西门子6ES7221-1BH22-0XA8产品信息
建筑是人类生活的基础设施和基本条件之一，随着生活水平的**和人类社会的发展，人们对建筑的需求越来越迫切，建筑工程的规模和数量在不断增长。在我国的建筑行业中，钢筋混凝土结构结构的建筑还占有相当大的比重。在钢筋混凝土结构的建筑中，钢筋是整个建筑的骨架，它由主钢筋和箍筋等构成。箍筋的形状和尺寸跟主钢筋的设计有关系，并且它的用量要比主箍筋的用量多许多倍。但在现实的箍筋生产中，箍筋的生产有两部分组成：一种是校直装置，另一种是弯箍成型的装置。当前的简易弯箍设备远远不能满足大批量、多品种的加工模式，工人的劳动强度大，生产效率低，人工成本很高。
二 S7-300简介及硬件/网络组态
SIMATICS7-300是德国西门子(Siemens)公司生产的模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。S7-300系统通过各种单独的模块之间的组合可进行构成不同要求的系统；S7-300的指令系统具备高速（0.6~0.1μs）的运算速度；S7-300支持用浮点数和反三角函数运算，能够有效地进行更为复杂的算术运算；S7-300通过统一的Step7软件方便、简单的给所有模块进行组态和参数赋值；S7-300具备多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300具备强大的通信功能，它多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统，多点接口（MPI）集成在CPU中，用于连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。
弯箍的过程中涉及到了大量的计算，我们需要一种能支持强大运算功能的PLC，西门子的S7-300正好符合我们的要求。西门子的Step7 ProfessionalV5.4 SP3编程软件支持LAD，STL和FBD三种编程语言，并且支持三种编程语言的混编，大大的**了编程的效率。
针对箍筋生产的现实情况，考虑到使用环境为高粉尘、高电磁干扰，已超出了工控机的承受范围，我们选择了一种用先进的、成熟的S7-300PLC主要核心、以触摸屏为人机界面（HMI）、以安川交流伺服驱动系统为执行机构的方案进行自动化箍筋生产设备的设计。
以S7-300为核心的控制系统包含CPU314C-2DP（CPU）、FM354（驱动牵引部分的控制器）、FM353（弯曲部分的控制器）、SM321（输入模块，反馈各种执行机构的动作完成位置是否正确和控制信号）、SM322（输出模块，控制各种电磁阀的动作）构成，如下图所示：
S7-300与触摸屏的连接网络我们选择MPI，CPU314C-2DP的MPI地址设为2，SM354的MPI地址设为3，SM353的MPI地址设为4，HMI的地址设为1，网络组态如下图所示：
三 工作原理
根据箍筋生产的实际情况，我们采用将校直装置和弯箍成型装置放置在一起的方案。校直部分主要由横、竖两排矫直辊组成，通过辊子的挤压来去掉钢筋的弯曲应力，如下图所示。为了方便用户的调整，上半部分的矫直辊的位置可以调节，以适应不同直径的钢筋。
校直装置由一个11KW的交流伺服电机来牵引，牵引的完成送料。
弯曲部分采用绕弯的方式，以一个轴为中心，另一个轴臂围绕此轴旋转，如下图所示。整个弯曲部分可以一弯曲时的钢筋为中心伸出/退回，也可以进行顺时针/逆时针的旋转。弯曲的速度和角度有定位模块FM353来控制，实现了高速、**定位
旋转部件的也由以一个7.5KW交流伺服电机来牵引。
当箍筋加工完成后，由普通的三相异步电动机通过曲柄连杆机构带动剪刀把钢筋剪断，进行下一个循环。
四 软件的实现
