接及工作原理图。

图5是本发明实施例提供的PLC框架图。

图6是本发明实施例提供的PLC的基本工作原理图。

图7是本发明实施例提供的EM231模块外形及连接图。

图8是本发明实施例提供的SM331模拟输入模块内部电路及与传感器的连接图。

图9是本发明实施例提供的采集车床主轴伺服电机的A相有功功率程序。

图10是本发明实施例提供的采集车床主轴伺服电机的B相有功功率程序。

图11是本发明实施例提供的采集车床主轴伺服电机的C相有功功率程序。

图12是本发明实施例提供的采集车床主轴伺服电机的A相功率因数程序。

图13是本发明实施例提供的采集车床主轴伺服电机的B相功率因数程序。

图14是本发明实施例提供的采集车床主轴伺服电机的C相功率因数程序。

图15是本发明实施例提供的采集车床主轴伺服电机的总功率因数程序。

图16是本发明实施例提供的采集车床主轴伺服电机的总有功功率程序。

图17是本发明实施例提供的采集车拉数控机床A相有功功率、B相有功功率程序。

图18是本发明实施例提供的采集车拉数控机床C相有功功率、A相功率因数程序。

图19是本发明实施例提供的采集车拉数控机床B相功率因数、C相功率因数程序。

图20是本发明实施例提供的采集车拉数控机床总功率因数、总有功功率程序.

图21是本发明实施例提供的采集钻床A相有功功率、B相有功功率的程序。

图22是本发明实施例提供的采集钻床C相有功功率、A相功率因数的程序。

图23是本发明实施例提供的采集钻床B相功率因数、C功率因数的程序。

图24是本发明实施例提供的采集钻床总功率因数、总有功功率的程序。

图25是本发明实施例提供的保存车床的A相有功功率、B相有功功率的程序

图26是本发明实施例提供的保存车床的C相有功功率、A相功率因数的程序。

图27是本发明实施例提供的保存车床的B相功率因数、C相功率因数的程序。

图28是本发明实施例提供的保存车床的总功率因数、总有功功率的程序。

图29是本发明实施例提供的WINCC通信结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术中，没有利用采集器分别采集车拉数控机床电参数、钻床电参数和数控车床电参数，再编写PLC程序对模拟量数据进行采集及处理，造成数控机床控制效果差。

为解决上述问题，下面结合具体方案对本发明作详细描述。

本发明实施例提供的数控机床电参数采集方法包括：

利用多个功率采集器分别采集车拉数控机床电参数、钻床电参数和数控车床电参数。其中，采用互感器连接在各个机床的三相进线、各个轴的驱动器三相输出线上，采集各相电流、电压等。互感器与功率采集器连接，由功率采集器获取数据并处理为模拟量从OUT口输出信号。

再将上述4-20mA模拟信号传送到西门子模拟输入模块中，通过PLC程序对模拟量数据进行采集及处理。根据实际物理量与模拟量输入模块内部的数字量比例关系，编写PLC程序，实现比例关系的转换，获得实际的电流值、电压值、功率值等电参数。

再利用上位机组态软件和通过总线与PLC进行通讯，并保存上述电参数进行过程归档。

进一步，过程值归档的方法包括：

(1)过程值的连续周期性归档：

(3)非周期性的过程值归档：

过程值归档在归档系统中进行编译、处理，在运行系统数据库中保存；在运行系统中，以表格或趋势的形式输出当前过程值或已归档过程值或将所归档的过程值作为草案打印出来。

过程值归档中，通过自动化系统AS存储通过通信驱动程序传送到WINCC的过程值；通过数据管理器DM处理过程值，然后通过过程变量将其返回至归档系统；通过归档系统处理采集到的过程值，处理方法采用组态归本当方式；通过运行系统数据库DB保存要归本当的过程值。

本发明实施例提供一种数控机床电参数采集系统包括：

多个互感器，分别获取机床电流参数；

EM277通讯模块，实现S7-200与S7-300之间的PROFIBUS-DP通信。

在本发明实施例中，本发明分析对象是车拉床、钻床、车床。每个机床使用四个WB9128功率采集器采集该机床加工曲轴时的主轴电参数。依据WB9128功率采集器的工作原理，将数控机床的主轴驱动器的三根电源线穿心通过WB9128功率采集器的感应孔进行电参数采集，在WB9128传感器用户配置软件中设置相关参数选择合适的电信号和输出通道，将该通道分别与主站S7-300的模拟输入模块SM331、从站的模拟输入模块SM331和从站S7-200的模拟输入模块EM231，并通过编写PLC模拟量采集程序采集模拟量。再通过Profibus-DP总线完成从站的S7-200与主站的S7300的通讯，将从站S7-200采集的数据传送到S7-300中，再通过Profibus-DP总线进行WINCC组态软件与S7PLC之间的通信，在WINCC的变量管理器中添加“SIMATIC S7 Profibus Suite.chn”驱动程序，创建外部变量，将S7-300中采集的数据报讯在外部变量里，再通过过程值归档进行监控。如图1所示。

下面结合具体硬件对本发明作进一步描述。

在本发明实施例中，本发明提供的数控机床电参数采集装置硬件总连接如图2所示。

车拉床、钻床、车床每个机床使用了四个WB9128传感器，且编号为1、2、3、4，分别采集该机床加工过程时主轴的A相有功功率、B相有功功率、C相有功功率、A相功率因数、B相功率因数、C相功率因数、总功率因数、总有功功率。再将每个传感器的模拟量输出口OUT1、OUT2与相对用的PLC模拟量输入模块相连。

