摘要 本文介紹了SIEMENS全數(shù)字直流調(diào)速裝置6RA27、S7-300PLC與840D數(shù)控系統(tǒng)在數(shù)控臥車改造中的運(yùn)用。分別從硬件的配置、軟件的設(shè)計(jì)、NC的配置、報(bào)警文本編譯、螺距誤差補(bǔ)償和數(shù)據(jù)備份等幾方面作了詳細(xì)地闡述。
關(guān)鍵詞：SINUMERIK 840D（數(shù)控系統(tǒng)）PLC NCU（數(shù)控單元）MMC（人機(jī)通訊）

1引言：

DH2200/80-12是我廠90年代初引進(jìn)的第一臺(tái)具有全功能的重型數(shù)控臥式車床，主要用于對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子零部件進(jìn)行精加工，為我廠創(chuàng)造了上億元的產(chǎn)值。但由于電力電子器件的飛速發(fā)展和技術(shù)的不斷更新，該設(shè)備不能適應(yīng)工廠產(chǎn)品系列化、快速化發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。其具體表現(xiàn)為：原有數(shù)控系統(tǒng)880電力電子器件老化嚴(yán)重，故障頻繁；且許多主要電器元件現(xiàn)已經(jīng)淘汰，備件購(gòu)買困難而且周期長(zhǎng)，不易維護(hù)；需要專門的編程人員，不能實(shí)現(xiàn)資源的共享。因此，對(duì)該臥式車床進(jìn)行全面的電氣改造具有可行性和必要性。

2 SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的組成：

SINUMERIK 840D是一種微處理數(shù)字控制系統(tǒng)，用于控制帶數(shù)字驅(qū)動(dòng)的機(jī)床。由數(shù)控及驅(qū)動(dòng)單元(NCU),MMC,PLC模塊三部分組成。

2.1 NCU（Numerical Control Unit）數(shù)字控制部件

根據(jù)選用硬件如CPU芯片等和功能配置的不同，NCU分為NCU561.2，NCU571.2 NCU572.2，NCU573.2（12軸），和NCU573.2（32軸）等若干種型號(hào)。




NCU單元中集成有SINUMERIK 840D數(shù)控CPU和SIMZTIC PLC CPU芯片，包括相應(yīng)的數(shù)控軟件和PLC控制軟件，并且?guī)в蠱PI或PROFIBUS接口，RS232接口，手輪及測(cè)量接口，和PCMCIA卡插槽。

2.2 MMC(Man Machine Communication)人機(jī)通訊

人機(jī)通訊是數(shù)控系統(tǒng)和人進(jìn)行信息交流的通道。包括三部分: OP(Operation Panel),MMC,MCP。

2.2.1 OP 操作面板

OP(Operation Panel)單元一般包括一個(gè)10.4″TFT顯示屏和一個(gè)NC鍵盤，因此OP單元和MMC建立起SINUMERIK 840D與操作者之間的交換界面。建立的條件是SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用的是MPI（Multiple Point Interface）總線技術(shù)，傳輸速率187.5K/秒，OP單元為這個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2.2 MMC計(jì)算機(jī)

MMC實(shí)際上一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它有自己獨(dú)立的CPU，還可以帶硬盤，帶軟區(qū)。OP單元正是這臺(tái)計(jì)算機(jī)上的顯示器，而西門子MMC的控制軟件也在這臺(tái)計(jì)算機(jī)中。西門子公司根據(jù)不同的用戶制造了不同檔次的MMC，一般最常用的有MMC102.2及MMC103，對(duì)于SINUMERIK 810D
數(shù)控系統(tǒng)配MMC102.2，對(duì)于SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)配MMC103。

2.2.3 MCP 機(jī)床操作面板

MCP（Machine Control Panel）是專門為數(shù)控機(jī)床而配置的操作面板，它是通過(guò)MP（Multiple Point Interface）總線技術(shù)連接于數(shù)控系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，其布局不同，有車床版MCP和銑床版MCP兩種，本次設(shè)計(jì)采用車床板操作面板。

2.3 PLC模塊

SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的PLC部分使用的是西門子SIMATIC S7-300的軟件及模塊,在同一導(dǎo)軌上從左到右依次是電源(Power Supply)，接口模塊(Interface Module)及信號(hào)模塊(Signal Module)。PLC的CPU與NC的CPU是集成在NCU中的。 電源模塊（PS）是為PLC和NC提供電源+24V和+5V。接口模塊（IM）是用于級(jí)之間互連。信號(hào)模塊（SM）是用于機(jī)床PLC輸入/輸出的模塊，有輸入型和輸出型兩種。

3 硬件設(shè)計(jì)

