SINUMERIK 840D數控系統在DH2200數控臥車中的應用
2005/7/14 16:22:00
摘要 本文介紹了SIEMENS全數字直流調速裝置6RA27、S7-300PLC與840D數控系統在數控臥車改造中的運用。分別從硬件的配置、軟件的設計、NC的配置、報警文本編譯、螺距誤差補償和數據備份等幾方面作了詳細地闡述。
關鍵詞：SINUMERIK 840D（數控系統）PLC NCU（數控單元）MMC（人機通訊）
1引言：
DH2200/80-12是我廠90年代初引進的第一臺具有全功能的重型數控臥式車床，主要用于對汽輪機轉子零部件進行精加工，為我廠創造了上億元的產值。但由于電力電子器件的飛速發展和技術的不斷更新，該設備不能適應工廠產品系列化、快速化發展的戰略目標。其具體表現為：原有數控系統880電力電子器件老化嚴重，故障頻繁；且許多主要電器元件現已經淘汰，備件購買困難而且周期長，不易維護；需要專門的編程人員，不能實現資源的共享。因此，對該臥式車床進行全面的電氣改造具有可行性和必要性。
2 SINUMERIK 840D數控系統的組成：
SINUMERIK 840D是一種微處理數字控制系統，用于控制帶數字驅動的機床。由數控及驅動單元(NCU),MMC,PLC模塊三部分組成。
2.1 NCU（Numerical Control Unit）數字控制部件
根據選用硬件如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。
NCU單元中集成有SINUMERIK 840D數控CPU和SIMZTIC PLC CPU芯片，包括相應的數控軟件和PLC控制軟件，并且帶有MPI或PROFIBUS接口，RS232接口，手輪及測量接口，和PCMCIA卡插槽。
2.2 MMC(Man Machine Communication)人機通訊
人機通訊是數控系統和人進行信息交流的通道。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10.4″TFT顯示屏和一個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數控系統應用的是MPI（Multiple Point Interface）總線技術，傳輸速率187.5K/秒，OP單元為這個總線網絡中的一個節點。
2.2.2 MMC計算機
MMC實際上一臺計算機。它有自己獨立的CPU，還可以帶硬盤，帶軟區。OP單元正是這臺計算機上的顯示器，而西門子MMC的控制軟件也在這臺計算機中。西門子公司根據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，對于SINUMERIK 810D
數控系統配MMC102.2，對于SINUMERIK 840D數控系統配MMC103。
2.2.3 MCP 機床操作面板
MCP（Machine Control Panel）是專門為數控機床而配置的操作面板，它是通過MP（Multiple Point Interface）總線技術連接于數控系統。根據應用場合不同，其布局不同，有車床版MCP和銑床版MCP兩種，本次設計采用車床板操作面板。
2.3 PLC模塊
SINUMERIK 840D數控系統的PLC部分使用的是西門子SIMATIC S7-300的軟件及模塊,在同一導軌上從左到右依次是電源(Power Supply)，接口模塊(Interface Module)及信號模塊(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）是用于級之間互連。信號模塊（SM）是用于機床PLC輸入/輸出的模塊，有輸入型和輸出型兩種。
3 硬件設計
DH2200/80-12是一臺具有全功能的重型數控臥式車床。由床頭箱、刀架、尾座、閉式中心架構成機床的主體。鐵屑輸送器、冷卻裝置、液壓油箱、油溫控制器作為機床的輔助設備。該機床采用SINUMERIK 840D數控系統，光柵尺作為位置檢測元件，構成全閉環控制系統。現以刀架的改造為例來闡述840D的應用。
西門子840D系統為當今世界較先進的數控系統，該系統所配的伺服驅動系統為611D數字型驅動系統，所配的交流伺服電動機X、Z軸為1FT6132-6SC71-1AH0。主軸驅動仍保留原來6RA27全數字式直流調速系統。
840D數控系統通過總線與CRT、MCP、MMC103、S7-300和ET-200 PLC相連，具體連接方式見（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接口模塊與信號模塊提供穩定的電源。伺服電源模塊主要為NCU和給611D數字驅動提供控制和動力電源，產生母線電壓，同時監測電源和模塊的狀態。根據容量所選電機的總的容量大于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驅動模塊供電決定于它的脈沖使能信號（端子63與9），控制器使能信號（端子64與9），內部接觸器使能信號（端子48與112），這些使能信號通斷都是通過PLC程序來控制實現的。其上電順序是，內部接觸器使能信號，脈沖使能信號，控制器使能信號。