1、WB9128传感器：

1)WB9128传感器拥有专业的微控制器、特殊制作的隔离器、高速数据同步采集及数据快速处理技术，具有隔离采集三相三线，并将其变换为RS485总线输出；具有抗干扰能力强、精度高，内部有信号隔离电路，当对采集的信号进行转换及处理时，该传感器会屏蔽外部信号，防止被干扰，从而使得信号精度高。

2)WB9128传感器端子如图3所示。

1、3、5端子分别为供电交流电压Uc、Ub、Ua的输入接口，Ia、Ib、Ic为测量交流电流(穿心输入)；+E为辅助电源直流24V输入正端，GND为辅助电源接地端；RS485A、RS485B是总线数字输出口，OUT1、OUT2为两路模拟量输出口(并与辅助电源共地端)。

3)WB9128传感器用户配置

初始化端口：

根据传感器与计算机的实际连接，选择端口号COM1，连接好产品，点击按钮“打开串口”，自动查询传感器的波特率为9600bps、无校验码和停止位为2位。

参数配置：

通道1配置对应OUT1模拟量输出；通道2配置对应OUT2模拟量输出。本发明共对三个加工数控机床的功率进行采集，每个机床使用了四个传感器，分别采集A相有功功率、B相有功功率、C相有功功率、A相功率因数、B相功率因数、C相功率因数、总功率因数、总有功功率。在WB9128传感器通讯协议中，规定了每个输出参数都有相对应的寄存器地址，根据用户需要有选择地输出参数和《通讯协议》。

参数配置如表1所示：

表1参数配置

4)WB9128传感器连接及工作原理：采用三相四线接法如图4所示。

传感器的1、3、5端口分别接入380V三相电压的Ua、Ub、Uc，作为传感器的电源，Ia、Ib、Ic为曲轴加工数控机床伺服放大器的的输入电流，传感器将感应的电信号转换为标准电压0-5V，从OUT1、OUT2模拟量口传送到PLC模拟量输入模块。

2 PLC选型及连接

可编程控制器(PLC)是以按时间顺序或逻辑顺序进行工作为基础的控制器，它综合了微型计算机技术、电力电子技术、自动控制理论、数字技术以及通信技术，是目前比较先进的工业自动化控制设备。

1)PLC以中央处理器(CPU)作为核心处理各种数据、通讯，并配有输入/输出(I/O)模块，被誉为工业自动化控制中特殊用途的微型计算机，由此可见PLC可分为硬件和软件两大部分。

硬件组成：

可编程控制器发展迅速，为了适用于工业制造各个领域，其种类非常多，但其基本结构和功能都一样，主要由中央处理器(CPU)、电源部分、存储器、I/O接口模块、编程器、扩展接口IM、通信接口、扩展接口等组成。PLC基本结构框图如图5所示。

中央处理单元(CPU)：

CPU是PLC的数据运算、逻辑控制中心，用来实现对数据的计算及处理和逻辑控制，并对全机进行控制。

2)存储器：

PLC配有系统程序存储器和用户存储器。前者用于存放系统管理程序，用户不能直接存取和修改；后者一般分为用户程序存储区和数据存储区。

输入/输出接口：

输入/输出接口是用来连接I/O设备，是PLC与外部设备数据交换和通讯的通道。

软件组成：

可编程序控制器的软件部分由系统程序和用户程序组成。系统程序存储在系统存储器中，不能修改，是用来控制PLC工作；用户程序是编程者自己编写的程序，按照自己的发明来完成某项功能和控制设备运行。

PLC的基本工作原理如图6所示。

PLC处于运行状态时，通过输入信号和用户程序来实现控制功能。因为，有时候可能PLC在执行用户程序，没能及时响应外部输入信号，所以，PLC需要循环扫描，每扫描一次，都要读取外部输入接口，更新输入状态寄存器，一直到PLC处于停止状态。

PLC每次上电以后，都有一个初始化的过程。该过程对各输入/输出点、存储器和CPU等进行复位。整个扫描过程分为自诊断、读入外设命令、输入现场信息、执行程序和输出控制信号五步。上述过程被反复地执行。每执行一遍所需的时间称为扫描周期。PLC的扫描周期很短，以毫秒为单位。

3、S7-200选型及连接：

基于发明要求及各方面综合比较，本方案采用S7-200 PLC采集车床主轴功率。西门子S7-200PLC在实际工作模式下具有数据处理速度快、良好的通讯功能和较高的控制能力的特点。结构紧凑小巧、简单、性价比高，适合本发明高质量、价廉的要求，能全部实现本发明的功能。

(1)CPU模块

S7-200系列的CPU共有5中型号，每个型号的CPU主要特点如表2所示：

表2 S7-200CPU主要特点

本发明应用S7-200的目的只是简单的采集模拟量，没有其他PLC控制要求，所以综合其性价比，本发明采用CPU 224 XP型号的S7-200。

CPU224XP：

它本体含有13KB的字节程序和数据存储空间。它最多能连接7个扩展模块，并且最大可扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，功能相当强大。CPU224XP有两个模拟量输入通道，一个模拟量输出通道，其地址分别为AIW0、AIW2、AQW0。

模拟量输入模块：

因为，CPU只能处理数字量，本发明是采集数控机床的功率，需要采集及处理模拟量，所以需要模拟量输入模块将输入的模拟量转换为CPU能处理的数字量。本发明采用的是EM231模拟量输入模块。它有4个模拟量采集通道，其中有两个通道用于连接温度传感器，另外两个通道用于采集电压/电流信号。

