數控係統中集成（chéng）PLC的程序升級建設探究
2020-8-28 來源： 上海虹口（kǒu）區同嘉路汽車工業培訓中心（xīn） 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係統改造中PLC程序升級方麵的經（jīng）驗和方法，詳細探（tàn）討了係統選型、網絡配置、S5到S7的程序升級、係統接口、調試經驗和方法。
關鍵詞（cí）：805；804D；PLC；數控升級（jí）；Profibus
上汽大眾主要生產流（liú）水線分別由德 國 E X -CELL-O和GROB公司提供，加（jiā）工精度高、節（jiē）拍時間（jiān）短。而目（mù）前使用的SIEMENS 805數控係統有近30套，生產線麵臨停產危險。所用的INDRAMAT驅動和INDRAMAT電機也早已停（tíng）產，隻（zhī）能按訂單生產，訂貨周期長（zhǎng）、價格高，並且價格每年上升。
1、數控係統選型
SINUMERIK 840D係統是西門子公司推出的一款數字（zì）化的高檔數控係統，與之匹（pǐ）配的驅動和（hé）電機也都是數字化的（de），內置S7程控功能，程控和（hé）數控係統高度（dù）集（jí）成，有中（zhōng）文操作界麵，界麵親和力高。從發展趨勢看，該係統已進入成熟期，現已成為西門子公司高檔係統中的主流機（jī）型，性價比高、生命周期長。因此，選用840D作（zuò）為更新（xīn）的方案（àn）。
2、總（zǒng）體方案改造
經過（guò）反複考（kǎo）慮，確定以下幾點改造原則：
（1）原有機械結（jié）構、數控（kòng）、伺（sì）服驅動、伺服電機、反饋必須拆除，無法作（zuò）為備用恢複。
（2）考慮到操作工操作習慣及維修工的修理思路，改造後需保證改造工位的程序結構和編程思路不（bú）變，操作界麵及操作習慣不變。
（3）減少對改造工位和非改造（zào）工（gōng）位（wèi）的（de）相互幹擾，生產線的總站及其他（tā）工位不增加硬（yìng）件，保持原有程序，數據接（jiē）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（bǎo）持不變，兩者之間用（yòng）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）由於改造時間很（hěn）短，NC接口及PLC的程序轉換後，必須進（jìn）行仿真驗證（zhèng）。
3、係統方案
805數控係統有兩種控製方式（shì）：805數控係統控製INDRAMAT驅動來驅動INDRAMAT電機；805數控係統控製SIEMENS 611A驅動來驅動1FT5、1PH6電機。兩種方式的區別在於數控係統中的驅動參數不同，在升級時需要分別轉換。改造後都為（wéi）840D 數控結構 ： 數控部分用SINUMERIK 840D係統替代SINUMERIK 805數控（同時用840D內（nèi）置S7程控係統替（tì）代805內置S5程控係統）。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（zǒng）站，每（měi）個工位作為分站，用L2-DP網絡（luò）結構，被改造工位是DP上的（de）一個（gè）從站。840D的程控係統是S7-DP，如果作為分站直接連（lián）到總站上，對網絡的壓力（lì）較大，配置煩瑣。考慮到減少對改造工（gōng）位和非（fēi）改造工位的相互幹擾，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（zuò）為中繼。DP/DP Coupler用於連接兩個Profibus-DP主站網絡，實現網絡間數據通（tōng）信。兩個網絡的通（tōng）信速率、站地址可以不同，兩（liǎng）個網絡電氣隔離，一個網（wǎng）段故障不（bú）影響另一個網段的運行，非常適用於不同通信速率的兩個Profibus-DP主站係統間的數據通信。數據（jù）通信區最高可（kě）以達244字節輸入和244字節輸出。
網絡1（S5-115U主站係統）：以下介紹配置過程：
（1）PC中安裝840D Toolbox。
（2）打開Step7軟件，新建一（yī）個工（gōng）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（rù）的S7-300站（zhàn）的“Hardware”，打（dǎ）開硬件組態，在硬件組態界麵下插入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（wǎng）絡（luò），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（yìng）件組態中（zhōng）雙擊DP/DP Coupler打開其屬性對話框（kuàng）， 設站地址為“3”。
（5）切換到“Parameter Assignment”對話框（kuàng），設定模（mó）塊的（de）外（wài）部診斷使“Diagnostic”屬性設為“ON”。ON：如DP/DP Coupler網絡中有診斷報（bào）告產生時（shí）（如DP連接器從網絡中拔出（chū）），OB82將被調用（yòng），SF指示燈亮，“模（mó）塊錯誤”信息將被寫入CPU診斷緩衝區。OFF：如DP/DP Coupler網絡中有診斷報（bào）告產生時（如DP連接器從網絡中（zhōng）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診斷緩衝區。
DP/DP Coupler的優點是兩個網絡（luò）電氣隔離，一個網段故障不影響另一個網段的（de）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（lìng）一端（duān）後，會依據錯誤信號進行後續運（yùn）動，從而產生（shēng）混亂。在兩個網（wǎng）段中加入“心跳檢測”程序，實時監測（cè）兩個網段的活躍度。
5、數控係（xì）統信（xìn）號匹配
805係統的NC-PLC接口信號的定義和840D有所不同，必須逐一驗（yàn）證信號的（de）觸發條件。840D係統PLC應用接口的數據模塊主要信（xìn）號模塊分配如下：
（1）操作麵板→NC：805的輸入信（xìn）號與（yǔ）功能是一一對應的。840D係統要（yào）在PLC中（zhōng）設定操作麵板的首地址，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（kǒu）：通道的許可信號及傳輸M功能。805輸出（chū）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（hé）原程（chéng）序達（dá）到統一，在程序中添加RS觸發器（qì）。
