1、引言

　　802C系統是西門子公司專門為中國市場開發的一種經濟型數控系統，具有較高的性價比，并在中低端車床、銑床以及機床改造等領域有極其廣泛的應用。802C系統二次開發技術的系統化研究對我國中低端數控機床的普及有極大的推動作用。

2、西門子802C數控系統

　　802C系統可控制3個伺服電機進給軸和1個伺服主軸，采用集成式PLC，分離式小尺寸操作面板和機床控制面板；安裝調試方便快捷、操作編程簡單方便，具有可靠性高、穩定性強的特點；是一種較先進的經濟型CNC數控系統。

　　2.1 802C系統硬件

　　802C數控系統由以下幾部分組成：操作面板、機床面板、NC單元、輸入輸出模塊等。NC單元是802C系統的核心部件，其上具備連接數控系統其它部件的各種接口，包括操作面板接口X9、進給軸/主軸驅動接口X7、進給軸/主軸編碼器接口X3~X6、電子手輪接口X10等，如圖1所示。進給軸/主軸驅動接口X7提供10V模擬驅動器接口，通常用于驅動1FK7交流伺服電機和1PH7交流主軸電機。802C系統提供16I/16O的DI/O模塊，并可根據機床配置需求，最多可配置4個同種型號的模塊。

圖1 802C系統部件連接及接口

　　2.2 802C系統軟件

　　西門子802C系統軟件由3大部分組成，分別為NC永久存儲器FLASH中的系統軟件、工具盒軟件和更新軟件。系統軟件包含引導軟件、MMC軟件、NCK軟件、PLC軟件和內裝PLC實例程序。系統軟件各組成子軟件功能詳見表1。工具盒軟件主要包括用于PC/PG的WINPCIN傳送軟件、PLC程序庫和機床數據文件等。

表1 系統軟件子軟件功能

3、西門子802C數控系統的二次開發

　　數控系統的二次開發包括系統電氣結構設計、驅動系統安裝調試、機床參數設置和PLC參數設置及其控制程序開發等。其中，系統電氣結構設計、驅動系統安裝調試、機床參數設置3個部分具有相應的設計標準或說明，只需根據機床的實際情況和相關設計要求進行設計和參數設定。而PLC參數設置及其程序開發是數控系統預留的系統二次開發的主要技術平臺，具有極大的靈活性和可設計性。在數控系統滿足基本技術要求的前提下，可根據機床控制的不同特點，利用此平臺，開發出相應PLC控制程序，實現機床的各種特殊控制功能。

　　西門子802C系統雖屬中低端標準數控系統，同樣提供了豐富的二次開發功能。通過系統相關參數的設置，可使機床適應不同配置的需求，并使其處于最佳運行狀態。通過Programming Tool 802編程軟件進行PLC編程，實現機床的邏輯控制，如PLC軸監控、診斷、報警等控制功能。

　　為了對802C數控系統的二次開發技術進行系統研究，我們搭建了SIEMENS數控系統實驗平臺，如圖2所示。針對于802C二次開發技術，尤其是PLC開發技術，以此實驗平臺為基礎，開展了一系列研究與仿真試驗。

圖2 SIEMENS數控系統實驗平臺

4、集成PLC開發

　　802C系統集成PLC為SIMATIC S7-200軟件PLC，作為機床電器邏輯控制裝置，處于CNC裝置和機床之間，實現對M、S、T等輔助功能的控制功能。PLC通過輸入、輸出模塊與機床、電氣控制系統、伺服控制系統相連接，采集系統各部分的工作信息，根據CNC指令及PLC控制軟件來控制各部分的運行。在CNC內部，通過數據塊((Data Block簡稱DB)與NCK、MCP交換信息，以實現數控系統各部分之間的協調控制。