1)性能规格

EM231的主要性能参数如表3所示：

表3 EM231主要性能参数表

2)EM231模块外形及连接

本采集曲轴加工车床功率采用了两个模拟量输入模块EM231、四个WB9128传感器，每个EM231模块有四个输入点，两个一共有8个输入点，每个WB9128传感器有两个模拟量输出口，四个一共有8个输入口。两个EM231模块与四个WB9128传感器的连接图如图7所示：

图7所表示的是采集车床的A相有功功率、B相有功功率、C相有功功率、A相功率因数、B相功率因数、C相功率因数、总功率因数、总有功功率。根据传感器的用户配置参数表，每个传感器的每个通道将采集的电参数转换成0-5V的电信号以相应的输出参数传送到S7-200 EM231模拟输入模块相对应的通道。

3)PID开关设置如下表4所示：

表4 PID开关设置

本方案采用单极性：0-5V，将PID开关SW1、SW2调到ON，SW3开关调到OFF。

(3)通讯模块

S7-200PLC与S7-300PLC之间的主要通信方式如表5所示：

表5 S7-200PLC与S7-300PLC之间的主要通信方式

综合所有的通信方式的比较，由于PROFIBUS-DP通信可靠、速度快，所以本发明选择PROFIBUS-DP通信方式，使用EM277通讯模块。

4、S7-300选型及连接：

S7-300 PLC虽然结构简单，模块偏小，但功能较强，能应用于大多数工业制造控制领域。但品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务的要求。

CPU模块：

根据发明内容及要求，本发明采用CPU315-2PN/DP。带MPI接口，用来S7300与STEP7通讯，集成24VDC电源，256KB工作内存，接口2DP-主站/从站。CPU运行需要SIMATIC微存储卡(MMC)，本发明选择了64KB的存储卡，用来存储STEP7的硬件组态、用户程序和数据块。CPU模块参数如表6所示：

表6 CPU模块参数

模拟量输入模块：

本发明只需要使用模拟量输入模块进行模拟量采集，不需要采用模拟量输出模块输出模拟量去控制I/O设备。所以本方案选择SM331模拟输入模块，8AI，12位分辨率。

SM331模拟输入模块的基本结构级功能：

该模块主要由4个量程卡、多路转换器、A/D转换器(ADC)、隔离电路、内部电源组成。该模块的作用是将输入的模拟量信号转换为CPU能处理的数字量。它的输入信号一般是传感器输出的标准量程的直流电压、直流电流信号。该模块的8个通道可以通过STEP7硬件组态设置每个通道的测量型号和测量范围。

如图8所示，SM331与传感器的连接：

本发明采用两个s7-300模拟量输入模块SM331，主站SM331采集车拉数控机床的功率，从站SM331采集钻床数控机床的功率。主从站SM331与传感器的连接一样，因此，以主站为例，SM331有8个模拟量输入点，利用四个WB9128传感器分别采集A相有功功率、B相有功功率、C相有功功率、A相功率因数、B相功率因数、C相功率因数、总功率因数、总有功功率，并将其传感器模拟量输出口与SM331的模拟量输入点相连。见第三章3.2.3WB9128传感器用户配置，根据传感器的用户配置参数表，每个传感器的每个通道将采集的电参数转换成0-5V的电信号以相应的输出参数传送到S7-300 SM331模拟输入模块相对应的通道。

SM331模拟输入模块内部电路及与传感器的连接如图8所示：

接口模块包括：

IM153-1标准型：

IM 153-1是一款性价比非常高的版本，比较适合于工业制造环境的大多数应用控制，能实现绝大多数功能。它最多达可以连接8个S7-300 I/O模块。

IM153-2高性能型：

IM153-2拥有F技术和时钟同步采集相关的最高性能，能满足自动化工业制造的较高要求。该接口模块还能与PCS7系统组合用于自动化工业制造应用领域。

IM153-2高性能型：

IM 153-2综合了IM153-1和IM153-2的所有优点。此接口模块特具有抗EMC静电放电功能，因为，它拥有光纤型，光纤电缆可以通过POF或PCF连接。

基于PLC的数控机床电参数采集，需要采集车拉数控机床功率、钻床功率和车床功率。采集车拉数控机床功率、钻床功率使用的是S7-300，需要两个WB9128传感器和模拟量输入模块SM331。因此，本发明采用IM153-1接口模块扩展一个S7-300模拟量输入模块，IM153-1和必需的I/O模块安装在S7-300的导轨上。

下面结合硬件组态对本发明作进一步描述。

1硬件组态的任务

对于S7-300来说，需要在SETP7中对硬件进行组态，组态的硬件要与实际的硬件结构一样，并且需要根据发明的要求设置相关参数，然后将组态信息下载到S7-300中，完成对实际的硬件进行参数设定。硬件组态确定了PLC输入/输出变量的地址，为发明用户程序打下了基础。

硬件组态包括下列内容：

1)硬件结构组态：在STEP7编程软件的硬件选择中添加机架，在机架插槽上添加实际硬件中的所有的模块。如果还有其他从站，可以从配置文件中选用PROFIBUS-DP或PROFINET总线连接多个接口模块作为从站。