3.2 MMC人機界面
MMC是人機界面，用于圖形的顯示，數字等的輸入。根據該機床的特點，我們選用OP031(Operation Panel)操作面板，計算機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MPI總線連接，MMC103接口X4與MCP接口X20相連通過MPI多點通信協議與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數控單元
NCU數控單元是CNC控制部件的核心，根據NC和PLC存儲容量的不同，該機床選用NCU572.2系列。NCU數控單元包含NC CPU和PLC CPU，它與MMC、伺服電源模塊、主軸伺服驅動裝置、進給伺服驅動裝置和伺服電機連接。
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，并提供數據發送使能，只有在使能的作用下NCU和MMC之間才能進行數據的接受和發送，同時提供了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進行數據的接受與發送是通過設備總線進行交換的，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與主軸驅動控制模塊（ANA）的連接
主軸驅動模塊與NCU進行數據的接受與發送是通過設備總線進行交換的與驅動總線來實現的，連接方式是NCU接口X172與主軸驅動模塊接口X351相連。
3.3.4 NCU與數字驅動模塊（611D）的連接以X軸為例。
數字驅動模塊對電機轉速大小，定位的控制的數據的交換是通過611D驅動總線接口X341與設備總線接口X151跟NCU驅動總線接口與設備總線接口相連實現的，處理是通過NC（CPU）、PLC（CPU）與MMC（CPU）三者。
3.4 數字驅動模塊（611D）與進給電機連接
本次設計采用全閉環控制，通過伺服電機編碼器和光柵尺作為位置檢測元件與數字驅動模塊（611D）位置接口X411和接口X421，構成全閉環控制系統，實現了對數控機床的精確定位控制。
4 軟件設計
SINUMERIK 840D的軟件設計就是處理NCU和MMC之間，NCU和PLC之間，PLC與MMC之間的接口信號，NC的參數配置（包括各種補償）以及PLC報警文本。NC、PLC和MMC之間既相互獨立，各自負責一部分功能；又相互聯系，彼此交換信息。
4.1 PLC應用程序的設計
硬件連接好后，開始對系統進行PLC程序調試時，必須要求對系統作一次（PLC）總清或總復位。PLC總清完成后，PLC程序即可進行調試。SINUMERIK 840D的PLC使用的是SIMATIC S7-300。故而調試軟件為STEP 7。
PLC總清操作步驟如下：
（1）將PLC啟動開關S4 ——〉 “2”＝＞PS燈會亮。
（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，快速地執行下述操作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PLC的編程功能，PLC程序能夠對NCU、機床及機床控制面板的信號進行處理，同時實現對急停信號與超程信號的實時監控，完成對坐標軸的定位控制。
4.1 .1 S7-300硬件配置
S7-300硬件組態在硬件配置窗口中完成。光標點擊STATION目錄級，選擇“Hardware”圖標，進入硬件配置窗口。
（1）組態 在硬件組態的站窗口中分配機架，可分布式I/O，可以從硬件目中選擇部件。
（2）參數分配 建立可分配參數模塊的特性，如：啟動特性，保持區等。
（3）設定組態 設定好的硬件組態和參數分配，需下載到CPU中去，
選擇菜單“PLC”——〉 “DOWNLOAD”。
（4）實際組態 已存在硬件中的實際組態和參數分配。可以從CPU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控PLC基本程序，用戶可以根據實際情況調 用這些標準功能塊即可，而被系統占用的功能塊不能再被編輯，一般用戶可使用FB36—FB255，FC36—FC25基本程序由TOOLBOX工具提供，執行TOOLBOX中INSTALL.EXE文件，系統自動安裝GP8XOD-X文件集合到STEP下的‘S7 LIBS”目錄中，使用時打開基本程序項目庫，將
BLOCK目錄下的基本程序塊拷貝到用戶自建的項目BLOCK目錄下。
基本程序項目庫由組織塊（OB），功能（FC），功能塊（FB）三種邏輯塊和數據塊（DB）構成。OB1為CPU循環掃描時間內唯一掃描的主程序，FC或FB被CPU執行的條件是必須是在組織塊（OB）中被調用，同時FB和FC也能實現子程序的嵌套。
FB與FC的區別在與它們的變量聲明表中能夠定義的參數類型不同。當FC的程序執行完成后，FC的參數不能被保存；當FB的程序執行完成后，FB的參數能被保存。在OB1中調用FC時，只需直接調用，如：CALL FC1；而調用FB時，必須為其分配一個背景數據塊，用來保存FB的參數，如：CALL FB1，DB7。背景數據塊的數據格式與相應FB的變量聲明表的數據格式相同，不允許用戶進行修改。
