SINUMERIK 840D数控系统在DH2200数控卧车中的应用
2005/7/14 16:22:00
摘要 本文介绍了SIEMENS全数字直流调速装置6RA27、S7-300PLC与840D数控系统在数控卧车改造中的运用。分别从硬件的配置、软件的设计、NC的配置、报警文本编译、螺距误差补偿和数据备份等几方面作了详细地阐述。
关键词：SINUMERIK 840D（数控系统）PLC NCU（数控单元）MMC（人机通讯）
1引言：
DH2200/80-12是我厂90年代初引进的第一台具有全功能的重型数控卧式车床，主要用于对汽轮机转子零部件进行精加工，为我厂创造了上亿元的产值。但由于电力电子器件的飞速发展和技术的不断更新，该设备不能适应工厂产品系列化、快速化发展的战略目标。其具体表现为：原有数控系统880电力电子器件老化严重，故障频繁；且许多主要电器元件现已经淘汰，备件购买困难而且周期长，不易维护；需要专门的编程人员，不能实现资源的共享。因此，对该卧式车床进行全面的电气改造具有可行性和必要性。
2 SINUMERIK 840D数控系统的组成：
SINUMERIK 840D是一种微处理数字控制系统，用于控制带数字驱动的机床。由数控及驱动单元(NCU),MMC,PLC模块三部分组成。
2.1 NCU（Numerical Control Unit）数字控制部件
根据选用硬件如CPU芯片等和功能配置的不同，NCU分为NCU561.2，NCU571.2 NCU572.2，NCU573.2（12轴），和NCU573.2（32轴）等若干种型号。
NCU单元中集成有SINUMERIK 840D数控CPU和SIMZTIC PLC CPU芯片，包括相应的数控软件和PLC控制软件，并且带有MPI或PROFIBUS接口，RS232接口，手轮及测量接口，和PCMCIA卡插槽。
2.2 MMC(Man Machine Communication)人机通讯
人机通讯是数控系统和人进行信息交流的通道。包括三部分: OP(Operation Panel),MMC,MCP。
2.2.1 OP 操作面板
OP(Operation Panel)单元一般包括一个10.4″TFT显示屏和一个NC键盘，因此OP单元和MMC建立起SINUMERIK 840D与操作者之间的交换界面。建立的条件是SINUMERIK 840D数控系统应用的是MPI（Multiple Point Interface）总线技术，传输速率187.5K/秒，OP单元为这个总线网络中的一个节点。
2.2.2 MMC计算机
MMC实际上一台计算机。它有自己独立的CPU，还可以带硬盘，带软区。OP单元正是这台计算机上的显示器，而西门子MMC的控制软件也在这台计算机中。西门子公司根据不同的用户制造了不同档次的MMC，一般最常用的有MMC102.2及MMC103，对于SINUMERIK 810D
数控系统配MMC102.2，对于SINUMERIK 840D数控系统配MMC103。
2.2.3 MCP 机床操作面板
MCP（Machine Control Panel）是专门为数控机床而配置的操作面板，它是通过MP（Multiple Point Interface）总线技术连接于数控系统。根据应用场合不同，其布局不同，有车床版MCP和铣床版MCP两种，本次设计采用车床板操作面板。
2.3 PLC模块
SINUMERIK 840D数控系统的PLC部分使用的是西门子SIMATIC S7-300的软件及模块,在同一导轨上从左到右依次是电源(Power Supply)，接口模块(Interface Module)及信号模块(Signal Module)。PLC的CPU与NC的CPU是集成在NCU中的。 电源模块（PS）是为PLC和NC提供电源+24V和+5V。接口模块（IM）是用于级之间互连。信号模块（SM）是用于机床PLC输入/输出的模块，有输入型和输出型两种。
3 硬件设计
DH2200/80-12是一台具有全功能的重型数控卧式车床。由床头箱、刀架、尾座、闭式中心架构成机床的主体。铁屑输送器、冷却装置、液压油箱、油温控制器作为机床的辅助设备。该机床采用SINUMERIK 840D数控系统，光栅尺作为位置检测元件，构成全闭环控制系统。现以刀架的改造为例来阐述840D的应用。
西门子840D系统为当今世界较先进的数控系统，该系统所配的伺服驱动系统为611D数字型驱动系统，所配的交流伺服电动机X、Z轴为1FT6132-6SC71-1AH0。主轴驱动仍保留原来6RA27全数字式直流调速系统。
840D数控系统通过总线与CRT、MCP、MMC103、S7-300和ET-200 PLC相连，具体连接方式见（硬件连接总框图1）