2)设置CPU和其他模块的参数。如果没有特殊要求。可以使用默认的参数。

组态的参数下载后，CPU之外的其他模块的参数一般保存在CPU中。当启动PLC时，CPU会通过与各个模块之间的连接通道向其传送设置的参数。对于已经安装好硬件的系统，可以通过通信从CPU载入实际的组态和参数。

2硬件组态过程

选中SIMATIC管理器左边的站对象，双击窗口的“硬件”图标，打开硬件组态工具HWCongfig。

(1)硬件目录

在硬件目录中有PLC的所有模块，通信处理器(CP)，功能模块(FM，接口模块(IM)，电源模块(PS)，机架或导轨(RACK)，信号模块(SM)，其中的DI、DO分别是数字量输入模块和数字量输出模块，AI、AO分别是模拟量输入模块和模拟量输出模块。

(2)模拟量输入模块参数设定

双击HW Config的机架中的8通道12位AI模块，打开其属性对话框。模块的参数主要在“输入”选项卡中设置。

每两个通道为一组，可以分别设置每一通道组的量程。单击某通道组的“测量型号”输入框，在弹出的菜单中选择测量的类型。本发明使用了8个通道，根据WB9128传感器用户参数配置的输出规格全为0-5V的电压，所以，硬件组态中SM331的0-8通道，测量型号为电压E，测量范围：0-5V。

STEP7与PLC通信组态：

S7-300都可以通过集成的MPI接口与STEP7通信。对于有PROFIBUS-DP接口的CPU，可以通过DP接口与STEP7通信。用于MPI和DP通信接口的适配器和通信处理器可以使用MPI或DP协议。为了实现CPU与STEP7的通信，需要通过组态来设置有关的通信参数，本发明采用MPI通信。

MPI协议通信的组态：

用STEP7的新建项目向导生成一个项目，CPU为CPU315-2PN/DP。打开HW Congfig，双击CPU315-2PN/DP中的“MPI/DP”行，打开“属性-MPI/DP”对话框，设置接口的类型为MPI。单击“属性”按钮，在打开的接口属性对话框中，可以设置接口在MPI网络中的地址，默认的地址为2。MPI接口有编程器、操作面板通信功能，不能选中子网列表的“MPI(1)”，及组态时不用将CPU连接到MPI网络上，也能与编程计算机通信。

在SIMATIC管理器中执行菜单命令“选项”中的“设置PG/PC接口”，打开“设置PG/PC接口”对话框如图。单击选中“为使用的接口参数”列表中的“PC Adapt-er(MPI)”。

单击“属性”按钮，打开“属性-PC Adapt-er(MPI)”对话框。可以使用“MPI”选项卡默认的参数，运行STEP7的计算机在MPI网络中默认的站地址为0。MPI网络中各个站的地址不能相同。

“超时”选择框用来设置与PLC建立连接的最长时间。MPI网络的传输速率应与原来下载到CPU中的一致。

3 S7-200与S7-300通讯

EM277是S7-200的PROFIBUS-DP从站模块，通过I/O总线与S7-200CPU相连，它是S7-200 CPU连接到PROFIBUS-DP网络的中区枢纽，PROFIBUS网络通过与S7-300的DP通信端口连接，完成S7-200与S7-300之间的通讯，通讯完成后，S7-200与S7-300之间就可以互相传送数据，传输速率在9600和12M波特率之间。

(1)生成PROFIBUS子网络

打开机架中MPI/DP，在“工作模式”中选择“DP主站”，并设置主站地址为1。在“常规”中打开属性，新建子网PROFIBUS，采用系统默认的传输速率1.5Mbit/s。

(2)组态EM277从站

安装GSD文件后，将设备列表的文件夹“\PROFIBUS DP\Additional FieldDevice\PLC\SIMATIC”中的“EM277 PROFIBUS-DP”拖放到DP网络上。打开设备列表中的“\EM277 PROFIBUS-DP”子文件夹，将其中的“16 Word Out/16 Word In”拖放到下面窗口的表格中的1号槽。EM277从站的地址由STEP7系统设定，地址为IW2-IW32和QW6-QW36。

打开DP从站属性，设置EM277的站地址为2。在实际硬件上，该站的地址由EM277上的拨码开关设置，并且应与STEP7中设置的站地址相同。

在DP从站属性的“分配参数”选项卡中，设置“设备专用参数”中的“I/O Offset inthe V-memory”(V存储区中的I/O偏移量)为0，即S7-200与S7-300之间的数据交换过程：VW256-VW318→IW2-IW32和QW6-QW36。运行时S7-300通过IW2-IW32周期性地读取S7-200的VW288-VW318中的数据。组态结束后，将组态信息下载到S7-300的CPU模块。

4 PLC程序发明

4.1 S7200模拟量采集程序

(1)采集车床电参数

由于CPU 224XP的本体上有两个模拟量输入通道，而且每个模拟量占用两个字节

所以，其地址分别为AIW0和AIW2。因此，扩展的模拟量输入模块(EM231)起始地址为AIW4。因此，WB9128传感器采集的电信号经过转换为标准的0-5V电信号，再通过模拟量输入模块中的A/D转换成0-32000的数字量传送给AIW4状态寄存器。

