西門子802D 系統(tǒng)是近年來廣泛應(yīng)用于數(shù)控車、數(shù)控銑以及經(jīng)濟(jì)型加工中心上的數(shù)控系統(tǒng), 由PCU( 面板控制單元) 、MCP( 機(jī)床控制面板) 、NC 鍵盤、伺服驅(qū)動功率模塊及電源、I/O輸入輸出模塊、電子手輪等基本單元組成。PCU 作為802D 數(shù)控系統(tǒng)的核心部件, 將NCK( 數(shù)控核心) 、PLC、HMI( 人機(jī)界面)和通訊任務(wù)集成在一起, 并用Profibus 現(xiàn)場總線將各單元連接起來, 組成一個可同時控制4 個伺服進(jìn)給軸和一個模擬主軸的數(shù)控系統(tǒng)。

　　802D數(shù)控系統(tǒng)各坐標(biāo)軸的伺服控制由NCK裝置完成,但機(jī)床邏輯控制則由PCU 內(nèi)嵌的PLC 完成。機(jī)床外部輸入輸出信號經(jīng)I/O模塊PP72/48(72 入48出) 并通過Profibus 現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)與PLC 的連接。802D系統(tǒng)最多可配兩塊PP72/48模塊。

　　由于802D系統(tǒng)是一種通用的數(shù)控系統(tǒng), 將其應(yīng)用于不同的數(shù)控機(jī)床時, 機(jī)床的邏輯控制以及PLC 的輸入輸出信號會不一樣, 因此, 將802D 系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床時, 最重要的是要根據(jù)機(jī)床的邏輯控制要求設(shè)計(jì)和調(diào)試好系統(tǒng)PLC 程序, 才能使系統(tǒng)正常和安全地工作。本文結(jié)合802D 系統(tǒng)在廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床XK5036 上的應(yīng)用, 介紹802D 數(shù)控系統(tǒng)PLC 的編程與應(yīng)用方法。銑床的數(shù)控系統(tǒng)配置及系統(tǒng)連接如圖1 所示, 兩塊611UE 功率模塊負(fù)責(zé)三個坐標(biāo)軸的伺服進(jìn)給控制, 銑床的主軸電機(jī)則采用接觸器控制, 主軸轉(zhuǎn)速由機(jī)械變速箱調(diào)整。

圖1 802D 系統(tǒng)連接示意圖

1 數(shù)控系統(tǒng)與PLC 接口信號

　　從圖1 可看出, 機(jī)床外部的輸入輸出信號主要包括機(jī)床控制面板( MCP) 和機(jī)床電氣控制信號。機(jī)電電氣控制信號主要包括參考點(diǎn)以及各軸限位信號、各異步電機(jī)啟停控制及過載信號、伺服驅(qū)動控制使能信號等, 該部分信號通過PP72/48的X333 插座連接。MCP 上主要安裝有急停開關(guān)、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度倍率開關(guān)、主軸控制按鍵、系統(tǒng)控制方式選擇按鍵、各軸點(diǎn)動控制按鍵、NC 控制按鍵以及用戶選擇鍵和LED 指示燈等, 并通過2 條50 芯的扁平電纜與PP72/48 的X111、X222 插座連接。由于MCP 上全部為開關(guān)信號且通過I/O 接口與PLC 連接, 因此, 用戶可選擇西門子公司配套的MCP, 也可以根據(jù)實(shí)際機(jī)床控制需要設(shè)計(jì)自己的機(jī)床控制面板。

　　作為數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分, 系統(tǒng)內(nèi)嵌的PLC 采用接口變量V及相應(yīng)的數(shù)據(jù)位的形式與NCK、HMI 和MCP 進(jìn)行控制和狀態(tài)信息的傳送, 并按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)和用戶編寫的控制程序完成機(jī)床邏輯控制任務(wù)。PLC、NCK、HMI、MCP 相互間信息傳送的路徑和方向如圖2 所示, 數(shù)控系統(tǒng)與PLC 主要接口信號簡要說明如表1 所示, 詳細(xì)接口信號的說明請參閱西門子(中國) 有限公司技術(shù)手冊———SINUMERIK 802D 簡明調(diào)試指南。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部信號傳遞示意圖

　　下面以在AUTO 狀態(tài)下啟動NC 程序,來說明接口信號的傳送和處理過程:

　　(1) 按下MCP 上的AUTO 方式按鍵時, V10000000.0=1, 實(shí)現(xiàn)MCP 的按鍵信號向PLC 傳送, PLC 可據(jù)此位數(shù)據(jù)可判斷用戶是否按下AUTO 方式按鈕。

　　(2) 系統(tǒng)處于AUTO 方式后, V11000000.0=0, 實(shí)現(xiàn)PLC 向MCP 回傳系統(tǒng)已處于AUTO 方式。