　　4.1 輔助功能應用

　　西門子802C數控系統的NC運動程序中可以編寫以下輔助功能：M功能、T功能、S功能、F功能、D功能、SPOS功能等。其中，M功能和T功能常輸送給系統集成PLC，經PLC程序相關控制模塊處理激活相應動作。其中，一般M功能用于激活機床運行中的開關量動作，T功能用于機加工中的換刀控制。部分固定的M功能和T功能機床參數設置在系統默認的機床數據文件中已經存在，可直接在PLC程序中調用；但剩余的M功能和T功能必須經過相應的參數設定，才能在PLC程序中使用。

　　在進行輔助功能相關的機床參數設定后，PLC程序可直接調用輔助功能相應的CNC通道輔助功能接口，經PLC內部功能控制模塊邏輯處理，就可實現輔助功能的相關操作，其中M功能CNC通道接口如圖3所示，T功能CNC通道接口如圖4所示。例如：調用輔助功能M20直接激活集成PLC中的輸出端子Q0.0。在機床參數設定后，直接調用輔助功能M20的CNC通道接口V25001002.4激活集成PLC輸出端子Q0.0，即可使輸出端子Q0.0激活相應機床控制開關量，如圖5所示。輔助功能T的調用方法與輔助功能M大致相同，只是數據類型為DWORD，使用時應加以注意。

　　4.2 PLC開發例程庫

　　集成PLC程序的開發是數控系統二次開發的核心部分。為減少系統二次開發的工作量，西門子公司提供SIEMENS 802S/C/D數控系統子程序庫。

　　子程序庫例程是適用于普通2軸數控車床和3軸數控銑床的PLC實用程序。子程序庫由2個PLC項目文件和相應的說明文件組成。項目文件SUBR_LIBRARY.PTP包含子程序庫所提供的全部子程序和空的主程序（OB1），其子程序涵蓋了各種基本功能（表2）。利用這些程序，可根據模塊化設計的原則，像搭積木一樣在主程序中調用相應的功能控制子程序。項目文件SAMPLE.PTP是利用SUBR_LIBRARY.PTP的子程序搭建的一個完整的實用程序，并將其預先裝入系統中。對于SAMPLE.PTP控制功能可以覆蓋機床控制功能的數控機床，只需要設定相應PLC參數，不必另行編寫PLC程序。當然，如果例程庫不能滿足機床的控制功能要求，可以修改PLC程序，或填加相應的PLC功能控制模塊。

　　802C系統PLC子程序庫的應用大大減少了二次開發的工作量，減短了數控機床的設計開發周期，但PLC子程序庫的應用也存在一些的弊端。首先，子程序存在一些缺陷，需要細致分析、仔細推敲，并在實際工程應用中不斷檢驗改進。文獻[3]中提出用于銑床刀具卡緊放松或車床卡盤控制的SBR49（LOCK_UNL）子程序在四個方面存在問題，并進行相應改進。其次，PLC例程庫中的子程序需要適合多種數控機床實際使用，雖然這樣使其具有一定的通用性，但這將不可避免地導致PLC程序結構冗余，使PLC工作循環周期延長，影響機床的PLC邏輯控制的實時性。

　　4.3 集成PLC與通用PLC的差異

　　在集成PLC開發過程中，必須要注意集成PLC與通用S7-200 PLC的差異，詳見表3。表中列舉的西門子802C數控系統集成PLC各項數據指標皆低于通用S7-200 PLC。因此，在進行集成PLC開發時，應仔細閱讀相關手冊，并從實際情況出發，不可簡單地采用S7-200的例程或相關程序。

5、西門子802C系統循環周期測試方法

　　802C數控系統經二次開發后，NC通道的實時性受二次開發的影響不大；而集成PLC程序無論由例程庫中的子程序搭建而成，還是自行開發，皆對其邏輯控制實時性產生一定的影響。因此，數控系統在二次開發完成后，必須對其集成PLC的循環周期進行估計和測量。