PLC上电后，SM0.0始终为1，PLC周期性循环扫描用户程序，扫描周期约10ms，每一个扫描周期都要进行I/O信息处理，以扫描的方式外部输入信息存入AIW4输入映像区，再通过I_DI转换指令分别将AIW4-AIW418中的16位整数转换成32位双整数并保存在MD110中，然后再通过DI_R转换指令将MD110中的32位双整数转换成32位实数并保存在MD114中，目的是为了更方便、更精确的处理模拟量。因为MD114中为数值为0-32000的浮点数，通过DIV_R除法指令和MUL_R乘法指令将MD114中的0-32000的数值转换为实际测量的电压值0-1000W,再通过传送指令“MOV_R”，将输入映像区MD114中的数据传送到变量存储器VD288-VD316中。由于，S7200与S7300通过PROFIBUS-DP总线通讯，S7-300通过IW2-IW32周期性地读取S7-200的VW288-VW318中的数据。因此，采集车床的电参数所对应的地址如表7所示：

表7 车床的电参数的地址

采集参数	S7-200输入地址	S7-200输出地址	S7-300输入地址
				A相有功功率	AIW4	VD288	ID2
B相有功功率	AIW6	VD292	ID6
				C相有功功率	AIW8	VD296	ID10
A相功率因数	AIW10	VD300	ID14
				B相功率因数	AIW12	VD304	ID18
C相功率因数	AIW14	VD308	ID22
				总功率因数	AIW16	VD312	ID26
总有功功率	AIW18	VD316	ID30

1)采集车床主轴伺服电机的A相有功功率程序如图9所示。

2)采集车床主轴伺服电机的B相有功功率程序如图10所示。

3)采集车床主轴伺服电机的C相有功功率程序如图11所示。

4)采集车床主轴伺服电机的A相功率因数程序如图12所示。

5)采集车床主轴伺服电机的B相功率因数程序如13所示。

6)采集车床主轴伺服电机的C相功率因数程序如14所示。

7)采集车床主轴伺服电机的总功率因数程序如图15所示。

8)采集车床主轴伺服电机的总有功功率程序如图16所示。

4.2 S7300模拟量采集程序

(1)采集车拉数控机床电参数

1)采集车拉数控机床A相有功功率、B相有功功率程序如图17所示。

2)采集车拉数控机床C相有功功率、A相功率因数程序如18所示。

3)采集车拉数控机床B相功率因数、C相功率因数程序如图19所示。

4)采集车拉数控机床总功率因数、总有功功率程序如图20所示。

采集钻床电参数

由于西门子PLC内部的CPU只能处理数字信号，当PLC采集的信号是模拟信号，则需要通过模拟量输入模块进行A/D转换，在A/D转换的过程中，转换前后的数值有一定的线性关系，这个关系就是模拟量和数值量的换算理论基础。例如，PLC要采集一个0-5V的模拟量电信号，则需要将该电信号通过模拟量输入模块进行A/D转换处理，在8*12AI的模拟量输入模块内部，0-5V模拟量电信号经过A/D转换后，对应于数值范围为0-32000；而对于2-5V的模拟量电信号，则对应的内部数值为12800-32000。由此可以得出，两者之间必然存在一定的比例线性关系。但是模拟量转换的最终目的是得到具体的物理量数值，或者得出对应的物理量占总量程的百分比数值，这样处理得到的数值，不仅能直观的表示出物理值，而且在后续的数据处理中更为方便、快捷，而并不是得到一个0-32000这么大的整型数值。A/D转换可以通过下面的换算公式来进行计算：

OUT＝[HI_LIM-LO_LIM]*(IN-LO_LIM)/(Ish-Isl)]+LO_LIM。

注释：

OUT：换算结果值

IN：换算对象值

HI_LIM：换算结果的上限值

LO_LIM：换算结果的底限值

Ish：换算对象的高限值

Isl：换算对象的底限值

S7-300模拟量输入模块SM331的字节地址由模块所在的机架号和槽号决定，此模拟量输入模块有8个模拟量输入通道，一个通道占用两个字节的地址。由于，S7-300为模拟量模块保留了专用的地址区域，字节地址范围为256-767。所以主站SM331的起始地址为PIW256。

FC105指令接口说明如下：

IN：模拟量输入值

HI_LIM：换算结果的上限值

LO_LIM：换算结果的下限值

BIPOLAR：极性(M0.0位单极性，M0.1为双极性)

RET_VAL：报错存入

OUT：输出值

根据上面的A/D转换换算公式，通过FC105指令分别将PIW256-PIW270中的数字量转换为WB9128实际采集的电参数，并保存在数据块DB1.DBD0-DB1.DBD28中。因为其他的采集车拉数控机床电参数的传感器与主站的SM331连接方法一样，因此采集车拉数控机床的电参数如表8所示：

表8 车拉数控机床电参数的地址

采集参数	输入地址	保存地址
			A相有功功率	PIW256	DB.DBD0
B相有功功率	PIW258	DB.DBD4
			C相有功功率	PIW260	DB.DBD8
A相功率因数	PIW262	DB.DBD12
			B相功率因数	PIW264	DB.DBD16
C相功率因数	PIW266	DB.DBD20
			总功率因数	PIW268	DB.DBD24
总有功功率	PIW270	DB.DBD28

在循环中断OB35组织块中编写模拟量输入值的规划指令F105，采集钻床功率程序如下所示：

1)采集钻床A相有功功率、B相有功功率的程序如图21所示。

2)采集钻床C相有功功率、A相功率因数的程序如图22所示。

3)采集钻床B相功率因数、C功率因数的程序如图23所示。

4)采集钻床总功率因数、总有功功率的程序如图24所示。

采集钻床电参数为S7-300从站，通过分布式I/O接口模块IM153-1扩展机架作为从站，模拟量输入模块采用AI8*12 SM331，因为这是第二个机架，根据S7-300模拟量模块地址分配规则，从站SM331的字节地址范围为272-288。所以从站SM331的起始地址为PIW272。因此，采集曲轴加工钻床的电参数所对应的地址如表9所示：