（3）DB 31 to 61 進給軸/主軸接口（kǒu）：進給軸/主軸的軸控製參數進行轉換。
（4）其（qí）他的信號接口包括DB2 to 4 PLC信息（xī）、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複雜（zá），無法讀懂或沒有時間讀（dú）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（kuài）的含義、數據接口和（hé）信（xìn）息交換（huàn）的規則、數（shù）據塊的作用和關（guān）鍵數據點的含義。詳細記錄設備的（de）功能邏輯，如輸送邏輯、上下料、夾緊邏輯、工藝過程、冷卻控製、人機（jī）界麵等（děng）。將可轉（zhuǎn）換的功能塊轉換好備用（yòng），對（duì）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（néng）為主，原程序與自編（biān）程序相結（jié）合，現調現編。
本方（fāng）法可以減少前期投入時（shí）間，在（zài）詳細（xì）了解設備功（gōng）能的情況下（xià）能實現程序升（shēng）級。采用本方法會導致原設備非表麵功能的缺失，例如某些安全功能（néng）和（hé）檢（jiǎn）測（cè）功能。由於（yú）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（xìng）會有所不（bú）同。
6.2 以原（yuán）程序為主的（de）轉換方法
適用於設備的功能複雜，調試工期短，要保留原程序所有功能。具體方（fāng）法是：除了（le）對程序結構和每個塊（kuài）的含義、數據接口和信息交（jiāo）換的規則、數據塊的作用和關鍵（jiàn）數據點的（de）含義、設備（bèi）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（gōng）能測試。以上（shàng）工作要花費較長時間，對技（jì）術人員的能力（lì）也有一定的要求。在改（gǎi）造（zào）期間（jiān），在翔實的測試數據和嚴謹的（de）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（yuè）讀程序了解設備功能。采用本方（fāng）法會保留原設備的所（suǒ）有功能，例如某些安全功能和檢測功能。由於是結構性編程，程序（xù）有良好的嚴謹性和易（yì）讀性。無須過多的培訓，維修人員和操作人員就能按以前的（de）經驗（yàn）進行工（gōng）作。本次改造就采用這個方法。
7、STEP5到STEP7的（de）程序轉換過程
使用S7自帶（dài）的（de）S5到（dào）S7的轉（zhuǎn）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（biāo）準指令（lìng）集構成，則可以進（jìn）行完完全全的轉換。需要注（zhù）意的是，並（bìng）不是所有（yǒu）的STEP5程（chéng）序都可以轉換。比如（rú），STEP7裏（lǐ）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（xiē）函數已經不再需要了，還有一些（xiē）函數被簡化（huà）為一些（xiē）參數，可在設置（zhì）工具中直接
進行設置。這種簡（jiǎn）化常（cháng）常出現（xiàn）在應用一些功能模塊（kuài）時（如用於（yú）步（bù）進電機觸發功能模（mó）塊）。在（zài）這種情況下，這（zhè）些程（chéng）序塊及其調用必須在轉換程序前被刪除。轉換完其他程序之後，這些函數必須在STEP7環境下再次編寫。
8、PLC改造（zào）的調試和生產（chǎn）
機（jī）械拆裝時注意仔細安裝電機和（hé）反饋係統。根據硬件圖連（lián）接電氣線路，注意電（diàn）源極性、電壓，檢查I/O點的正確（què）性。機電安裝完（wán）成後即可通電測試。PLC相關調（diào）試步驟如下：
（1）改造前將報警文（wén）本、自定義界麵、自（zì）定義變量等定（dìng）義裝入HMI。
（2）NC中對驅動、電機、編碼器（qì）進行（háng）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（zǒng）站的網絡聯通、網絡故（gù）障檢測、故障信（xìn）息顯（xiǎn）示與報（bào）警消除、急停生效（xiào）、傳感器配對故障（zhàng）。
（4）數控電源上電時序、通道信號調試、軸許可信號調試、進（jìn）給軸刹車控製（如垂直軸（zhóu））、夾緊軸的夾緊控製（如轉台）、主軸控製，注意在軸初次移動前將軸最大速度值設為較小值（zhí），保證
安全（quán）。
（5）調試工位操作模（mó）式（手動、單步、單機、聯機（jī）），NC操作模式應（yīng）自動變化。
（6）調試保護門開關、夾具（jù）控製、冷卻控製、軸離合器（qì）控（kòng）製等外圍控製。
（7）NC程序自動選擇：單（dān）機時自動調用NC程序（回參考點、回原位、回換刀位、根（gēn）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）。
（9）調試GRAPH7順序功能圖程序，實現加工程序順序調用。
（10）編寫NC程序，用單機通過自動（dòng）選擇NC程序來運行數控程序（注意加工位置，防止撞機），實現刀具補償。
（11）整個（gè）工序的信號（hào）聯調（報警、工件類（lèi）型、工件狀態、工位狀態等），自定義界麵的信號顯示及控製。
（12）最後調試整個工序的聯機加工。工件（jiàn）加工尺寸經測量（liàng）合格後，批量試加工。
圖1 改造前的805係統
圖（tú）2 改造後的840D係統
改造後保留原設備的（de）所有功能和操作習慣，改造後的維修和操（cāo）作培訓時間短、上手快（kuài）。改造工位的（de）生產能力、故障率、可操作（zuò）性均優於改造前，軟硬件（jiàn）圖紙、故障顯示及操作界（jiè）麵均（jun1）為中文，方便操作和維（wéi）修。
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