帥旗

(廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)電學(xué)院,廣東珠海,519090)

0 前言

數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 840D，是由西門子公司在20世紀(jì)90年代開發(fā)的一款高性能的數(shù)控系統(tǒng)，主要應(yīng)用在加工中心、車銑復(fù)合中心、數(shù)控外圓磨等高精度、高性能的數(shù)控機(jī)床[1，2]。SINUMERIK 840D系統(tǒng)主要由 NCU數(shù)控單元(numerical control unit)、人機(jī)交互裝置(MMC)、可編程序控制器PLC、驅(qū)動(dòng)裝置等部分組成[3]。其中在NCU數(shù)控單元中集成了840D S7-300 PLC中央處理模塊。西門子840D的PLC主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)控機(jī)床的M功能(準(zhǔn)備功能)、S功能(主軸功能)、T功能(刀具控制功能)及如操作面板控制、刀庫(kù)和換刀控制、機(jī)床冷卻潤(rùn)滑控制、報(bào)警及狀態(tài)信息輸出等數(shù)控機(jī)床輔助功能進(jìn)行控制[4]。

1 西門子840D系統(tǒng)S7-300 PLC硬件構(gòu)成

西門子840D系統(tǒng)S7-300 PLC由中央處理單元模塊CPU、電源模塊PS、功能模塊FM、通信模塊CP、接口模塊IM、I/O模塊SM等組成[5]。與西門子通用PLC模塊不同，840D系統(tǒng)S7-300 PLC的CPU中央處理芯片集成在NCU數(shù)控單元(numerical control unit)中，其他模塊與通用PLC模塊類似采用外掛形式連接如圖1所示。每一個(gè)模塊占用安裝槽(Slot)，對(duì)于I/O SM模塊，每個(gè)Slot分配32位的地址，即4個(gè)字節(jié)的地址資源。SM模塊中包含輸入模塊與輸出模塊，輸入模塊中包含若干輸入信號(hào)地址點(diǎn)，輸出模塊也包含若干輸出信號(hào)地址點(diǎn)。每條安裝架(Rack)上可以安裝8個(gè)類似于I/O模塊的功用模塊，即每條Rack上共有8個(gè)4字節(jié)的地址資源。而西門子840D系統(tǒng)S7-300的CPU最大可尋址4個(gè)Rack的范圍。內(nèi)置S7-300的CPU獨(dú)自占用一個(gè)安裝架，將Rack0的資源占用，如機(jī)床控制面板MCP的輸入輸出的地址即占用Rack0的地址資源。對(duì)于機(jī)床的操作面板，有些按鍵的輸入信號(hào)和面板響應(yīng)輸出信號(hào)840D系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行專門定義，具有特定功能。以數(shù)控銑的機(jī)床控制面板為例，用戶可自定義的按鍵輸入信號(hào)地址為I6.1～I(xiàn)6.7及I7.0～I(xiàn)7.7，可自定義的面板輸出信號(hào)地址為Q4.1～Q4.7及Q5.0～Q5.7。其他外部安裝架的以32.0作為起始地址。每個(gè)安裝架有一接口模塊IM，用于安裝架之間的互相連接和信號(hào)傳遞，而Rack1外接安裝架的接口模塊IM與西門子840D系統(tǒng)的接口X111連接，用以這些安裝架與系統(tǒng)進(jìn)行的信號(hào)交換。

圖1 西門子840D PLC外掛模塊

2 西門子840D系統(tǒng)S7-300 PLC的程序結(jié)構(gòu)

西門子840D系統(tǒng)S7-300 PLC程序其指令與西門子通用S7-300 PLC基本相同，可以通過的S7-300 PLC編程工具SIMATIC管理器對(duì)程序進(jìn)行編輯操作。840D系統(tǒng)S7-300 PLC程序主要由塊組成，其中主要塊包括組織塊(OB)、功能子程序(FC)、功能塊(FB)、數(shù)據(jù)塊(DB)、系統(tǒng)功能子程序(SFC)、系統(tǒng)功能塊(SFB)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊(SDB)[6]。其各部分組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，功能子程序和功能塊程序需要通過組織塊進(jìn)行調(diào)用。常見的組織塊包括1)OB1:主程序循環(huán)；2)OB10:時(shí)間中斷和特定時(shí)間中斷；3)OB35:循環(huán)中斷，以固定間隔循環(huán)運(yùn)行；4)OB40:硬件中斷，來(lái)自不同模塊(I/O模塊、CPU、FM模塊)中斷；5)OB100:啟動(dòng)塊，CPU通電或熱啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行一次，執(zhí)行初始化，清零或發(fā)出使能信號(hào)等內(nèi)容。FB1(啟動(dòng))程序在OB100中調(diào)用；FC2(NCK方式組通道)、FC7/8(刀具管理)、FC19/FC25(機(jī)床操作面板)、FC9/15/16/18(機(jī)床軸控制)需要在OB1中調(diào)用的；FC3(基本程序處理報(bào)警)是在OB40中進(jìn)行調(diào)用。