表9 钻床电参数的地址

采集参数	输入地址	保存地址
			A相有功功率	PIW272	DB.DBD32
B相有功功率	PIW274	DB.DBD36
			C相有功功率	PIW276	DB.DBD40
A相功率因数	PIW278	DB.DBD44
			B相功率因数	PIW280	DB.DBD48
C相功率因数	PIW282	DB.DBD52
			总功率因数	PIW284	DB.DBD56
总有功功率	PIW286	DB.DBD60

(3)保存车床功电参数

1)保存车床的A相有功功率、B相有功功率的程序如25所示：

2)保存车床的C相有功功率、A相功率因数的程序如图26所示：

3)保存车床的B相功率因数、C相功率因数的程序如27所示。

4)保存车床的总功率因数、总有功功率的程序如图28所示。

MOVE传送指令分别将ID2-ID26中的数值传送到DB1.DBD68-DB1.DBD92数据块中。因此，保存车床的电参数所对应的地址如表10所示：

表10 车床的电参数在S7-300中的地址

采集参数	S7-300输入地址	保存地址
			A相有功功率	ID2	DB.DBD64
B相有功功率	ID6	DB.DBD68
			C相有功功率	ID10	DB.DBD72
A相功率因数	ID14	DB.DBD76
			B相功率因数	ID18	DB.DBD80
C相功率因数	ID22	DB.DBD84
			总功率因数	ID26	DB.DBD88
总有功功率	ID30	DB.DBD92

S7-300中的车床电参数的保存程序、车拉数控机床电参数的采集程序和钻床电参数的采集程序是在循环中断OB35组织块中编写的，循环中断OB35的循环时间为100ms，S7-300每隔100ms就会执行一次OB35中的程序，也就是说，模拟量的采集周期约为100ms。

下面结合WINCC与PLC S7300的通信对本发明作进一步描述。

利用组态软件提供的功能可以实现对工业自动化系统的监视、控制和管理，它能从工业现场环境中采集各种数据信息，并将这些数据信息以图形和动画等直观方式进行显示，并且能将重要的数据信息通过有关的技术和方法传递给工程技术人员或系统管理人员，工程技术人员或系统管理人员对现场釆集来的数据信息进行必要的分析、处理、加工及存储，同时发出各种控制指令，实现人机互动协调工作。

WINCC是全集成自动化的重要组成部分，它集生产自动化和过程自动化于一体，通过集成自动化，它能直接访问SIMATIC控制器的外部变量和报警组态系统，具有集成的诊断功能。

WINCC与自动化系统之间的通信，不仅需要软件的支持，还需要以硬件上的连接为基础。软件支持指的是需要在WINCC变量管理器中添加与自动化相对应的通信驱动程序，硬件基础是需要在PC机上安装通信卡。WINCC通信结构如图29所示：

1安装CP5611通信卡

在PC机的扩展槽内插入CP5611通信卡，并在“设置PG/PC接口”中选择“CP5611(PROFIBUS)”。

2创建驱动连接

创建S7-300PLC的驱动连接：

1)在变量管中，选择添加新的驱动程序，从列表中选择需要添加的驱动程序(SIMATIC S7 Profibus Suite.chn)。

2)选择与PLC连接的通道单元(PROFIBUS)，并选择WINCC服务器与PLC连接的网卡名称CP5611。

3)新建驱动程序的连接。

4)设置连接参数，配置需要连接的S7-300PLC的CPU的机架号为0、插槽号为2。选择“发送/接收原始数据”。

3创建过程变量

在创建过程变量之前，必须安装通信驱动程序，并创建于PLC的连接。可在变量组中创建过程变量，或在过程变量创建完毕后将其移动到变量组中。

1)在WINCC变量管理器中。打开通信驱动程序(SIMATIC S7 ProfibusSuite.chn)，选择所需要的通道单元(PROFIBUS)及相应的连接。并选择变量的数据类型。如表11所示：

表11 外部变量

名称	数据类型	长度	地址
				车拉床A相有功功率	无符号的32位值	4	DB1.DB0
车拉床B相有功功率	无符号的32位值	4	DB1.DB4
				车拉床C相有功功率	无符号的32位值	4	DB1.DB8
车拉床A相功率因数	无符号的32位值	4	DB1.DB12
				车拉床B相功率因数	无符号的32位值	4	DB1.DB16
车拉床C相功率因数	无符号的32位值	4	DB1.DB20

续表4.1

名称	数据类型	长度	地址
				车拉床总功率因数	无符号的32位值	4	DB1.DB24
车拉床总有功功率	无符号的32位值	4	DB1.DB28
				钻床A相有功功率	无符号的32位值	4	DB1.DB32
钻床B相有功功率	无符号的32位值	4	DB1.DB36
				钻床C相有功功率	无符号的32位值	4	DB1.DB40
钻床A相功率因数	无符号的32位值	4	DB1.DB44
				钻床B相功率因数	无符号的32位值	4	DB1.DB48
钻床C相功率因数	无符号的32位值	4	DB1.DB52
				钻床总功率因数	无符号的32位值	4	DB1.DB56
钻床总有功功率	无符号的32位值	4	DB1.DB60
				车床A相有功功率	无符号的32位值	4	DB1.DB64
车床B相有功功率	无符号的32位值	4	DB1.DB68
				车床C相有功功率	无符号的32位值	4	DB1.DB72
车床A相功率因数	无符号的32位值	4	DB1.DB76
				车床B相功率因数	无符号的32位值	4	DB1.DB80
车床C相功率因数	无符号的32位值	4	DB1.DB84
				车床总功率因数	无符号的32位值	4	DB1.DB88
车床总有功功率	无符号的32位值	4	DB1.DB92

