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數控系統中集成PLC的程序升級建設探究

2020-8-28 來源：上海虹口區同嘉路汽車工業培訓中心作者：朱雪亮

摘要：文章主要總結了德國進口機加工流水線上數控加工工位的數控系統改造中PLC程序升級方面的經驗和方法，詳細探討了系統選型、網絡配置、S5到S7的程序升級、系統接口、調試經驗和方法。

關鍵詞：805；804D；PLC；數控升級；Profibus　　

上汽大眾主要生產流水線分別由德國 E X -CELL-O和GROB公司提供，加工精度高、節拍時間短。而目前使用的SIEMENS 805數控系統有近30套，生產線面臨停產危險。所用的INDRAMAT驅動和INDRAMAT電機也早已停產，只能按訂單生產，訂貨周期長、價格高，并且價格每年上升。

1、數控系統選型

SINUMERIK 840D系統是西門子公司推出的一款數字化的高檔數控系統，與之匹配的驅動和電機也都是數字化的，內置S7程控功能，程控和數控系統高度集成，有中文操作界面，界面親和力高。從發展趨勢看，該系統已進入成熟期，現已成為西門子公司高檔系統中的主流機型，性價比高、生命周期長。因此，選用840D作為更新的方案。

2、總體方案改造

經過反復考慮，確定以下幾點改造原則：

（1）原有機械結構、數控、伺服驅動、伺服電機、反饋必須拆除，無法作為備用恢復。

（2）考慮到操作工操作習慣及維修工的修理思路，改造后需保證改造工位的程序結構和編程思路不變，操作界面及操作習慣不變。

（3）減少對改造工位和非改造工位的相互干擾，生產線的總站及其他工位不增加硬件，保持原有程序，數據接口不變。

（4）為了快速診斷是改造工位產生故障，還是非改造工位產生故障，改造部分和其他部分的信號接口格式保持不變，兩者之間用工業網絡進行連接，保持網絡傳輸時的數據一致性和有效性。

（5）由于改造時間很短，NC接口及PLC的程序轉換后，必須進行仿真驗證。

3、系統方案

805數控系統有兩種控制方式：805數控系統控制INDRAMAT驅動來驅動INDRAMAT電機；805數控系統控制SIEMENS 611A驅動來驅動1FT5、1PH6電機。兩種方式的區別在于數控系統中的驅動參數不同，在升級時需要分別轉換。改造后都為840D 數控結構：數控部分用SINUMERIK 840D系統替代SINUMERIK 805數控（同時用840D內置S7程控系統替代805內置S5程控系統）。選用的NCU是：SINUMERIK 840D/DE NCU 572.4，內置S7、Profibus dp。

4、網絡構建

原生產線采用S5-115U作為總站，每個工位作為分站，用L2-DP網絡結構，被改造工位是DP上的一個從站。840D的程控系統是S7-DP，如果作為分站直接連到總站上，對網絡的壓力較大，配置煩瑣。考慮到減少對改造工位和非改造工位的相互干擾，生產線的總站及其他工位不增加硬件，保持原有程序，數據接口不變。

選用DP/DP couple作為中繼。DP/DP Coupler用于連接兩個Profibus-DP主站網絡，實現網絡間數據通信。兩個網絡的通信速率、站地址可以不同，兩個網絡電氣隔離，一個網段故障不影響另一個網段的運行，非常適用于不同通信速率的兩個Profibus-DP主站系統間的數據通信。數據通信區最高可以達244字節輸入和244字節輸出。

網絡1（S5-115U主站系統）：以下介紹配置過程：

（1）PC中安裝840D Toolbox。

（2）打開Step7軟件，新建一個工程項目文件，命名為“ZK1_AF10_13A”，在項目下插入一個S7-300站。

（3）雙擊插入的S7-300站的“Hardware”，打開硬件組態，在硬件組態界面下插入840D機架（PLC 314C-2DP），io接口模塊。從CPU的MPI/DP接口中新建一條Profibus（1）網絡，網絡協議為

“DP”，波特率為“1.5Mbps”。

（4）從硬件目錄中將DP/DP Coupler拖曳至Profibus Master中，在硬件組態中雙擊DP/DP Coupler打開其屬性對話框，設站地址為“3”。

（5）切換到“Parameter Assignment”對話框，設定模塊的外部診斷使“Diagnostic”屬性設為“ON”。ON：如DP/DP Coupler網絡中有診斷報告產生時（如DP連接器從網絡中拔出），OB82將被調用，SF指示燈亮，“模塊錯誤”信息將被寫入CPU診斷緩沖區。OFF：如DP/DP Coupler網絡中有診斷報告產生時（如DP連接器從網絡中拔出），OB82將被調用，SF指示燈不點亮，也沒有任何信息將被寫入CPU診斷緩沖區。

DP/DP Coupler的優點是兩個網絡電氣隔離，一個網段故障不影響另一個網段的運行。但是一個網段故障，DP/DP Coupler一端信號更新不及時，傳遞到DP/DP Coupler另一端后，會依據錯誤信號進行后續運動，從而產生混亂。在兩個網段中加入“心跳檢測”程序，實時監測兩個網段的活躍度。