關鍵詞：SINUMERIK 840D（數控系統）PLC NCU（數控單元）MMC（人機通訊）
1引言：
DH2200/80-12是我廠90年代初引進的第一臺具有全功能的重型數控臥式車床，主要用于對汽輪機轉子零部件進行精加工，為我廠創造了上億元的產值。但由于電力電子器件的飛速發展和技術的不斷更新，該設備不能適應工廠產品系列化、快速化發展的戰略目標。其具體表現為：原有數控系統880電力電子器件老化嚴重，故障頻繁；且許多主要電器元件現已經淘汰，備件購買困難而且周期長，不易維護；需要專門的編程人員，不能實現資源的共享。因此，對該臥式車床進行全面的電氣改造具有可行性和必要性。
2 SINUMERIK 840D數控系統的組成：
SINUMERIK 840D是一種微處理數字控制系統，用于控制帶數字驅動的機床。由數控及驅動單元(NCU),MMC,PLC模塊三部分組成。
2.1 NCU（Numerical Control Unit）數字控制部件
根據選用硬件如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。
NCU單元中集成有SINUMERIK 840D數控CPU和SIMZTIC PLC CPU芯片，包括相應的數控軟件和PLC控制軟件，并且帶有MPI或PROFIBUS接口，RS232接口，手輪及測量接口，和PCMCIA卡插槽。
2.2 MMC(Man Machine Communication)人機通訊
人機通訊是數控系統和人進行信息交流的通道。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10.4″TFT顯示屏和一個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數控系統應用的是MPI（Multiple Point Interface）總線技術，傳輸速率187.5K/秒，OP單元為這個總線網絡中的一個節點。
2.2.2 MMC計算機
MMC實際上一臺計算機。它有自己獨立的CPU，還可以帶硬盤，帶軟區。OP單元正是這臺計算機上的顯示器，而西門子MMC的控制軟件也在這臺計算機中。西門子公司根據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，對于SINUMERIK 810D
數控系統配MMC102.2，對于SINUMERIK 840D數控系統配MMC103。
2.2.3 MCP 機床操作面板
MCP（Machine Control Panel）是專門為數控機床而配置的操作面板，它是通過MP（Multiple Point Interface）總線技術連接于數控系統。根據應用場合不同，其布局不同，有車床版MCP和銑床版MCP兩種，本次設計采用車床板操作面板。
2.3 PLC模塊
SINUMERIK 840D數控系統的PLC部分使用的是西門子SIMATIC S7-300的軟件及模塊,在同一導軌上從左到右依次是電源(Power Supply)，接口模塊(Interface Module)及信號模塊(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）是用于級之間互連。信號模塊（SM）是用于機床PLC輸入/輸出的模塊，有輸入型和輸出型兩種。
3 硬件設計
DH2200/80-12是一臺具有全功能的重型數控臥式車床。由床頭箱、刀架、尾座、閉式中心架構成機床的主體。鐵屑輸送器、冷卻裝置、液壓油箱、油溫控制器作為機床的輔助設備。該機床采用SINUMERIK 840D數控系統，光柵尺作為位置檢測元件，構成全閉環控制系統。現以刀架的改造為例來闡述840D的應用。
西門子840D系統為當今世界較先進的數控系統，該系統所配的伺服驅動系統為611D數字型驅動系統，所配的交流伺服電動機X、Z軸為1FT6132-6SC71-1AH0。主軸驅動仍保留原來6RA27全數字式直流調速系統。
840D數控系統通過總線與CRT、MCP、MMC103、S7-300和ET-200 PLC相連，具體連接方式見（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接口模塊與信號模塊提供穩定的電源。伺服電源模塊主要為NCU和給611D數字驅動提供控制和動力電源，產生母線電壓，同時監測電源和模塊的狀態。根據容量所選電機的總的容量大于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驅動模塊供電決定于它的脈沖使能信號（端子63與9），控制器使能信號（端子64與9），內部接觸器使能信號（端子48與112），這些使能信號通斷都是通過PLC程序來控制實現的。其上電順序是，內部接觸器使能信號，脈沖使能信號，控制器使能信號。
3.2 MMC人機界面