　　(3) 按下MCP 上的NC 啟動按鍵時, V10000001.7=1,實(shí)現(xiàn)MCP 向PLC 傳送用戶的NC 啟動命令。

　　(4) PLC 收到NC 啟動命令后, V11000001.7=1, 由PLC 向MCP 回傳NC 已啟動信號; 同時, V32000007.1=1, 由PLC 向NCK 傳送NC 啟動命令。

　　(5) NCK 開始執(zhí)行用戶已選定的NC 加工程序,V33000003 .0=1, 并由NCK 向PLC 傳送程序已處于運(yùn)行狀態(tài)的信息。

　　(6) NCK 執(zhí)行NC 程序并通過伺服驅(qū)動模塊控制各進(jìn)給軸運(yùn)動, 當(dāng)程序中執(zhí)行到M3 功能時, 經(jīng)NCK 譯碼,V25001000.3=1, NCK 向PLC 傳送主軸正轉(zhuǎn)啟動命令。

　(7) PLC 經(jīng)PP72/48 模塊以及機(jī)床電氣接口實(shí)現(xiàn)主軸正轉(zhuǎn)啟動和自保持控制, 同時, V11000001.6=1, PLC 向MCP 傳送主軸已正轉(zhuǎn)信息。

　　(8) 在用戶程序執(zhí)行過程中, 如果出現(xiàn)了主軸或冷卻電機(jī)過載等機(jī)床電氣故障, 故障信號從PP72/48 送入PLC 并在PLC 程序中觸發(fā)用戶報(bào)警, 再由PLC 以變量的形式將對應(yīng)的報(bào)警號送至HMI。最后HMI 根據(jù)已編好并下載到數(shù)控系統(tǒng)的報(bào)警文件將報(bào)警信息顯示出來。

2 數(shù)控系統(tǒng)PLC 程序編程

　　802D 數(shù)控系統(tǒng)的PLC 編程使用專用的Programming toolPLC 802D 工具軟件, 其編程環(huán)境和程序結(jié)構(gòu)類似SIMATICS7- 200 PLC, 由一個主程序和相關(guān)子程序組成, 使用LAD( 梯形圖) 作為編程語言, 但所使用的通信接口和通信電纜與S7- 200 PLC不同。

　　802D 系統(tǒng)PLC 程序的設(shè)計(jì)可參考西門子公司利用802DPLC 子程序庫編寫的銑床PLC 應(yīng)用實(shí)例, 并結(jié)合銑床具體的系統(tǒng)配置、I/O 信號地址分布以及系統(tǒng)模塊的連接方式, 修改實(shí)例程序來獲得銑床的PLC 控制程序。

　　2.1 信號地址分布說明

　　根據(jù)圖1 的系統(tǒng)連接方式, MCP 各按鍵的地址分布如表2 所示, 機(jī)床I/O 信號接至X333 后的I/O 分布如表3 所示, 其中輸出信號均為驅(qū)動24VDC 中間繼電器的開關(guān)信號, 經(jīng)中間繼電器的觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對外部強(qiáng)電回路的控制。

　　在MCP 的用戶選擇鍵中, 定義KT4 鍵( #5) 為伺服使能控制, 定義KT5 鍵( #6) 為冷卻控制鍵, 各鍵上方的LED 為對應(yīng)狀態(tài)指示燈。

　　2.2 PLC 程序設(shè)計(jì)

　　結(jié)合銑床的系統(tǒng)配置, 設(shè)計(jì)的PLC 程序由一個主程序和七個子程序組成, 具體如下:

　　2.2.1 主程序MAIN( OB1)

　　主程序MAIN 是PLC 在RUN 狀態(tài)下自動循環(huán)執(zhí)行的程序, 其主要作用: 一是利用SM0.1 接點(diǎn)在PLC 第一個掃描周期調(diào)用PLC 初始化子程序PLC_INI( SBR32) , 完成PLC 的初始化工作; 二是利用SM0.0 接點(diǎn)在PLC 每個掃描周期調(diào)用各子程序, 完成相應(yīng)的機(jī)床邏輯控制功能, 主程序如圖3 所示。

圖3 PLC 主程序

　　2.2.2 PLC 初始化子程序PLC_INI( SBR32)

　　PLC 的初始化用于設(shè)置一些基本接口信號, 包括設(shè)定V32000006.7=1, 使NCK 通道接口的進(jìn)給倍率生效; 設(shè)定各軸V380X0001.5=1 和V380X0001.7=1, 使各軸進(jìn)給倍率生效和測量系統(tǒng)有效。

　　2.2.3 急停處理子程序EMG_STOP( SBR33)

　　EMG_STOP 子程序主要處理急停操作以及對伺服電源模塊的上電和下電時序進(jìn)行控制。

　　當(dāng)主軸電機(jī)和冷卻電機(jī)同時過載時, 利用Q4.0 及外部中間繼電器切斷控制回路電源; 當(dāng)按下急停鍵、主軸電機(jī)過載、冷卻電機(jī)過載、伺服電源模塊未準(zhǔn)備好或伺服電源模塊I2t 報(bào)警的任一條件滿足時急停動作, 由PLC→NCK 發(fā)要求急停信號( V26000001.1=1) , 同時可觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警信號。

