基于現(xiàn)場總線技術(shù)的數(shù)控機床通信系統(tǒng)設(shè)計

張愛紅

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫 214121)

隨著制造業(yè)信息化、自動化、智能化應(yīng)用的要求，機床網(wǎng)絡(luò)制造、信息集成已成為制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)場總線(FieldBus)是信息數(shù)字化、控制分散化、開放互操作性的一種通信方式，其中PROFIBUS 是世界上工業(yè)自動化等領(lǐng)域應(yīng)用最成功的現(xiàn)場總線之一［1］。相對于西門子PROFIBUS 總線的廣泛應(yīng)用而言，目前國內(nèi)市場占有率較高的FANUC 數(shù)控系統(tǒng)有關(guān)PROFIBUS 的應(yīng)用不多，可以參考的文獻更少。在某學(xué)院智能工廠開發(fā)過程中，通過為配置FANUC 0i D 雙插槽CNC 系統(tǒng)的數(shù)控機床擴展PROFIBUS DP 板卡，與SIMATIC PLC 組成PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了西門子PLC 與FANUC CNC 間控制指令、運行狀態(tài)等信息的雙向傳遞。

1 系統(tǒng)開發(fā)

數(shù)控系統(tǒng)PROFIBUS 擴展板卡分為主控板與從控板兩種［2］，安裝的軟件也不相同。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)為從站時，網(wǎng)絡(luò)通信組態(tài)比較方便。從站配置一般可直接在數(shù)控機床上完成，包括設(shè)定站號、輸入/輸出數(shù)據(jù)區(qū)，配置完成后將FANUC CNC 從站GSD 文件、從站號、輸入/輸出的地址偏移和信號定義等提供給主站系統(tǒng)，是制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)實時獲取機床信息的重要保證。

1.1 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)開發(fā)時以西門子S7 300 PLC (CPU 313C-2DP)為主站，數(shù)控車床、加工中心等為從站，從站均配置FANUC 0i D 雙插槽數(shù)控單元并安裝PROFIBUS DP 從站板(A20B-8101-0100)及功能軟件。主站向從站發(fā)送使能控制，啟動運行，停止、復(fù)位等命令，接收從站反饋信息，包括:機床運行狀態(tài)，當(dāng)前運行的程序號，主軸與進給軸的速度與電流反饋值、故障報警代碼等，可應(yīng)用STEP 7 V5.5 編程軟件進行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖

1.2 機床側(cè)PMC 程序修改與通信設(shè)置

1.2.1 PMC 程序與數(shù)據(jù)區(qū)的修改

機床側(cè)PMC 程序與DATA 數(shù)據(jù)區(qū)的修改設(shè)計是實現(xiàn)SIMATIC PLC 對FANUC 數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控的關(guān)鍵。其中輸入/輸出信號的定義非常重要，如果定義錯誤，可能造成嚴(yán)重的事故。考慮到不同機床PMC 內(nèi)部R信號定義不同，在PMC 修改過程中要綜合考慮監(jiān)控信號數(shù)量與機床空閑R 地址區(qū)，要注意R 輸入/輸出區(qū)域的定義不能交叉重疊。以紐威數(shù)控車床為例，將R40 信號(1 字節(jié))定義為輸入地址，用于使能、復(fù)位等外部控制，而將R50～R69 (20 字節(jié))定義為輸出地址，用于機床狀態(tài)的信號反饋。

(1)輸入信號的梯形圖程序

R 輸入信號以“使能控制”為例。機床側(cè)地址為R40.0，由主站PLC 發(fā)送1 s 脈沖，R40.0 接通后R50.0 線圈(輸出信號:機床使能狀態(tài)信號)通電并保持。而R532.0 為?！?”邏輯，故G8.0 (所有軸互鎖信號:* IT)、G130.0、G130.1 (軸1、2 互鎖信號)信號均接通，機床伺服軸運行使能。除此外，信號R50.0 的常開觸點還串接到了存儲器保護信號G46.3～G46.6 (KEY1～KEY4)、G7.2 (自動運行啟動信號:ST)、G29.6 (主軸停止信號:*SSTP)、刀架子程序調(diào)用(SUB65:CALL)等控制回路中。常閉觸點串接到了自定義的報警信號A5.0(2050 ENABLE FIRST)驅(qū)動回路中，機床啟動后若無使能信號，則有“2050 ENABLE FIRST”故障信息提示。為了確保手動模式下機床軸停止，通過檢查參數(shù)3003 的第0、2 位，確保為“0”。部分修改后的梯圖程序如圖2 所示。

圖2 “使能控制”部分梯形圖程序

(2)輸出信號的梯形圖程序

R 輸出信號，從R50.0 開始，主要用于機床狀態(tài)的監(jiān)控，包括:遠程使能狀態(tài)(R50.0)、本機使能狀態(tài) (R50.1)、自動運行中 (R50.2)、機床報警(R50.3)、用戶報警號 (R54～R57)、主軸轉(zhuǎn)速(R51、R52)、當(dāng)前刀具號 (R53)、當(dāng)前程序號(R58、R59)、進給軸的合成速度(R60、R61)、主軸負載信息(R62、R63)、伺服軸負載信息(R64～R69)等，其中主軸與伺服軸負載信息反映了主軸與進給軸伺服電機電流的大小，是機床運行監(jiān)控時較為重要的指標(biāo)。

對于機床使能狀態(tài)、機床報警等信號的監(jiān)控，程序修改較為容易，直接讀取或并入一路輸出信號即可，但對于當(dāng)前加工程序號、主軸與進給軸的運行速度、負載等信息的監(jiān)控需要應(yīng)用FANUC PMC 的窗口功能［3］，并修改PMC 參數(shù)DATA 數(shù)據(jù)區(qū)。

