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在数控机床应用的制造业领域，节能及能源的高效利用正在成为十分重要的角色。在本文中所提及的高速卧式加工中心上使用了西门子数控系统提供的节能控制（Ctrl Energy）这一应用，可以对数控机床的能耗进行分析，同时根据节能控制方案相应的接口信号，可以在PLC中编写节能控制触发之后需要产生的逻辑动作，如：给轴控制模块或电源模块去使能、关闭外围部件甚至断电等，较终实现节能减耗的目的。

节能控制的硬件设计及组态

在节能控制中主要使用硬件模块SENTRON PAC4200来进行电压及电流数据的测量，同时选用扩展模块PAC PROFINET与数控系统NCU进行通信，PAC4200在高速卧式加工中心中的硬件连接如图1所示，其安装在机床电源的总进线处，主要用于测量和分析整个机床所消耗的能量。如果想要测量和分析某一个驱动或负载所消耗的能量，则需要在相应的驱动或负载处再次安装PAC4200。本台高速卧式加工中心上PAC4200及相应的电流互感器在电气柜中的实际安装示意如图2所示。

图1　节能控制电气原理

图2 PAC4200及电流互感器安装

（1）参数设置　在PAC4200**开机时进行如下参数的设置：设置显示语言——中文，设置PAC4200的接线方式——3P4W ， 设 置 参 考 电 压 ——600V ， 设 置 参 考 电 流 ——5∶500A，设置扩展模块的I P地址——192.168.214.21，设置 扩 展 模 块 的 子 关 掩 码 ——255.255.255.0，设置扩展模块的名字——pac4200-pn21。

（2）硬件组态　首先要在Step7软件中安装PAC PROFINET的组态文件GSDML，组态文件安装成功后如图3所示。

图3　安装PAC4200 GSD文件后的硬件目录

根据设计需要选用PAC4200，将PAC4200添加到840Dsl系统NCU上X150口的PROFINET总线上，如图4所示。

图4 PAC4200添加到PROFINET总线

将前面所述PAC4200设备里的设备IP和设备名称等输入到组态设置中（必须与PAC4200参数设置中的保持一致），如图5所示。

图5 PAC4200在Step7中的组态设置

接下来设置通过PAC4200需要采集的数据及地址分配，这里主要采集数据为总的激活功率（Total Active Power）、输入电能（Act Energy Imp Tar）和反馈电能（Act Energy Exp Tar），地址分配如图6所示。

图6 PAC4200测量数据选择及地址分配组态

节能控制的能量分析

节能控制的能量分析可以对机床各轴或整个机床的功率、电能等进行测量，并将数据以图形的方式显示出来供用户分析使用。在本台高速卧式加工中心上定义了M98作为启动测量的M代码，M99为测量结束M代码，从PAC4200中得到的各种功率、电能等数据通过PLC程序存储到DB1001数据块中，PLC控制程序块为FC501，其功能主要为通过M代码启动能量测量，将PAC4200采集的数据传递给NCU的接口信号中。主要程序如下：

当在加工程序中编写了M98代码后，测量便被激活，在HMI上可以看到相应的测量图形，如图7所示。用户可以根据测得的能量曲线进行相关的加工工艺参数调整，进而合理控制加工过程中的能耗。

图7　能量测量曲线

节能控制方案

使用西门子的节能控制可以根据需要来设定不同的节能方案，通过PLC控制在不同的节能方案下产生相应的节能措施。840Dsl系统默认有三种节能方案，分别是简单节能模式、完全节能模式和较大节能模式，如图8所示。

图8　节能方案配置画面

设定好节能方案后，可以通过更改按键进入到所对应的节能模式的激活条件设定界面，即画面中的哪些状态条件长时间未被触发时，则会进入相对应的节能模式，如图9所示。在本台高速卧式加工中心上利用了系统内部的相应接口信号来判断是否触发相应的节能模式。在PLC内相关的逻辑控制下，每一种节能模式的机床运行状态见表1。

图9　节能方案的状态条件

表1　各种节能模式下机床状态

结语

在高速卧式加工中心上应用西门子的节能控制后，可以便捷地监控能源的使用量，并以此为依据调整相应的加工工艺，减少能耗，提高加工效率，同时数控机床可以依据自身状态进入不同的节能模式，减少了机床在待机状态下的能量损耗。