S7-300 PLC系统编程软件选用STEP 7 Professional V5.4SP4编程软件包（为了能FM354、FM353对进行设置，我们要安装四门子提供的Simatic S7 FM353/FM354bbbbbeterization Version4.03.04），采用模块式的面相对象的思想进行编程，完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制、测试、调试和文档处理。
由于STEP 7 Professional V5.4SP4支持在同一个块内使用LAD，STL和FBD三种编程语言。对于系统中的逻辑控制选用梯形图编程，构成FC块，实现各机组执行机构的电气控制和工序逻辑功能；对于数据处理的部分则采用语句表编程，构成FB块。浮点数运算和反三角函数的运用极大地简化了检测盘上的外部旋转编码器的脉冲信号的输入与钢筋送进长度之间之间的换算关系，实现较为复杂的算术运算和逻辑、定位控制等功能，具体的程序结构见下图。
其中OB 100是热启动组织块，系统启动就调用OB100，主要作用是初始化各种数据并且把内部存储的各种状态复位;OB1是主程序块，它调用各种FC和FB更新来自MPI总线上的数据块中的的数据，控制伺服驱动器完成定位，控制各个阀的动作，来完成箍筋制作的动作
这个示例程序用来控制一台三相感应电动机，该电动机具有两个单独的绕组，对应不同的转速和旋转方向。该示例程序是对应用程序示例10的扩展。
---- 当与各输入点相连的点动开关被按下时，电动机起动。不论电动机沿什么方向旋转，任何时候都可以改变电动机的转速，转速分为高低两档。电动机需要5秒钟时间来刹车停机之后，才可以朝的方向起动。与输出点Q0.5相连的信号灯闪烁表示电动机正处于刹车状态。
引言：
电机调速实质的探讨，是关系到近代交流调速发展的重要理论问题。随着近代变频调速矢量控制及直接转矩控制等调速控制理论的提出和实践，很多有关文献和论著都把调速的转矩控制确认为调速的普遍规律，并提出调速的实质和关键在于电磁转矩控制。这种观点尚缺乏理论和实践的证明，值得商榷。
本文根据电机功率转换的普遍原理，提出并证明恒转矩调速的实质在于电机的轴功率控制，转速调节是功率控制的响应，其关键为如何通过电功率控制轴功率。
转矩控制仅适于恒功率调速，它只是电机调速的局部，而不是调速的普遍规律。变频调速所依据的是转矩控制，实际执行的却是功率控制，才没有影响到应用的正确性。
一、功率控制与转矩控制
根据机电能量转换原理，凡电动机都可划分为主磁极和电枢两个功能部分。主磁极的作用是建立主磁场，电枢则是与磁场相互作用将电磁功率转换为轴功率。
直流电动机的主磁极和电枢不仅结构鲜明，功能独立，无疑符合以上定义。而交流（异步）电动机通常以定子、转子划分构成，需加说明。
根据所述电枢定义，异步机的轴功率产生于转子，异步机真正的电枢是转子。问题在于定子，一方面定子励磁产生主磁场，故定子是主磁极。另一方面，定子又通过电磁感应为电枢（转子）输送电磁功率，却不产生轴功率，定子又具有电枢的部分特征，这里我们把它称为伪电枢。定子的这种复合功能，是异步机区别于直流机的主要特征。
从电枢输出角度观察，电动机的轴功率与电磁转矩机械转速的关系为：
PM＝MΩ (1)
或 Ω＝PM／M （2）
公式（2）除了给出了电机转速与轴功率和电磁转矩间的量值关系以外，表明，电机转速终只能通过轴功率或电磁转矩两种控制获得调节，前者简称功率控制，后者简称转矩控制。
1. 功率控制
功率控制是以轴功率PM为调速主控量， 作用对象必然是电枢或伪电枢。电磁转矩在调速稳态时，取决于负载转矩的大小。
即 M＝Mfz (3)
当负载转矩一经为客观工况所确定之后，电磁转矩就唯一地被决定了，电磁转矩不仅与调速控制无关，不能随意改变其量值。
电磁转矩对转速的作用表现在调速的过渡过程，转矩的变化是转速响应滞后的结果，此时，功率控制造成电磁转矩响应。
设电机调速前的稳态转速为Ω1，轴功率为PM1，调速后的稳态转速为Ω2，相应的轴功率变为PM2。 由于电磁转矩：
M＝PM／Ω (4）
故调速时，电磁转矩变为：
M＝PM2／Ω
由于受惯性的作用，在t＝0的调速瞬时Ω＝Ω1，故
M＝PM2／Ω1
t=0