MMC是人機界面，用于圖形的顯示，數字等的輸入。根據該機床的特點，我們選用OP031(Operation Panel)操作面板，計算機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MPI總線連接，MMC103接口X4與MCP接口X20相連通過MPI多點通信協議與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數控單元
NCU數控單元是CNC控制部件的核心，根據NC和PLC存儲容量的不同，該機床選用NCU572.2系列。NCU數控單元包含NC CPU和PLC CPU，它與MMC、伺服電源模塊、主軸伺服驅動裝置、進給伺服驅動裝置和伺服電機連接。
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，并提供數據發送使能，只有在使能的作用下NCU和MMC之間才能進行數據的接受和發送，同時提供了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進行數據的接受與發送是通過設備總線進行交換的，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與主軸驅動控制模塊（ANA）的連接
主軸驅動模塊與NCU進行數據的接受與發送是通過設備總線進行交換的與驅動總線來實現的，連接方式是NCU接口X172與主軸驅動模塊接口X351相連。
3.3.4 NCU與數字驅動模塊（611D）的連接以X軸為例。
數字驅動模塊對電機轉速大小，定位的控制的數據的交換是通過611D驅動總線接口X341與設備總線接口X151跟NCU驅動總線接口與設備總線接口相連實現的，處理是通過NC（CPU）、PLC（CPU）與MMC（CPU）三者。
3.4 數字驅動模塊（611D）與進給電機連接
本次設計采用全閉環控制，通過伺服電機編碼器和光柵尺作為位置檢測元件與數字驅動模塊（611D）位置接口X411和接口X421，構成全閉環控制系統，實現了對數控機床的精確定位控制。
4 軟件設計
SINUMERIK 840D的軟件設計就是處理NCU和MMC之間，NCU和PLC之間，PLC與MMC之間的接口信號，NC的參數配置（包括各種補償）以及PLC報警文本。NC、PLC和MMC之間既相互獨立，各自負責一部分功能；又相互聯系，彼此交換信息。
4.1 PLC應用程序的設計
硬件連接好后，開始對系統進行PLC程序調試時，必須要求對系統作一次（PLC）總清或總復位。PLC總清完成后，PLC程序即可進行調試。SINUMERIK 840D的PLC使用的是SIMATIC S7-300。故而調試軟件為STEP 7。
PLC總清操作步驟如下：
（1）將PLC啟動開關S4 ——〉 “2”＝＞PS燈會亮。
（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，快速地執行下述操作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PLC的編程功能，PLC程序能夠對NCU、機床及機床控制面板的信號進行處理，同時實現對急停信號與超程信號的實時監控，完成對坐標軸的定位控制。
4.1 .1 S7-300硬件配置
S7-300硬件組態在硬件配置窗口中完成。光標點擊STATION目錄級，選擇“Hardware”圖標，進入硬件配置窗口。
（1）組態 在硬件組態的站窗口中分配機架，可分布式I/O，可以從硬件目中選擇部件。
（2）參數分配 建立可分配參數模塊的特性，如：啟動特性，保持區等。
（3）設定組態 設定好的硬件組態和參數分配，需下載到CPU中去，
選擇菜單“PLC”——〉 “DOWNLOAD”。
（4）實際組態 已存在硬件中的實際組態和參數分配。可以從CPU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控PLC基本程序，用戶可以根據實際情況調 用這些標準功能塊即可，而被系統占用的功能塊不能再被編輯，一般用戶可使用FB36—FB255，FC36—FC25基本程序由TOOLBOX工具提供，執行TOOLBOX中INSTALL.EXE文件，系統自動安裝GP8XOD-X文件集合到STEP下的‘S7 LIBS”目錄中，使用時打開基本程序項目庫，將
BLOCK目錄下的基本程序塊拷貝到用戶自建的項目BLOCK目錄下。
基本程序項目庫由組織塊（OB），功能（FC），功能塊（FB）三種邏輯塊和數據塊（DB）構成。OB1為CPU循環掃描時間內唯一掃描的主程序，FC或FB被CPU執行的條件是必須是在組織塊（OB）中被調用，同時FB和FC也能實現子程序的嵌套。
FB與FC的區別在與它們的變量聲明表中能夠定義的參數類型不同。當FC的程序執行完成后，FC的參數不能被保存；當FB的程序執行完成后，FB的參數能被保存。在OB1中調用FC時，只需直接調用，如：CALL FC1；而調用FB時，必須為其分配一個背景數據塊，用來保存FB的參數，如：CALL FB1，DB7。背景數據塊的數據格式與相應FB的變量聲明表的數據格式相同，不允許用戶進行修改。
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