　　文獻[5~7]分別從PLC工作原理、掃描周期、輸入輸出延時和程序設計等方面對PLC響應延時誤差進行分析，并且文獻[6]和[7]在理論分析的基礎上，提出相應的限制條件，在滿足這些條件的前提下，就能減少輸入輸出響應時間，防止輸入信號丟失，保證定時器正常工作，提高控制的實時性能。文獻[8]在分析PLC軟件執行時序和硬件響應合理配合的重要性的過程中，采用了一種PLC程序掃描周期的測試方法。但此種測試方法存在不大于一個掃描周期的隨機測試誤差，并且未形成信號閉環，不符合PLC實際工況。在充分分析文獻[5~7]中響應實時性影響因素的基礎上，鑒于文獻[8]中測試方法的弊端，提出一種符合PLC實際工況的循環周期測試方法，并針對此種測試方法的不足，提出了相應的改進措施。

表2 802C集成PLC與S7-200部分配置對比

　　5.1 循環周期時間測試方法

　　本文提出的循環周期測試方法主要利用集成PLC的累加計時器（TONR）的記憶時間功能測量循環周期時間。系統循環周期測量的信號鏈接線路和PLC程序詳見圖6和圖7。Q0.0外接蜂鳴器，Q0.1信號線接入I0.1，形成信號的閉環回路。I0.0鏈接一個開關量信號，作為周期測試的啟動按鍵。按下測試啟動按鍵，計時器T1開始計時， 同時開關量信號沿信號閉環回路傳送，待閉環信號偱行一周，則T1累加記錄集成PLC此循環周期。多次按動啟動按鍵，計時器T1累加記錄多個循環周期時間。當T1循環周期累加值大于周期測量設置時間值時，則蜂鳴器鳴叫，同時T1清零復位。從而實現了多個循環周期的累加測量。

圖6 PLC循環周期測試接線

圖7 系統循環周期時間測定PLC程序

　　循環周期測量結果可采用循環周期的時間上限Tu和時間下限Td的公式，進行多次測量和均值計算，不斷逼近真實值。循環周期時間上限Tu和時間下限Td的計算公式如下：

Tu=t/n,Td=t/(n-1)

　　其中，t為計時器設定時間，n為按鍵次數。

　　PLC循環周期測量隨計時器設定時間值t的增大，按鍵次數n相應提高，所測量出的Tu和Td更接近于PLC的循環周期，所以時間設定值t越大，循環周期的測量精度越高。此循環周期測量方法不僅簡便，而且測量精度相當高，可達到毫秒量級。

　　5.2 循環周期測試方法的改進

　　此循環周期測試方法仍存在按鍵頻率不夠高的弊端，否則出現按鍵次數的誤記錄，導致最終測量結果不正確。為改良這一弊端，可采用中間變量對I0.0和I0.1的信號進行互鎖，并采用計數器進行循環周期次數的記錄。蜂鳴器鳴叫后，采用集成PLC編輯軟件Programming Tool 802運行監視功能讀出計數器中的周期次數。經上述循環周期測量公式計算，即可求出集成PLC的循環周期。

6、結論

　　1）本文在分析西門子802C數控系統的軟硬件結構的基礎上，利用SIEMENS數控系統實驗平臺，對802C數控系統的二次開發技術進行系統化研究，并著重分析系統二次開發技術中的集成PLC的開發技術的意義。

　　2）介紹集成PLC輔助變量的編程方法；在肯定PLC例程庫積極作用的前提下，指出例程庫在應用中存在的弊端。

　　3）通過相關技術指標的對比，證明802C集成PLC S7-200與普通S7-200存在相當大的性能差異，故在集成PLC程序開發時須加以注意。

　　4）在分析相關文獻和測試方法的基礎上，提出一種PLC循環周期的測試方法。此種測試方法簡便，并且計時精度較高；并針對測試方法的弊端，提出了相應的改進措施。

　　5）經濟型數控系統二次開發技術的系統化研究不僅將推動中低端數控機床的普及，滿足中小企業對成本低、效率高、加工精度高、質量穩定的中低端數控機床的迫切需求，而且對具有特殊控制功能的數控設備的開發研究有促進作用。因此，中小型經濟型數控機床控制系統二次開發技術的系統化研究具有重要意義。