此时的电磁转矩将与原来的电磁转矩M1＝PM1／Ω1不等，转矩平衡被破坏并产生动态转矩，电机转速在动态转矩作用下开始由Ω1向Ω2过渡，其变化规律为：
Ω1＝（Ω1－Ω2）e－t/T＋Ω2 （5）
电磁转矩则为：M＝PM2／（Ω1－Ω2）e－t/T＋Ω2
随着时间增大，动态转矩减小，直至电磁转矩与新的负载转矩平衡，即：
M＝PM2／Ω2＝Mfz，
转速稳定在Ω2不变，电机调速结束。 上述的调速过程可以由图1的框图说明。
图1 功率控制的调速流程
功率控制作用的是电枢，主磁场或主磁通量保持不变，根据电机理论，电机的额定电磁转矩正比于主磁通量，受限于电枢的大载**。功率控制调速时，电机的额定电磁转矩输出能力不变，属于恒转矩调速。
2. 转矩控制
根据公式（2），电机转速在轴输出功率不变的前提下，与电磁转矩成反比。由于受电磁转矩以额定转矩为上限的约束，转矩控制实际上只能在额定转矩以下实现，属于恒功率调速。
电磁转矩的独立控制方法主要依据转矩公式：
M＝CMΦmIS （直流机） (6)
或 M＝CMΦmI2COSφ2 （交流机） (7)
受控的物理量为主磁通Φm，由于主磁通量Φm产生于主磁极，转矩控制实际上是磁场控制，作用对象为主磁极。转矩控制调速同样要保证稳态时的转矩平衡，即：
M＝Mfz
由于调速稳态时，电磁转矩发生了变化，要求负载转矩适应于电磁转矩变化，即要求负载跟踪电机。
转矩控制实际是弱磁调速，主要用于额定转速以上的调速。鉴于本文重点讨论的是功率控制，故不赘述。
二、功率控制的方法与性能
电机调速的轴功率控制只能通过电功率间接控制来实现。以异步机为例，图2是其等效三端口网络。
图2.异步机的等效网络
其中电枢（转子）除产生轴功率输出外，还产生以感应电压u2和电流i2为参量的电功率响应。由于该功率与转差率成正比，故称转差功率，其端口简称Ps口。
如果电机转子为笼型，其绕组呈短路状，Ps口为封闭不可控的。为绕线型，Ps口则是开启可控的，转子可以通过Ps口输出或输入电功率。异步机的功率控制调速有两种方式，一种是通过伪电枢间接对电枢实现轴功率控制；另一种是通过Ps口直接控制电枢轴功率。前者主要适用于笼型异步机，后者则适用于绕线型异步机。
1. 定子伪电枢功率控制。
图3.异步机定子功率控制调速
作为伪电枢，定子向电枢（转子）传输的电磁功率：
Pem＝P1－△P1 （8）
电枢的轴功率则为：
PM＝Pem－△P2 (9)
故 PM＝P1－（△P1＋△P2） (10)
可见，控制伪电枢的输入功率P1或增大其损耗△P1就可以控制电枢的轴功率，后者显然是低效率、高损耗的调速，不宜推荐。
控制P1调速的唯一方法是调压━━变频， 即所谓的变频调速。由于：
P1＝m1U1I1COSφ1 (11)
故对于电压源供电调节端电压U1是控制功率P1的必须手段。问题的关键是为什么不能单纯调压，而必须辅以变频？这是定子除了伪电枢的功能之外，还兼主磁极之故。
前已叙及，功率控制的要点有：
① 保持主磁通量不变
② 作用对象是电枢或伪电枢
③ 控制目标是轴功率
如果单纯调压而频率不变，定子的主磁极功能就要受到严重影响。根据电机理论，做为主磁极，定子的主磁通量：
Φm＝E／4.44W1kr1f1
＝KE1／f1
≈KU1／f1 (12)
恒频调压的结果，主磁通Φm将随U1下降而减小，形成了前述的转矩控制。更主要的是此时不但未能控制功率P1，反而增大了电机损耗，与目的绝然相悖。
设负载为恒转矩性质，由转矩平衡方程，电磁转矩：
M＝Mfz＝const
又 M＝CMΦmI1COSφ1
＝CMΦmI2COSφ2 (13)
设功率因数不变，定转子电流I1、I2将随主磁通Φm下降而正比增大，其结果功率P1不变，但定转子损耗：
△P1＝m1I 12 r1
△P2＝m2I 222 r1
将按电流的平方律增大。根据式（10），轴功率控制虽能实现，却属低效率高损耗的调速。
为此，异步机定子的功率控制调速，必须要将定子的主磁极和伪电枢两种功能游离开。针对同一定子绕组，一方面使主磁极产生的磁场保持稳定，又要控制其向电枢传递的电磁功率。
