基于西門子840D系統的數控機床PLC應用

帥旗

(廣東科學技術職業學院機電學院,廣東珠海,519090)

0 前言

數控系統SINUMERIK 840D，是由西門子公司在20世紀90年代開發的一款高性能的數控系統，主要應用在加工中心、車銑復合中心、數控外圓磨等高精度、高性能的數控機床[1，2]。SINUMERIK 840D系統主要由 NCU數控單元(numerical control unit)、人機交互裝置(MMC)、可編程序控制器PLC、驅動裝置等部分組成[3]。其中在NCU數控單元中集成了840D S7-300 PLC中央處理模塊。西門子840D的PLC主要負責對數控機床的M功能(準備功能)、S功能(主軸功能)、T功能(刀具控制功能)及如操作面板控制、刀庫和換刀控制、機床冷卻潤滑控制、報警及狀態信息輸出等數控機床輔助功能進行控制[4]。

1 西門子840D系統S7-300 PLC硬件構成

西門子840D系統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S7-300 PLC的CPU中央處理芯片集成在NCU數控單元(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。每一個模塊占用安裝槽(Slot)，對于I/O SM模塊，每個Slot分配32位的地址，即4個字節的地址資源。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地址點，輸出模塊也包含若干輸出信號地址點。每條安裝架(Rack)上可以安裝8個類似于I/O模塊的功用模塊，即每條Rack上共有8個4字節的地址資源。而西門子840D系統S7-300的CPU最大可尋址4個Rack的范圍。內置S7-300的CPU獨自占用一個安裝架，將Rack0的資源占用，如機床控制面板MCP的輸入輸出的地址即占用Rack0的地址資源。對于機床的操作面板，有些按鍵的輸入信號和面板響應輸出信號840D系統已經進行專門定義，具有特定功能。以數控銑的機床控制面板為例，用戶可自定義的按鍵輸入信號地址為I6.1～I6.7及I7.0～I7.7，可自定義的面板輸出信號地址為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傳遞，而Rack1外接安裝架的接口模塊IM與西門子840D系統的接口X111連接，用以這些安裝架與系統進行的信號交換。

圖1 西門子840D PLC外掛模塊

2 西門子840D系統S7-300 PLC的程序結構

西門子840D系統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管理器對程序進行編輯操作。840D系統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)、數據塊(DB)、系統功能子程序(SFC)、系統功能塊(SFB)、系統數據塊(SDB)[6]。其各部分組成結構如圖2所示，功能子程序和功能塊程序需要通過組織塊進行調用。常見的組織塊包括1)OB1:主程序循環；2)OB10:時間中斷和特定時間中斷；3)OB35:循環中斷，以固定間隔循環運行；4)OB40:硬件中斷，來自不同模塊(I/O模塊、CPU、FM模塊)中斷；5)OB100:啟動塊，CPU通電或熱啟動時執行一次，執行初始化，清零或發出使能信號等內容。FB1(啟動)程序在OB100中調用；FC2(NCK方式組通道)、FC7/8(刀具管理)、FC19/FC25(機床操作面板)、FC9/15/16/18(機床軸控制)需要在OB1中調用的；FC3(基本程序處理報警)是在OB40中進行調用。

西門子840D系統為用戶提供了一些基本PLC程序塊，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。用戶可使用并進行編輯的功能塊包括 FB36～FB255，FC36～FC255，DB90～DB399，用戶可以根據實際需要進行程序編寫，如防護門控制、潤滑冷卻控制、液壓尾座控制等。

圖2 西門子840D系統S7-300 PLC的程序結構

3 刀具冷卻控制PLC程序應用舉例

對于數控銑床，采用液體冷卻方式，冷卻系統由液壓泵、冷卻管路、電磁性閥組成。冷卻系統的啟動和停止可采用兩種方式控制:1)手動方式，通過機床控制面板上的按鍵啟動；2)通過程序指令方式，如冷卻啟動指令M08和冷卻停止指令M09進行控制。程序采用功能子程序塊進行編寫，功能子程序編號FC60，可由OB1組織塊進行調用。使用PLC輸出信號地址Q35.0，用以控制冷卻控制啟停，當Q35.0有信號輸出時，接通相應接觸器啟動冷卻液壓泵開始進行冷卻，反之Q35.0無信號輸出時，冷卻系統停止運行。所選用機床控制面板按鍵及地址分配如表1所示，操作過程為當機床需要手動啟動冷卻系統時按下機床面板按鍵T13，使PLC輸出點Q35.0產生輸出信號，并且對應面板指示燈亮，開啟冷卻。當再次按T13鍵時，Q35.0無信號輸出，停止冷卻，面板指示燈滅。當機床處于急停狀態時，冷卻系統工作也停止，急停控制信號在此使用輸入地址I32.1。西門子840D系統所編譯的程序指令可通過系統接口與對應DB數據塊中的數據進行對應，如當系統編譯到M08指令時通過系統接口將DB21塊中數據位DB21.DBX195.0置“1”，而當編譯到M09指令時，對應將DB21數據塊中數據位DB21.DBX195.1置“1”。由上所述程所編制的冷卻系統控制PLC程序梯形圖如圖3所示。

表1 冷卻控制機床操作面板分配

圖3 冷卻系統控制PLC梯形圖

4 結語

西門子840D系統的S7-300 PLC能方便地進行程序編制從而實現所需的機床功能控制，但與西門子通用S7-300 PLC比較，其在硬件結構，信號地址分配，程序編寫等方面有特定要求，需要結合數控機床的具體功能和西門子840D系統的具體定義要求進行數據設置和程序編寫。

[1]龔仲華.數控機床故障診斷與維修500例[M].北京:機械工業出版社，2005.

[2]楊斌.西門子SINUMERIK 840D數控系統介紹[J].CAD/CAM與制造業信息化，2004(06).

[3]西門子數控公司.SINUMERIK 810D_840D簡明調試手冊[M].北京:西門子數控公司，2010.

[4]蔣麗.數控原理與系統[M].北京:國防工業出版社，2007.

[5]孫承志.西門子S7-200/300/400 PLC基礎與應用技術[M].北京:機械工業出版社，2005.

[6]樂廣軍.西門子840D和S7-300PLC在高速立式加工中心機床中的應用[J].現代經濟信息，2009(12).