5、數控系統信號匹配

805系統的NC-PLC接口信號的定義和840D有所不同，必須逐一驗證信號的觸發條件。840D系統PLC應用接口的數據模塊主要信號模塊分配如下：

（1）操作面板→NC：805的輸入信號與功能是一一對應的。840D系統要在PLC中設定操作面板的首地址，再加上相應的偏置來確定信號地址。

（2）DB 21 to 30 NC通道接口：通道的許可信號及傳輸M功能。805輸出M功能時區分動態信號和靜態信號，而在840D中沒有區別，都是動態信號。為了和原程序達到統一，在程序中添加RS觸發器。

（3）DB 31 to 61 進給軸/主軸接口：進給軸/主軸的軸控制參數進行轉換。

（4）其他的信號接口包括DB2 to 4 PLC信息、DB10 NCK接口等也需要對應轉換。

6、STEP5到STEP7的程序轉換思路

6.1　以功能為主的轉換方法

如果設備的功能比較簡單，調試工期長，原程序的功能塊比較復雜，無法讀懂或沒有時間讀通，可以采用此方法。具體方法是：在改造前期了解原程序的程序結構和每個塊的含義、數據接口和信息交換的規則、數據塊的作用和關鍵數據點的含義。詳細記錄設備的功能邏輯，如輸送邏輯、上下料、夾緊邏輯、工藝過程、冷卻控制、人機界面等。將可轉換的功能塊轉換好備用，對功能塊做簡單了解。以上工作花費較短時間就可以完成。改造期間，以實現功能為主，原程序與自編程序相結合，現調現編。

本方法可以減少前期投入時間，在詳細了解設備功能的情況下能實現程序升級。采用本方法會導致原設備非表面功能的缺失，例如某些安全功能和檢測功能。由于是非結構性編程，容易在程序中用打補丁的方式實現功能，所以因編程人員的能力不同，程序的嚴謹性和易讀性會有所不同。

6.2　以原程序為主的轉換方法

適用于設備的功能復雜，調試工期短，要保留原程序所有功能。具體方法是：除了對程序結構和每個塊的含義、數據接口和信息交換的規則、數據塊的作用和關鍵數據點的含義、設備的功能邏輯進行理解，還要讀通程序，讀懂每個功能，做好升級程序的功能測試。以上工作要花費較長時間，對技術人員的能力也有一定的要求。在改造期間，在翔實的測試數據和嚴謹的改造步驟中，可以快速完成調試。

這個方法需要大量的前期投入時間，能通過閱讀程序了解設備功能。采用本方法會保留原設備的所有功能，例如某些安全功能和檢測功能。由于是結構性編程，程序有良好的嚴謹性和易讀性。無須過多的培訓，維修人員和操作人員就能按以前的經驗進行工作。本次改造就采用這個方法。

7、STEP5到STEP7的程序轉換過程

使用S7自帶的S5到S7的轉換工具converting s5 files。使用此工具的自動轉換的正確率為70%左右，如果程序僅僅是由STEP5的標準指令集構成，則可以進行完完全全的轉換。需要注意的是，并不是所有的STEP5程序都可以轉換。比如，STEP7里的許多標準函數已經不采用STEP5的形式。STEP中做了很多簡化，一些函數已經不再需要了，還有一些函數被簡化為一些參數，可在設置工具中直接

進行設置。這種簡化常常出現在應用一些功能模塊時（如用于步進電機觸發功能模塊）。在這種情況下，這些程序塊及其調用必須在轉換程序前被刪除。轉換完其他程序之后，這些函數必須在STEP7環境下再次編寫。

8、PLC改造的調試和生產

機械拆裝時注意仔細安裝電機和反饋系統。根據硬件圖連接電氣線路，注意電源極性、電壓，檢查I/O點的正確性。機電安裝完成后即可通電測試。PLC相關調試步驟如下：

（1）改造前將報警文本、自定義界面、自定義變量等定義裝入HMI。

（2）NC中對驅動、電機、編碼器進行配置，配置好PLC硬件配置、使用TOOLBOX編寫數控配置程序。

（3）測試與總站的網絡聯通、網絡故障檢測、故障信息顯示與報警消除、急停生效、傳感器配對故障。

（4）數控電源上電時序、通道信號調試、軸許可信號調試、進給軸剎車控制（如垂直軸）、夾緊軸的夾緊控制（如轉臺）、主軸控制，注意在軸初次移動前將軸最大速度值設為較小值，保證

安全。

（5）調試工位操作模式（手動、單步、單機、聯機），NC操作模式應自動變化。

（6）調試保護門開關、夾具控制、冷卻控制、軸離合器控制等外圍控制。

（7）NC程序自動選擇：單機時自動調用NC程序（回參考點、回原位、回換刀位、根據工件類型選擇加工程序）。

（8）測試NC程序的附加功能（M功能、H功能）。