于是变频调速建立了一条重要原则，就是调压变频，且保证V／F（压频比）为常数，这样就确保了上述控制要求的实现。顺便指出，近代变频调速的矢量控制，实际上就是遵循这一原理。矢量控制的核心思想，是把磁场与转矩游离开，分别加以控制，认为调速的根本在于转矩，而事实上游离的却是磁场和电磁功率，结果无误，但理论上必须加以澄清。
2. 转子功率控制
对于绕线转子异步机的调速，可以利用转差功率端口━Ps口直接控制轴功率。方法是由Ps口移出或注入转差功率。需要指出：
① 所述的转差功率应区别经典电机学中的转子损耗转差功率，为此将后者称为转子损耗功率，记以△P2。
② 转差功率有电能与热能之分，分别记以Pes和Prs，两者性质不同，对调速的影响也不同。
图4.异步机转子功率控制调速
当在转子的Ps口引入电转差功率Pes时，转子的轴功率：
PM＝（Pem±Pes）－△P2 （14）
式中的Pem为定子向转子传输的电磁功率，电转差功率的负号表示从Ps口移出，正号表示从Ps口注入。Pes属电功率，故与电磁功率相合成，结果使轴功率PM发生变化，电机转速得到相应调节。
电转差功率调速的典型实例是串级调速和双馈调速，前者的电转差功率为负，流向为从转子移出，故实现的是额定转速以下的调速。后者的电转差功率可以双向流动，既可以移出，又可以注入，可以实现低同步和超同步两种调速。
当Ps口引入的是热转差功率Prs时， 转子的轴功率则为：
PM＝Pem－（△P2＋Prs） (15)
显然热转差功率的引入，增大了电枢（转子）的损耗，轴功率随Prs的增大而减小，其典型例子是异步机转子串电阻调速。
三、功率控制的理想空载转速，效率与机械特性
根据电机学，电动机的理想空载转速主要取决于电枢的电磁功率，因有：
Ω0＝Pem／M （16）
由于电磁转矩为负载所决定，理想空载转速Ω0就决定于某一负载条件下电磁功率的大小。
功率控制调速的电枢功率可以综合表达为：
PM＝ΣPem－Σp2 （17）
相应的转速：
PM／M＝ΣPem／M－Σp2／M （18）
Ω＝Ω0－△Ω (19)
其中Ω0＝ΣPem／M为功率控制调速的理想空载转速，调节电枢的电磁功率可以改变电机的理想空载转速。换言之，电机的理想空载转速取决于电枢的电磁功率。又，△Ω＝Σp2／M为电机的转速降。由此表明增大电枢损耗，可以增加电机转速降。
电机调速的效率表达为：
η＝PM／（P1－Σpi）
＝PM／（Pem－△P2)
在一定的轴功率PM输出条件下，控制电磁功率的调速是高效率的节能型调速，而控制损耗功率的调速必然是低效率的耗能型调速。
公式（18）刻画出了功率控制调速的机械特性，当连续改变电磁功率ΣPem时，如果损耗功率不变，电机的理想空载转速随ΣPem连续变化，其机械特性为一族平行的曲线。而增大损耗，电磁功率不变时，电机理想空载转速不变，改变的只是转速降，其机械特性为一族汇交型曲线。如图5给出了两种调速的定性曲线。
图5 a.电磁功率调速特性 b.转速降调速特性
可以得出以下结论：
① 电磁功率控制调节的是理想空载转速，损耗功率控制调节的是转速降。
②电磁功率控制是高效率节能型的调速，其机械特性必为平行曲线族。损耗功率控制属低效率耗能调速，其机械特性必为汇交型曲线族。
四、异步机调速的分类与方法
与按n＝ 60f1/p·(1-S）表达式不同，根据本文所述的电机调速功率控制理论，异步机调速可分类表示如下：
性质/方案 控制点/变量 方法 要点
五、结论
1. 电机调速的基本原理有两种，一为轴功率控制，二是转矩控制。转矩控制实际是磁场控制，适于恒功率调整。
2.轴功率控制的调速具有恒转矩特性，电磁转矩的变化是转速响应滞后所造成的，调速稳态时，电磁转矩只决定于负载，与控制无关。
3.轴功率控制的作用对象是电枢或伪电枢，并终只能通过电功率控制来实现。其中，电磁功率调节的是理想空载转速，损耗功率改变的是转速降。前者为高效节能型，后者为低效耗能型，两者的机械特性亦由此决定。
4. 变频调速和电转差功率控制调速同属电磁功率控制调速，两者性能一致，并无本质差别。