4过程值归档

过程值归档的目的是采集、处理和归档工业现场的过程数据。归档系统负责运行状态下的过程值归档。归档系统首先将过程值在存于运行数据库中，然后写到归档数据库中。

如果需要在WINCC中实现过程值归档，用户需要在WinCC中做如下工作：

1)在变量记录中组态过程值归档。其中最重要的一项是将需要归档的过程变量(在变量管理器中已经建立的过程变量)添加到变量记录中。

2)在图形编辑器中插入趋势控件或趋势表格控件，并组态控件。其中最重要的一项是将需要在趋势中显示的过程变量从归档过程变量(在变量记录中建立的归档过程变量)中选择出来并添加到控件中。

3)在项目的计算机属性的启动列表中选择“变量记录运行系统”选项。

4.1过程值归档原理

需要归档过程值在归档系统中进行编译、处理，在运行系统数据库中保存。在运行系统中，可以以表格或趋势的形式输出当前过程值或已归档过程值。此外，也可以将所归档的过程值作为草案打印出来。

过程值归档涉及下列WINCC子系统：

1)自动化系统(AS)：存储通过通信驱动程序传送到WINCC的过程值。

2)数据管理器(DM)：处理过程值，然后通过过程变量将其返回至归档系统。

3)归档系统:处理采集到的过程值(例如，产生平均值)。处理方法取决于组态归本当的方式。

4)运行系统数据库(DB)：保存要归本当的过程值。

在自动化系统中二过程值被写入二进制文件并以报文形式发送到WINCC，存储在WINCC的原始数据变量中。

如果希望对釆集的原始数据变量的过程变量进行归档，则需要在过程变量值归档值中组态一个过程控制变量。为使归档系统能够处理过程控制变量中的报文选择格式DLL。这样，将为用户正在使用的自动化系统提供格式DLL，并由后者拆分报文。然后将过程值写入至归档数据库。

4.2过程值归档方法

(1)过程值的连续周期性归档

对连续的过程值归档(例如，监控一个过程值)。运行系统启动时,过程值的连续周期性归档也随之开始。过程值以恒定的时间周期采集并存储在归档数据库中。运行系统终止时,过程值的连续周期性归档也随之结束。

(2)周期的选择性过程值归档

对受事件控制的连续的过程值归档(例如，用于在特定时段内对某过程值进行监视)。

一旦发生启动事件,便在运行系统中开始周期的选择性过程值归档。过程值以恒定的时间周期采集并存储在归档数据库中。

周期性过程值归档会在发生以下情况时结束:

1)发生停止事件时。

2)终止运行系统时。

3)启动事件不再存在时

起始事件或停止事件由该值或已组态变量或脚本的返回值决定。可在“动作”区域过程值变量的属性中的变量记录内组态变量或脚本。

(3)非周期性的过程值归档

对事件控制的过程值归档。例如：当超出临界限制值时,对当前过程值进行归档。运行期间，非周期性过程值归档仅将当前过程值保存在归档数据库中。在以下情况下归档:

1)每次改变过程值时。

2)触发变量指定值为“1”，然后再次采用值“0"时。先决条件是已针对非周期性过程值归档组态了与变量相关的事件。

3)脚本收到返回值“TRUE”,然后再次釆用返回值“FMSE”时。先决条件是已针对

非周期性过程值归档创建了与脚本相关的事件。

(4)在改变期间将过程值归档

过程值仅在被改变后才可进行非周期性归档。

(5)在过程控制中过程值归档、

对多个过程变量或快速变化的过程值进行归档。过程值被写入由归档系统解码的报文变量。以这种方式采集的过程值然后存储在归档数据库中。

4.3组态过程值归档

本发明使用的是WINCC V7.2版本的组态软件，采用Microsoft SQL Server 2008进行周期的选择性数据归档，在变量记录中创建和管理过程值归档，归档变量为外部变量车拉床功率、钻床功率、车床功率，地址分别为DB1.DBD0、DB1.DBD4、DB1.DBD4，归档时间为500ms。

5组态定时器

单击“变量记录”中的“定时器”。系统提供了5个定时器：500毫秒、1秒、1分钟、1小时、1天。本发明采用的是500ms的定时器进行数据归档。

6创建过程值归档

在“变量记录”编辑器中，使用归档向导来创建归档.