　　當(dāng)NCK→PLC 發(fā)急停有效( V27000000.1=1) 信號時, PLC程序按伺服電源模塊的下電時序依次斷開模塊的控制使能信號( 端子64) 、脈沖使能信號( 端子63) 、啟動接觸器信號( 端子48) 。當(dāng)急停退出時, PLC 則按相反時序完成伺服電源模塊的上電。伺服電源模塊的上下電時序如圖4 所示, 圖中t 一般取200ms。

圖4 伺服電源模塊上下電時序圖

　　2.2.4 802D 機(jī)床控制面板MCP 信號傳遞子程序MCP_802D( SBR34)

　　MCP_802D 子程序主要是將MCP 上各按鍵的動作信號送至PLC, 包括伺服使能、主軸控制、系統(tǒng)控制方式選擇、NC 啟停及復(fù)位、各軸點(diǎn)動控制、主軸及進(jìn)給倍率、增量選擇等信號,并將NCK 已確認(rèn)的增量值、NC 啟停等信息返回MCP。

　　2.2.5 MCP 和HMI 信號處理子程序MCP_NCK( SBR38)

　　MCP_NCK 子程序主要將MCP 上已選擇并送到PLC 的NC 啟停及復(fù)位、系統(tǒng)控制方式、增量值、主軸及進(jìn)給倍率、各軸點(diǎn)動控制、快進(jìn)以及HMI 上所激活的空運(yùn)行、快進(jìn)倍率生效、程序跳段和測試等信息送NCK。各軸點(diǎn)動控制信息送NCK 前應(yīng)進(jìn)行越限判斷。

　　2.2.6 據(jù)HMI 接口信號選擇手輪子程序HANDWHL( SBR39)

　　由于系統(tǒng)中只安裝了一個電子手輪( 802D 系統(tǒng)最多可安裝三個電子手輪) , 因此在用手輪控制各軸進(jìn)給時, 需要在HMI 中用軟鍵選擇要控制的軸號。HANDWHL 子程序的作用:一是初始化手輪在機(jī)床坐標(biāo)系中選擇的軸號, 二是判斷和激活用戶所選擇的軸號并送NCK, 由NCK 根據(jù)手動控制方式下選擇的增量實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)軸的手輪脈沖進(jìn)給控制。

　　2.2.7 主軸和進(jìn)給軸控制子程序AXIS_CTL( SBR40)

　　AXIS_CTL 子程序用于主軸和進(jìn)給軸控制。主軸的控制是根據(jù)MCP 選擇的主軸控制信號或NC 程序譯碼得到的M代碼實(shí)現(xiàn)主軸的啟停及正反轉(zhuǎn)控制。進(jìn)給軸的控制首先根據(jù)伺服電源模塊控制使能和脈沖使能啟動信號, 將各軸的伺服使能和脈沖使能信號送NCK, 如電源模塊的脈沖使能信號消失,則將各軸伺服使能復(fù)位信號送NCK; 接著根據(jù)Z 軸伺服電機(jī)的工作條件完成Z 軸電機(jī)抱閘的控制; 最后進(jìn)行機(jī)床回參考點(diǎn)以及各軸點(diǎn)動進(jìn)給的控制, 并進(jìn)行各軸進(jìn)給的越限判斷及處理, 出現(xiàn)越限時禁止進(jìn)給并觸發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)報(bào)警信息。

　　2.2.8 冷卻泵控制子程序COOLING( SBR44)

　　PLC 程序設(shè)計(jì)時在用戶選擇鍵中定義了一個冷卻控制鍵KT5, COOLING 子程序首先根據(jù)冷卻泵的當(dāng)前狀態(tài)及KT5 鍵的觸發(fā)情況判斷冷卻泵的啟動或停止控制觸發(fā)信號, 然后在手動方式下根據(jù)控制信號實(shí)現(xiàn)對冷卻泵的控制, 如是在AUTO或MDA 方式下, 則根據(jù)NC 程序譯碼得到的M代碼實(shí)現(xiàn)對冷卻泵的控制。當(dāng)急停、NC 復(fù)位、程序測試有效、冷卻泵電機(jī)過載、M2 或M30 指令任一信號有效時, 均要停泵。

3 結(jié)束語

　　802D 數(shù)控系統(tǒng)PLC 的編程, 是在完成機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)配置及電氣控制設(shè)計(jì)回路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上, 根據(jù)機(jī)床控制功能要求、系統(tǒng)連接方式和I/O 地址分配, 利用802D 系統(tǒng)子程序庫并參考和修改西門子公司提供的實(shí)例程序來完成的, 不同的系統(tǒng)配置, 不同的機(jī)床功能要求, 系統(tǒng)的PLC 程序會不一樣, 但編程的原理和方法是一致的。由于篇幅有限, 具體的PLC 程序以及程序的調(diào)試方法, 讀者可通過閱讀和研究西門子公司相關(guān)資料來掌握。