西門子840D系統(tǒng)為用戶提供了一些基本PLC程序塊，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。用戶可使用并進(jìn)行編輯的功能塊包括 FB36～FB255，F(xiàn)C36～FC255，DB90～DB399，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行程序編寫，如防護(hù)門控制、潤(rùn)滑冷卻控制、液壓尾座控制等。

圖2 西門子840D系統(tǒng)S7-300 PLC的程序結(jié)構(gòu)

3 刀具冷卻控制PLC程序應(yīng)用舉例

對(duì)于數(shù)控銑床，采用液體冷卻方式，冷卻系統(tǒng)由液壓泵、冷卻管路、電磁性閥組成。冷卻系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止可采用兩種方式控制:1)手動(dòng)方式，通過機(jī)床控制面板上的按鍵啟動(dòng)；2)通過程序指令方式，如冷卻啟動(dòng)指令M08和冷卻停止指令M09進(jìn)行控制。程序采用功能子程序塊進(jìn)行編寫，功能子程序編號(hào)FC60，可由OB1組織塊進(jìn)行調(diào)用。使用PLC輸出信號(hào)地址Q35.0，用以控制冷卻控制啟停，當(dāng)Q35.0有信號(hào)輸出時(shí)，接通相應(yīng)接觸器啟動(dòng)冷卻液壓泵開始進(jìn)行冷卻，反之Q35.0無(wú)信號(hào)輸出時(shí)，冷卻系統(tǒng)停止運(yùn)行。所選用機(jī)床控制面板按鍵及地址分配如表1所示，操作過程為當(dāng)機(jī)床需要手動(dòng)啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)時(shí)按下機(jī)床面板按鍵T13，使PLC輸出點(diǎn)Q35.0產(chǎn)生輸出信號(hào)，并且對(duì)應(yīng)面板指示燈亮，開啟冷卻。當(dāng)再次按T13鍵時(shí)，Q35.0無(wú)信號(hào)輸出，停止冷卻，面板指示燈滅。當(dāng)機(jī)床處于急停狀態(tài)時(shí)，冷卻系統(tǒng)工作也停止，急?？刂菩盘?hào)在此使用輸入地址I32.1。西門子840D系統(tǒng)所編譯的程序指令可通過系統(tǒng)接口與對(duì)應(yīng)DB數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，如當(dāng)系統(tǒng)編譯到M08指令時(shí)通過系統(tǒng)接口將DB21塊中數(shù)據(jù)位DB21.DBX195.0置“1”，而當(dāng)編譯到M09指令時(shí)，對(duì)應(yīng)將DB21數(shù)據(jù)塊中數(shù)據(jù)位DB21.DBX195.1置“1”。由上所述程所編制的冷卻系統(tǒng)控制PLC程序梯形圖如圖3所示。

表1 冷卻控制機(jī)床操作面板分配

圖3 冷卻系統(tǒng)控制PLC梯形圖

4 結(jié)語(yǔ)

西門子840D系統(tǒng)的S7-300 PLC能方便地進(jìn)行程序編制從而實(shí)現(xiàn)所需的機(jī)床功能控制，但與西門子通用S7-300 PLC比較，其在硬件結(jié)構(gòu)，信號(hào)地址分配，程序編寫等方面有特定要求，需要結(jié)合數(shù)控機(jī)床的具體功能和西門子840D系統(tǒng)的具體定義要求進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)置和程序編寫。

[1]龔仲華.數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修500例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]楊斌.西門子SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)介紹[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2004(06).

[3]西門子數(shù)控公司.SINUMERIK 810D_840D簡(jiǎn)明調(diào)試手冊(cè)[M].北京:西門子數(shù)控公司，2010.

[4]蔣麗.數(shù)控原理與系統(tǒng)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[5]孫承志.西門子S7-200/300/400 PLC基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[6]樂廣軍.西門子840D和S7-300PLC在高速立式加工中心機(jī)床中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息，2009(12).