1.7归档过程值的输出及保存

在图形编辑器的“对象调色板”上，选择“控件”选项卡上的WinCC Online TableControl，打开该表格，新建24个数值列，并对每个数值列链接24个外部变量(采集的24个电参数)：运行WINCC系统，即可监控采集的24个电参数值，并且WINCC以压缩的方式将过程归档数据存储到数据库中，归档周期为500ms，归档数据库路径在ArchiveManager文件夹下的TagLogging Fast文件中。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

CKM200曲轴内铣机床有两个刀盘，双刀盘同步切入、同步切出，刀盘两次切入完成4缸曲轴连杆颈内铣。同相位的连杆颈一同加工，先铣削P2、P4，刀盘移位，再同时切入P1、P3位置进行第二次铣削。

在本发明中，数控机床能耗建模包括：

根据机床总功率的分解，可对两种工艺在单位加工周期T内的能耗建立数学模型。机床总能耗E_total与待机能耗E_basic、空程能耗E_ready、切削能耗E_outting的关系可以表示为：

E_total＝E_basie+E_ready+E_outting (1)

若在一个周期T内，机床待机状态下时间为t_b，机床空程状态下时间为t_r，机床切削加工的时间为t_c，则可以将式(1)进一步分解为如下式子：

T＝t_b+t_r+t_c (2)

E_basic＝∫P_bdt＝P_b(t_b+t_r+t_c) (3)

E_ready＝∫P_rdt＝P_r(t_r+t_c) (4)

E_outting＝∫P_cdt＝P_ct_c (5)

E_total＝P_b(t_b+t_r+t_c)+P_r(t_r+t_c)+P_ct_c (6)

机床处于空程状态t_r时段，存在功率尖峰，因此将t_r进一步细分成两种状态，主轴启动状态、主轴及进给轴稳定运行状态。

t_r＝t_bo+t_st (7)

该两种状态下的能耗分别为空程启动能耗E_boot、空程稳定能耗E_steady，其与空程能耗E_ready的关系可以表示为：

E_ready＝E_boot+E_steady

＝∫P_rbdt+∫P_rsdt

＝P_rbt_bo+P_rst_st (8)

式(8)中，P_rb为空程启动功率，时长t_bo；P_rs为空程稳定功率，时长t_st。

在本发明中工艺能效分析与优化包括：

能耗占比分析与优化

(3)车拉待机能耗占机床总能耗比例过半，达52％。可以考虑加快车拉机床的节拍，缩短待机时间t_b从而降低待机能耗。也可以考虑待机超过一定时间，即关断机床液压，待机床加工循环需要液压动作时，再自动启动液压电机。

在本发明中，工艺能效分析包括：

金属切削是一个材料逐步去除的过程，切削比能SEC(the specific energyconsumption)是指去除单位体积材料所消耗的能量。通过SEC可以反映出切削能耗与材料去除率之间的映射关系及机床能效能力^[5]。

根据机床总功率分解可以求出待机功率、空程功率、切削能耗。本实验中待加工的发动机曲轴为四缸曲轴，主轴颈和连杆颈各四个，加工尺寸见表1。

表1 四缸曲轴加工尺寸

(1)曲轴加工工艺周期去除量V

车拉机床共四个刀盘，曲轴四个主轴颈一次加工完成。根据表1计算四个主轴颈总去除量：

内铣机床共两个刀盘，曲轴四个连杆颈分两次加工完成。根据表1计算四个连杆颈总去除量：

(2)切削比能SEC

曲轴车拉工艺切削比能SEC₁：

曲轴内铣工艺切削比能SEC₂：

(3)切削比能横向对比分析

根据计算SEC结果，车拉工艺单位立方厘米去除量能耗为5917.89焦耳，内铣工艺单位立方厘米去除量的能耗为5327.16焦耳，表明内铣工艺较车拉工艺能效更高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种数控机床电参数采集方法，其特征在于，所述数控机床电参数采集方法包括：

2.如权利要求1所述的数控机床电参数采集方法，其特征在于，利用组态软件对工业自动化系统的监视、控制和管理，从工业现场环境中采集各种数据信息，并将这些数据信息以图形和动画直观方式进行显示，并且将数据信息传递给系统管理中心，系统管理中心对现场釆集来的数据信息进行分析、处理、加工及存储，同时发出各种控制指令，实现人机互动协调工作。

3.如权利要求1所述的数控机床电参数采集方法，其特征在于，过程值归档的方法包括：

(1)过程值的连续周期性归档：

(3)非周期性的过程值归档：

4.如权利要求3所述的数控机床电参数采集方法，其特征在于，过程值归档在归档系统中进行编译、处理，在运行系统数据库中保存；在运行系统中，以表格或趋势的形式输出当前过程值或已归档过程值或将所归档的过程值作为草案打印出来。

5.如权利要求3所述的数控机床电参数采集方法，其特征在于，过程值归档中，通过自动化系统AS存储通过通信驱动程序传送到WINCC的过程值；通过数据管理器DM处理过程值，然后通过过程变量将其返回至归档系统；通过归档系统处理采集到的过程值，处理方法采用组态归本当方式；通过运行系统数据库DB保存要归本当的过程值。

6.一种实施权利要求1所述的数控机床电参数采集方法的数控机床电参数采集系统，其特征在于，所述数控机床电参数采集系统包括：

多个互感器，分别获取机床电流参数；

第一模拟量输入模块，用于接收来自多个功率采集器采集的OUT输出口电参数模拟信号；

第二模拟量输入模块，用于接收来自多个功率采集器采集的OUT输出口电参数模拟信号；

第一PLC模块，作为从站，对模拟量数据进行采集及处理；

第二PLC模块，作为主站，对模拟量数据进行采集及处理；

通讯模块，实现PROFIBUS-DP通信；

上位机，通过上位机组态软件和PROFIBUS总线与PLC进行通讯，并保存上述电参数进行过程归档。

7.一种实施权利要求1所述数控机床电参数采集方法的车拉数控机床电参数程序。

8.一种实施权利要求1所述数控机床电参数采集方法的钻床电参数程序。

9.一种实施权利要求1所述数控机床电参数采集方法的和数控车床电参数程序。

10.一种搭载权利要求6所述数控机床电参数采集系统的数控机床生产线。