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

　　802D數控系統各坐標軸的伺服控制由NCK裝置完成,但機床邏輯控制則由PCU 內嵌的PLC 完成。機床外部輸入輸出信號經I/O模塊PP72/48(72 入48出) 并通過Profibus 現場總線實現與PLC 的連接。802D系統最多可配兩塊PP72/48模塊。

　　由于802D系統是一種通用的數控系統, 將其應用于不同的數控機床時, 機床的邏輯控制以及PLC 的輸入輸出信號會不一樣, 因此, 將802D 系統應用于數控機床時, 最重要的是要根據機床的邏輯控制要求設計和調試好系統PLC 程序, 才能使系統正常和安全地工作。本文結合802D 系統在廣西水利電力職業技術學院經濟型數控銑床XK5036 上的應用, 介紹802D 數控系統PLC 的編程與應用方法。銑床的數控系統配置及系統連接如圖1 所示, 兩塊611UE 功率模塊負責三個坐標軸的伺服進給控制, 銑床的主軸電機則采用接觸器控制, 主軸轉速由機械變速箱調整。

圖1 802D 系統連接示意圖

1 數控系統與PLC 接口信號

　　從圖1 可看出, 機床外部的輸入輸出信號主要包括機床控制面板( MCP) 和機床電氣控制信號。機電電氣控制信號主要包括參考點以及各軸限位信號、各異步電機啟停控制及過載信號、伺服驅動控制使能信號等, 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、主軸轉速和進給速度倍率開關、主軸控制按鍵、系統控制方式選擇按鍵、各軸點動控制按鍵、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, 也可以根據實際機床控制需要設計自己的機床控制面板。

　　作為數控系統的重要組成部分, 系統內嵌的PLC 采用接口變量V及相應的數據位的形式與NCK、HMI 和MCP 進行控制和狀態信息的傳送, 并按照系統的工作狀態和用戶編寫的控制程序完成機床邏輯控制任務。PLC、NCK、HMI、MCP 相互間信息傳送的路徑和方向如圖2 所示, 數控系統與PLC 主要接口信號簡要說明如表1 所示, 詳細接口信號的說明請參閱西門子(中國) 有限公司技術手冊———SINUMERIK 802D 簡明調試指南。

圖2 數控系統內部信號傳遞示意圖

　　下面以在AUTO 狀態下啟動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, 實現MCP 的按鍵信號向PLC 傳送, PLC 可據此位數據可判斷用戶是否按下AUTO 方式按鈕。

　　(2) 系統處于AUTO 方式后, V11000000.0=0, 實現PLC 向MCP 回傳系統已處于AUTO 方式。

　　(3) 按下MCP 上的NC 啟動按鍵時, V10000001.7=1,實現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 傳送程序已處于運行狀態的信息。

　　(6) NCK 執行NC 程序并通過伺服驅動模塊控制各進給軸運動, 當程序中執行到M3 功能時, 經NCK 譯碼,V25001000.3=1, NCK 向PLC 傳送主軸正轉啟動命令。

　(7) PLC 經PP72/48 模塊以及機床電氣接口實現主軸正轉啟動和自保持控制, 同時, V11000001.6=1, PLC 向MCP 傳送主軸已正轉信息。

　　(8) 在用戶程序執行過程中, 如果出現了主軸或冷卻電機過載等機床電氣故障, 故障信號從PP72/48 送入PLC 并在PLC 程序中觸發用戶報警, 再由PLC 以變量的形式將對應的報警號送至HMI。最后HMI 根據已編好并下載到數控系統的報警文件將報警信息顯示出來。

2 數控系統PLC 程序編程

　　802D 數控系統的PLC 編程使用專用的Programming toolPLC 802D 工具軟件, 其編程環境和程序結構類似SIMATICS7- 200 PLC, 由一個主程序和相關子程序組成, 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PLC 程序的設計可參考西門子公司利用802DPLC 子程序庫編寫的銑床PLC 應用實例, 并結合銑床具體的系統配置、I/O 信號地址分布以及系統模塊的連接方式, 修改實例程序來獲得銑床的PLC 控制程序。

　　2.1 信號地址分布說明

　　根據圖1 的系統連接方式, MCP 各按鍵的地址分布如表2 所示, 機床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動24VDC 中間繼電器的開關信號, 經中間繼電器的觸點實現對外部強電回路的控制。

　　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 為對應狀態指示燈。

　　2.2 PLC 程序設計

　　結合銑床的系統配置, 設計的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 狀態下自動循環執行的程序, 其主要作用: 一是利用SM0.1 接點在PLC 第一個掃描周期調用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 接點在PLC 每個掃描周期調用各子程序, 完成相應的機床邏輯控制功能, 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 的初始化用于設置一些基本接口信號, 包括設定V32000006.7=1, 使NCK 通道接口的進給倍率生效; 設定各軸V380X0001.5=1 和V380X0001.7=1, 使各軸進給倍率生效和測量系統有效。

　　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行控制。

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

　　當NCK→PLC 發急停有效( 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、系統控制方式選擇、NC 啟停及復位、各軸點動控制、主軸及進給倍率、增量選擇等信號,并將NCK 已確認的增量值、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 啟停及復位、系統控制方式、增量值、主軸及進給倍率、各軸點動控制、快進以及HMI 上所激活的空運行、快進倍率生效、程序跳段和測試等信息送NCK。各軸點動控制信息送NCK 前應進行越限判斷。

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

　　由于系統中只安裝了一個電子手輪( 802D 系統最多可安裝三個電子手輪) , 因此在用手輪控制各軸進給時, 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床坐標系中選擇的軸號, 二是判斷和激活用戶所選擇的軸號并送NCK, 由NCK 根據手動控制方式下選擇的增量實現對相應軸的手輪脈沖進給控制。

　　2.2.7 主軸和進給軸控制子程序AXIS_CTL( SBR40)

　　AXIS_CTL 子程序用于主軸和進給軸控制。主軸的控制是根據MCP 選擇的主軸控制信號或NC 程序譯碼得到的M代碼實現主軸的啟停及正反轉控制。進給軸的控制首先根據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位信號送NCK; 接著根據Z 軸伺服電機的工作條件完成Z 軸電機抱閘的控制; 最后進行機床回參考點以及各軸點動進給的控制, 并進行各軸進給的越限判斷及處理, 出現越限時禁止進給并觸發相應的系統報警信息。

　　2.2.8 冷卻泵控制子程序COOLING( SBR44)

　　PLC 程序設計時在用戶選擇鍵中定義了一個冷卻控制鍵KT5, COOLING 子程序首先根據冷卻泵的當前狀態及KT5 鍵的觸發情況判斷冷卻泵的啟動或停止控制觸發信號, 然后在手動方式下根據控制信號實現對冷卻泵的控制, 如是在AUTO或MDA 方式下, 則根據NC 程序譯碼得到的M代碼實現對冷卻泵的控制。當急停、NC 復位、程序測試有效、冷卻泵電機過載、M2 或M30 指令任一信號有效時, 均要停泵。

3 結束語

　　802D 數控系統PLC 的編程, 是在完成機床數控系統配置及電氣控制設計回路設計的基礎上, 根據機床控制功能要求、系統連接方式和I/O 地址分配, 利用802D 系統子程序庫并參考和修改西門子公司提供的實例程序來完成的, 不同的系統配置, 不同的機床功能要求, 系統的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 程序以及程序的調試方法, 讀者可通過閱讀和研究西門子公司相關資料來掌握。