數(shù)控機床信息化接口的設(shè)計與實現(xiàn)

馬華杰，袁永軍，朱瑜紅

(1．寧夏大學物理電氣信息學院，寧夏銀川 750021;2．寧夏小巨人機床有限公司，寧夏銀川 750002)

0 前言

隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益普遍運用，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達國家都提出了網(wǎng)絡(luò)制造、敏捷制造和全球制造等全新的現(xiàn)代制造模式，制造業(yè)走向信息化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化和智能化已經(jīng)成為必然的趨勢和方向［1-4］?；ヂ?lián)網(wǎng)進入制造工廠成為迫切需要。而底層加工設(shè)備數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)化是企業(yè)實現(xiàn)新的制造模式的基礎(chǔ)單元［5-6］。從另一個角度來看，目前流行的ERP(Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計劃系統(tǒng))對于制造業(yè)來說，僅僅局限于通常的管理部門或設(shè)計、開發(fā)部門的信息化，如果工廠、車間的加工設(shè)備——數(shù)控機床不能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化或者信息化，就必然成為制造業(yè)工廠信息化的制約瓶頸，那么ERP就沒有真正的解決制造工廠最關(guān)鍵的問題［7-10］。MCIS(Motion Control Information System，運動控制信息系統(tǒng))正是為適應(yīng)制造車間信息化需求而設(shè)計開發(fā)的控制信息系統(tǒng)，它具有較強的開放性，不同的工控產(chǎn)品可以連接在共同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，軟件平臺統(tǒng)一，硬件結(jié)構(gòu)一致。MCIS給車間管理提供了科學依據(jù)，為實施整個工廠ERP的網(wǎng)絡(luò)化提供了軟件保障。

目前高端數(shù)控系統(tǒng)，如西門子，機床PLC具備直接和MCIS通訊的功能。而對于絕大部分數(shù)控系統(tǒng)，機床的PLC不具備直接和MCIS進行通訊的功能，這給MCIS項目的實施帶來了很大困難。針對該問題，以LGMazak機床為例，利用機床PLC遠程I/O接口，借助小型PLC，實現(xiàn)了機床PLC和MCIS通訊，為MCIS項目的實施提供了有力保障。

1 信息化接口需求的提出

國內(nèi)某企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集與處理，與GE智能平臺—通用電氣智能設(shè)備有限公司簽訂“Proficy生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)”訂單，對該企業(yè)5號廠房實施MCIS項目。該廠房擁有LGMazak數(shù)控機床26臺，其中QTN機型21臺，VCN機型5臺。GE智能平臺實施MCIS項目對LGMazak數(shù)控機床信息化接口的要求如下:

(1)CNC程序管理:用于加工程序的傳輸管理。

(2)機床基礎(chǔ)數(shù)據(jù)讀取和遠程操作:

①通信接口要求:MCIS和機床PLC能夠進行通訊;

②MCIS寫入機床數(shù)據(jù):MCIS遠程控制機床啟動、停止、復(fù)位;

③MCIS讀取機床數(shù)據(jù):包括機床狀態(tài)信息、自動線狀態(tài)信息、人工呼叫信息、工件計數(shù)。

2 通信接口的設(shè)計

(1)CNC程序管理的實現(xiàn):因為LGMazak數(shù)控機床的CNC系統(tǒng)內(nèi)置網(wǎng)卡接口具備程序傳輸功能，所以通過內(nèi)置網(wǎng)卡接口直接實現(xiàn)程序傳輸功能;

(2)機床基礎(chǔ)數(shù)據(jù)讀取和遠程操作:由于機床PLC沒有外置通信接口，無法直接實現(xiàn)CC-Link(Control＆Communication Link控制與通信鏈路)接口通訊，該設(shè)計采用增加1套支持CC-Link通信功能的小型PLC來實現(xiàn)機床PLC和MCIS通訊?？紤]到“歐姆龍CP1L-EL20DR-D”型PLC具有簡單、經(jīng)濟、高效的特點，選用該型號PLC。MCIS與機床PLC通信連接如圖1所示。

圖1 MCIS與機床PLC通信連接圖

3 硬件電路

機床PLC擴展I/O板與歐姆龍PLC進行輸入輸出連接，安裝于機床電柜內(nèi)部，電路圖如圖2所示。

圖2 MCIS遠程操作機床和讀取機床狀態(tài)信息的硬件電路

X50、X51、X52、X53和X54分別是MCIS通過歐姆龍PLC遠程操作機床的模式切換、使能、啟動、停止、復(fù)位5個輸入信號。X55、X56和X57是預(yù)留的3個信號，隨著項目的深入，可以繼續(xù)擴展MCIS遠程操作機床的功能。MCIS操作平臺通過調(diào)用某號機床進行遠程操作，信號通過以太網(wǎng)交換機傳輸給該機床對應(yīng)的歐姆龍PLC，歐姆龍PLC再將此信號以I/O的方式發(fā)送給機床PLC，作為機床的8個輸入信號，從而完成MCIS遠程操作機床的功能。Y50，Y51，…，Y5F是機床PLC的輸出信號，這些信號作為歐姆龍PLC的輸入信號，歐姆龍PLC將此信號處理后輸出，經(jīng)以太網(wǎng)交換機發(fā)送給MCIS，完成MCIS讀取機床狀態(tài)信息的功能。