DH2200/80-12是一臺(tái)具有全功能的重型數(shù)控臥式車床。由床頭箱、刀架、尾座、閉式中心架構(gòu)成機(jī)床的主體。鐵屑輸送器、冷卻裝置、液壓油箱、油溫控制器作為機(jī)床的輔助設(shè)備。該機(jī)床采用SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)，光柵尺作為位置檢測(cè)元件，構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)以刀架的改造為例來(lái)闡述840D的應(yīng)用。

西門子840D系統(tǒng)為當(dāng)今世界較先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)所配的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為611D數(shù)字型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所配的交流伺服電動(dòng)機(jī)X、Z軸為1FT6132-6SC71-1AH0。主軸驅(qū)動(dòng)仍保留原來(lái)6RA27全數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)。

840D數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)總線與CRT、MCP、MMC103、S7-300和ET-200 PLC相連，具體連接方式見(jiàn)（硬件連接總框圖1）




3.1 SITOP電源和伺服電源模塊

SITOP電源為MMC和PLC接口模塊與信號(hào)模塊提供穩(wěn)定的電源。伺服電源模塊主要為NCU和給611D數(shù)字驅(qū)動(dòng)提供控制和動(dòng)力電源，產(chǎn)生母線電壓，同時(shí)監(jiān)測(cè)電源和模塊的狀態(tài)。根據(jù)容量所選電機(jī)的總的容量大于15KW以上，所以選用帶有饋入裝置的電源模塊I/RF系列。伺服電源饋入模塊能否給611D驅(qū)動(dòng)模塊供電決定于它的脈沖使能信號(hào)（端子63與9），控制器使能信號(hào)（端子64與9），內(nèi)部接觸器使能信號(hào)（端子48與112），這些使能信號(hào)通斷都是通過(guò)PLC程序來(lái)控制實(shí)現(xiàn)的。其上電順序是，內(nèi)部接觸器使能信號(hào)，脈沖使能信號(hào)，控制器使能信號(hào)。

3.2 MMC人機(jī)界面

MMC是人機(jī)界面，用于圖形的顯示，數(shù)字等的輸入。根據(jù)該機(jī)床的特點(diǎn)，我們選用OP031(Operation Panel)操作面板，計(jì)算機(jī)CPU為奔藤，可硬盤的MMC103系列，MCP選用車床版系列。三者之間的通信方式是這樣的：MMC103接口X3與OP031通過(guò)MPI總線連接，MMC103接口X4與MCP接口X20相連通過(guò)MPI多點(diǎn)通信協(xié)議與NCU接口X101連接。MMC接口X1與MCP接口X10跟SITOP電源相連，SITOP電源為它們工作提供恒定電源。

3.3 NCU數(shù)控單元

NCU數(shù)控單元是CNC控制部件的核心，根據(jù)NC和PLC存儲(chǔ)容量的不同，該機(jī)床選用NCU572.2系列。NCU數(shù)控單元包含NC CPU和PLC CPU，它與MMC、伺服電源模塊、主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置、進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置和伺服電機(jī)連接。

3.3.1 NCU和MMC的連接

NCU接口X101和MMC接口X3相連，為MMC提供DC24V電源，并提供數(shù)據(jù)發(fā)送使能，只有在使能的作用下NCU和MMC之間才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送，同時(shí)提供了LCD幀頻和LCD鐘頻。

3.3.2 NCU和伺服電源模塊連接

電源模塊與NCU進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送是通過(guò)設(shè)備總線進(jìn)行交換的，連接方式是NCU接口X172與伺服電源模塊接口X351相連。

3.3.3 NCU與主軸驅(qū)動(dòng)控制模塊（ANA）的連接

主軸驅(qū)動(dòng)模塊與NCU進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送是通過(guò)設(shè)備總線進(jìn)行交換的與驅(qū)動(dòng)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，連接方式是NCU接口X172與主軸驅(qū)動(dòng)模塊接口X351相連。

3.3.4 NCU與數(shù)字驅(qū)動(dòng)模塊（611D）的連接以X軸為例。

數(shù)字驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速大小，定位的控制的數(shù)據(jù)的交換是通過(guò)611D驅(qū)動(dòng)總線接口X341與設(shè)備總線接口X151跟NCU驅(qū)動(dòng)總線接口與設(shè)備總線接口相連實(shí)現(xiàn)的，處理是通過(guò)NC（CPU）、PLC（CPU）與MMC（CPU）三者。

3.4 數(shù)字驅(qū)動(dòng)模塊（611D）與進(jìn)給電機(jī)連接

本次設(shè)計(jì)采用全閉環(huán)控制，通過(guò)伺服電機(jī)編碼器和光柵尺作為位置檢測(cè)元件與數(shù)字驅(qū)動(dòng)模塊（611D）位置接口X411和接口X421，構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)控機(jī)床的精確定位控制。