以讀取當(dāng)前程序號(功能代碼24)為例，如圖3 所示。首先在PMC 數(shù)據(jù)表控制畫面中增加新組，此例為第11 組。數(shù)據(jù)表起始地址為D400;參數(shù)取00000000，第0 位為“0”，表示采用二進制格式;數(shù)據(jù)類型為“1”時的數(shù)據(jù)大小為2 字節(jié);該組共7 個數(shù)據(jù)，占用14 字節(jié)空間。然后在數(shù)據(jù)表參數(shù)畫面找到D400 地址，輸入功能代碼“24”。上述設(shè)置完成后，編寫PMC 程序。由于讀當(dāng)前程序號為高速窗口功能，因此窗口指令的ACT 可以采用R532.0 ?！?”信號驅(qū)動。讀取的程序號實時存入D410 開始的2 字節(jié)地址內(nèi)，并通過MOVW 字功能傳送指令，將結(jié)果傳送到R58、R59 存儲區(qū)，供外部PLC 讀取，如圖4所示。

圖3 PMC 數(shù)據(jù)表畫面

圖4 PMC 窗口功能指令(WINDR)讀取當(dāng)前程序號

1.2.2 PROFIBUS DP 從站參數(shù)設(shè)定

系統(tǒng)中主站(SIMATIC PLC)DP 地址為2，機床從站設(shè)置為3～7。其中3、4、5 對應(yīng)于數(shù)控車床，6、7 為加工中心。機床作為PROFIBUS 從站，需要通過MDI 面板手動設(shè)置站點號與輸入/輸出地址，站點號必須與編程軟件STEP 7 V5.5 中配置的站號一致，輸入/輸出地址則要根據(jù)機床PMC 程序中DI/DO信號的定義，輸入?yún)^(qū)(或輸出區(qū))的地址必須連續(xù)，輸入與輸出區(qū)之間不允許有地址重疊，最大可定義244 字節(jié)。以紐威機床為例，如圖5—6 所示，系統(tǒng)DI 輸入?yún)^(qū)(主站PLC 的輸出)首址為R0040，1 字節(jié)大小，定義的數(shù)據(jù)位為:R40.0～R40.7，其中包含了機床使能、運行啟動、復(fù)位等控制信號;DO 輸出區(qū)(主站PLC 的輸入)首址為R0050，20 字節(jié)大小，即定義的數(shù)據(jù)位為:R50.0～R69.7，其中包含了機床運行狀態(tài)、報警信息等反饋信號。設(shè)定完成后需重啟系統(tǒng)，功能才生效［4］。

圖5 PROFIBUS DP 從站設(shè)置畫面一

圖6 PROFIBUS DP 從站設(shè)置畫面二

1.3 西門子PLC 側(cè)的組態(tài)與編程

1.3.1 STEP 7 硬件組態(tài)

首先需安裝FANUC 公司提供的FANUC0805.gsd文件，然后在STEP7 硬件組態(tài)程序中，添加一個帶集成DP 口的CPU 作為主站，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置完成后將出現(xiàn)一條代表PROFIBUS 主站系統(tǒng)的總線，在硬件配置目錄中找到“FANUC CNC-2”設(shè)備，將它拖放至已經(jīng)建好的總線中，并設(shè)置其DP 地址，組態(tài)完成后的畫面如圖1 所示。

1.3.2 STEP 7 軟件編程

根據(jù)紐威機床PMC 輸入/輸出接口區(qū)的定義，“遠程使能”與“使能斷開”信號分別為R40.0、R40.1，相對于機床DI 首址R0040 的地址偏移為+0.0、+0.1，在西門子PLC 側(cè)的地址偏移相同，也是+0.0、+0.1。若3 號從站的輸出首址為Q2.0，則PLC 通過輸出脈沖驅(qū)動Q2.0 即可實現(xiàn)機床的遠程使能控制，驅(qū)動Q2.1 可以斷開遠程使能;同樣若4號從站的輸出首址為Q3.0 時，則遠程使能控制信號為Q3.0，遠程使能斷開信號為Q3.1 等。

由于西門子PLC 對“字、雙字”數(shù)據(jù)高低位的定義和機床側(cè)PMC 對高低位的定義不同，因此在西門子PLC 發(fā)送或接收字?jǐn)?shù)據(jù)時，必須將其高字節(jié)和低字節(jié)顛倒，才能正確寫入或讀取數(shù)據(jù)。

2 結(jié)束語

某職院智能工廠底層設(shè)備控制系統(tǒng)采用了PROFIBUS 現(xiàn)場總線控制模式后，有效實現(xiàn)了西門子PLC對數(shù)控機床的遠程使能控制與運行狀態(tài)的監(jiān)控，系統(tǒng)具有可靠性強、操作簡便、省布線，而且可根據(jù)工藝需要靈活地進行功能修改的特點，是制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)實時獲取機床設(shè)備狀態(tài)信息的重要保證。

［1］PROFIBUS System Description-Technology and Application［EB/OL］.http://www.profibus.com，2010.

［2］BEIJING-FANUC.FANUC Series 0i-MODEL D/0i Mate-MODEL D 維修說明書［M］，2008:130 -132.

［3］BEIJING-FANUC.BEIJING-FANUC PMC 梯形圖語言編程說明書［M］，2003:401 -404.

［4］FANUC.FANUC Series 32i-MODEL A PROFIBUS-DP Board CONNECTION MANUAL［M］，2009:46 -64.

［5］孫鶴旭.Profiubs 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007:150 -151.