4 接口方案的PLC程序

4．1 MCIS遠程操作機床

4．1．1 歐姆龍PLC程序

圖3為MCIS遠程操作機床的歐姆龍PLC程序，W0．00、W0．01、W0．02、W0．03和W0．04是以太網(wǎng)寫入歐姆龍PLC的輸入信號，Q:100．00、Q:100．01、Q:100．02、Q:100．03和Q:100．04為歐姆龍PLC輸出給機床PLC的信號。

圖3 歐姆龍PLC程序

4．1．2 機床PLC程序

圖4為MCIS實現(xiàn)遠程操作機床啟動功能的機床PLC程序，X106是機床的標準啟動信號。當X50、X51，X52同時為1時，機床加工程序啟動。

圖4 機床PLC程序

4．2 MCIS讀取機床狀態(tài)信息

4．2．1 機床狀態(tài)信息輸出PLC程序

MCIS接收機床的狀態(tài)信號共30組，而機床PLC擴展I/O板為16×16，不能滿足30個狀態(tài)信息同時發(fā)送。因此采用每10個信息分段發(fā)送給歐姆龍PLC，使用2個輸出信號邏輯與控制，時間間隔0．2 s。機床狀態(tài)信息輸出部分PLC程序如圖5所示。T39、T40為輸出時段定時器，C50為通訊時段計數(shù)器，K1、K2、K3代表十進制常數(shù)1、2、3。當C50處于通信時段1時，同時自動運行狀態(tài)M4900為1時，輸出Y50為1;當C50處于通信時段2時，同時自動運行狀態(tài)M4910為1時，輸出Y50為1;當C50處于通信時段3時，同時自動運行狀態(tài)M4920為1時，輸出Y50為1。

圖5 機床狀態(tài)信息輸出PLC程序

4．2．2 歐姆龍PLC處理程序

歐姆龍PLC分段接收機床發(fā)送的狀態(tài)信息后，判斷2個邏輯與控制輸入信號的狀態(tài)，進行內(nèi)部邏輯與運算后，分段發(fā)送MCIS系統(tǒng)，時間間隔20 ms。當機床輸出信號Y5A、Y50同時為1時，對應(yīng)歐姆龍PLC輸入信號I0．00、I0．10為1，邏輯與運算輸出H0．00為1，發(fā)送到MCIS，PLC程序如圖6所示。

圖6 歐姆龍PLC處理機床狀態(tài)信息程序

5 應(yīng)用結(jié)果

圖7是在客戶現(xiàn)場MCIS采集的樣本圖。其中“切換遠程模式”、“使能開”、“機床啟動”、“機床停止”、“機床復(fù)位”、“班次切換”是MCIS系統(tǒng)遠程控制機床的按鍵。其他指示燈是MICS從機床采集到的狀態(tài)信息。例如當MCIS對L12-YX1號機床進行操作和監(jiān)控時，當點擊“切換遠程模式”、“使能開”、“機床啟動”3個按鍵時，該號機床啟動控制指令發(fā)出，PLC程序如圖3和圖4所示。如果該號機床處于設(shè)備故障呼叫、設(shè)備維修呼叫，設(shè)備缺料等狀態(tài)時，對應(yīng)的指示燈點亮。

經(jīng)在客戶現(xiàn)場調(diào)試和聯(lián)機測試，該信息采集技術(shù)滿足MCIS項目要求。

圖7 MCIS采集的樣本圖

6 結(jié)束語

該接口技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于國內(nèi)某企業(yè)數(shù)控車間內(nèi)，實現(xiàn)了對26臺數(shù)控車床的網(wǎng)絡(luò)控制與管理。該接口技術(shù)成本低，通用性好，可以應(yīng)用于信息化工廠的構(gòu)建，實現(xiàn)車間數(shù)控加工機床的遠程監(jiān)控和管理。此信息化接口的開發(fā)與設(shè)計為機械制造業(yè)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化提供了有力保障，具有一定實用性和應(yīng)用價值。

［1］孟愛英．網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控加工系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］．機床與液壓，2012，40(5):148-150．

［2］唐克巖．我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］．機床與液壓，2012，40(5):145-147．

［3］王太勇，喬志峰，韓志國，等．高檔數(shù)控裝備的發(fā)展趨勢［J］．中國機械工程，2011，22(10):1247-1252．

［4］路宏，王文婷．試論我國數(shù)控機床向智能化發(fā)展的挑戰(zhàn)［J］．機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012，25(1):191-192．

［5］孫興偉，陳林平，王可．基于以太網(wǎng)的數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的研究［J］．組合機床與自動化加工技術(shù)，2009(7):41-43．

［6］胡育輝．數(shù)控網(wǎng)絡(luò)化加工技術(shù)的研究［J］．機械設(shè)計與制造，2011(2):257-259．

［7］江清明．ERP原理與應(yīng)用［M］．北京:高等教育出版社，2004．

［8］馬少妍．ERP管理系統(tǒng)在機床生產(chǎn)企業(yè)實施應(yīng)用研究［D］．吉林:吉林大學，2009．

［9］劉杰．ERP項目失敗的七個因素［J］．中國制造業(yè)信息化，2004(7):58-59．

［10］MCALLEN Robert．Business Applications:Manufacturing-ERP Implementation and Operations［J］．Info World Media，1998，11(3):134-138．