4 軟件設(shè)計(jì)

SINUMERIK 840D的軟件設(shè)計(jì)就是處理NCU和MMC之間，NCU和PLC之間，PLC與MMC之間的接口信號(hào)，NC的參數(shù)配置（包括各種補(bǔ)償）以及PLC報(bào)警文本。NC、PLC和MMC之間既相互獨(dú)立，各自負(fù)責(zé)一部分功能；又相互聯(lián)系，彼此交換信息。

4.1 PLC應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

硬件連接好后，開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PLC程序調(diào)試時(shí)，必須要求對(duì)系統(tǒng)作一次（PLC）總清或總復(fù)位。PLC總清完成后，PLC程序即可進(jìn)行調(diào)試。SINUMERIK 840D的PLC使用的是SIMATIC S7-300。故而調(diào)試軟件為STEP 7。
PLC總清操作步驟如下：
（1）將PLC啟動(dòng)開(kāi)關(guān)S4 ——〉 “2”＝＞PS燈會(huì)亮。
（2）S4 ——〉 “3”并保持約3秒直到PS燈再次亮；＝＞PS燈滅了又在亮。
（3）3秒之內(nèi)，快速地執(zhí)行下述操作S4“2”——〉 “3” ——〉 “2”；＝＞PS燈先閃，后又亮，PF燈亮。
（4）等PS和PF燈亮了，S4——〉 “0”PS和PF燈滅，而PR燈亮。

通過(guò)PLC的編程功能，PLC程序能夠?qū)CU、機(jī)床及機(jī)床控制面板的信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)急停信號(hào)與超程信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，完成對(duì)坐標(biāo)軸的定位控制。

4.1 .1 S7-300硬件配置

S7-300硬件組態(tài)在硬件配置窗口中完成。光標(biāo)點(diǎn)擊STATION目錄級(jí)，選擇“Hardware”圖標(biāo)，進(jìn)入硬件配置窗口。
（1）組態(tài) 在硬件組態(tài)的站窗口中分配機(jī)架，可分布式I/O，可以從硬件目中選擇部件。
（2）參數(shù)分配 建立可分配參數(shù)模塊的特性，如：?jiǎn)?dòng)特性，保持區(qū)等。
（3）設(shè)定組態(tài) 設(shè)定好的硬件組態(tài)和參數(shù)分配，需下載到CPU中去，
選擇菜單“PLC”——〉 “DOWNLOAD”。
（4）實(shí)際組態(tài) 已存在硬件中的實(shí)際組態(tài)和參數(shù)分配?？梢詮腃PU直接上傳到PC。選擇菜單“PLC”——〉 “UPLOAD”。

4.1 .2 PLC基本程序

西門子提供了一些數(shù)控PLC基本程序，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào) 用這些標(biāo)準(zhǔn)功能塊即可，而被系統(tǒng)占用的功能塊不能再被編輯，一般用戶可使用FB36—FB255，F(xiàn)C36—FC25基本程序由TOOLBOX工具提供，執(zhí)行TOOLBOX中INSTALL.EXE文件，系統(tǒng)自動(dòng)安裝GP8XOD-X文件集合到STEP下的‘S7 LIBS”目錄中，使用時(shí)打開(kāi)基本程序項(xiàng)目庫(kù)，將
BLOCK目錄下的基本程序塊拷貝到用戶自建的項(xiàng)目BLOCK目錄下。
基本程序項(xiàng)目庫(kù)由組織塊（OB），功能（FC），功能塊（FB）三種邏輯塊和數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。OB1為CPU循環(huán)掃描時(shí)間內(nèi)唯一掃描的主程序，F(xiàn)C或FB被CPU執(zhí)行的條件是必須是在組織塊（OB）中被調(diào)用，同時(shí)FB和FC也能實(shí)現(xiàn)子程序的嵌套。

FB與FC的區(qū)別在與它們的變量聲明表中能夠定義的參數(shù)類型不同。當(dāng)FC的程序執(zhí)行完成后，F(xiàn)C的參數(shù)不能被保存；當(dāng)FB的程序執(zhí)行完成后，F(xiàn)B的參數(shù)能被保存。在OB1中調(diào)用FC時(shí)，只需直接調(diào)用，如：CALL FC1；而調(diào)用FB時(shí)，必須為其分配一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊，用來(lái)保存FB的參數(shù)，如：CALL FB1，DB7。背景數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)格式與相應(yīng)FB的變量聲明表的數(shù)據(jù)格式相同，不允許用戶進(jìn)行修改。