3.1 SITOP电源和伺服电源模块
SITOP电源为MMC和PLC接口模块与信号模块提供稳定的电源。伺服电源模块主要为NCU和给611D数字驱动提供控制和动力电源，产生母线电压，同时监测电源和模块的状态。根据容量所选电机的总的容量大于15KW以上，所以选用带有馈入装置的电源模块I/RF系列。伺服电源馈入模块能否给611D驱动模块供电决定于它的脉冲使能信号（端子63与9），控制器使能信号（端子64与9），内部接触器使能信号（端子48与112），这些使能信号通断都是通过PLC程序来控制实现的。其上电顺序是，内部接触器使能信号，脉冲使能信号，控制器使能信号。
3.2 MMC人机界面
MMC是人机界面，用于图形的显示，数字等的输入。根据该机床的特点，我们选用OP031(Operation Panel)操作面板，计算机CPU为奔藤，可硬盘的MMC103系列，MCP选用车床版系列。三者之间的通信方式是这样的：MMC103接口X3与OP031通过MPI总线连接，MMC103接口X4与MCP接口X20相连通过MPI多点通信协议与NCU接口X101连接。MMC接口X1与MCP接口X10跟SITOP电源相连，SITOP电源为它们工作提供恒定电源。
3.3 NCU数控单元
NCU数控单元是CNC控制部件的核心，根据NC和PLC存储容量的不同，该机床选用NCU572.2系列。NCU数控单元包含NC CPU和PLC CPU，它与MMC、伺服电源模块、主轴伺服驱动装置、进给伺服驱动装置和伺服电机连接。
3.3.1 NCU和MMC的连接
NCU接口X101和MMC接口X3相连，为MMC提供DC24V电源，并提供数据发送使能，只有在使能的作用下NCU和MMC之间才能进行数据的接受和发送，同时提供了LCD帧频和LCD钟频。
3.3.2 NCU和伺服电源模块连接
电源模块与NCU进行数据的接受与发送是通过设备总线进行交换的，连接方式是NCU接口X172与伺服电源模块接口X351相连。
3.3.3 NCU与主轴驱动控制模块（ANA）的连接
主轴驱动模块与NCU进行数据的接受与发送是通过设备总线进行交换的与驱动总线来实现的，连接方式是NCU接口X172与主轴驱动模块接口X351相连。
3.3.4 NCU与数字驱动模块（611D）的连接以X轴为例。
数字驱动模块对电机转速大小，定位的控制的数据的交换是通过611D驱动总线接口X341与设备总线接口X151跟NCU驱动总线接口与设备总线接口相连实现的，处理是通过NC（CPU）、PLC（CPU）与MMC（CPU）三者。
3.4 数字驱动模块（611D）与进给电机连接
本次设计采用全闭环控制，通过伺服电机编码器和光栅尺作为位置检测元件与数字驱动模块（611D）位置接口X411和接口X421，构成全闭环控制系统，实现了对数控机床的精确定位控制。
4 软件设计
SINUMERIK 840D的软件设计就是处理NCU和MMC之间，NCU和PLC之间，PLC与MMC之间的接口信号，NC的参数配置（包括各种补偿）以及PLC报警文本。NC、PLC和MMC之间既相互独立，各自负责一部分功能；又相互联系，彼此交换信息。
4.1 PLC应用程序的设计
硬件连接好后，开始对系统进行PLC程序调试时，必须要求对系统作一次（PLC）总清或总复位。PLC总清完成后，PLC程序即可进行调试。SINUMERIK 840D的PLC使用的是SIMATIC S7-300。故而调试软件为STEP 7。
PLC总清操作步骤如下：
（1）将PLC启动开关S4 ——〉 “2”＝＞PS灯会亮。
（2）S4 ——〉 “3”并保持约3秒直到PS灯再次亮；＝＞PS灯灭了又在亮。
（3）3秒之内，快速地执行下述操作S4“2”——〉 “3” ——〉 “2”；＝＞PS灯先闪，后又亮，PF灯亮。
（4）等PS和PF灯亮了，S4——〉 “0”PS和PF灯灭，而PR灯亮。
通过PLC的编程功能，PLC程序能够对NCU、机床及机床控制面板的信号进行处理，同时实现对急停信号与超程信号的实时监控，完成对坐标轴的定位控制。
4.1 .1 S7-300硬件配置
S7-300硬件组态在硬件配置窗口中完成。光标点击STATION目录级，选择“Hardware”图标，进入硬件配置窗口。
（1）组态 在硬件组态的站窗口中分配机架，可分布式I/O，可以从硬件目中选择部件。
（2）参数分配 建立可分配参数模块的特性，如：启动特性，保持区等。
（3）设定组态 设定好的硬件组态和参数分配，需下载到CPU中去，
选择菜单“PLC”——〉 “DOWNLOAD”。
（4）实际组态 已存在硬件中的实际组态和参数分配。可以从CPU直接上传到PC。选择菜单“PLC”——〉 “UPLOAD”。
4.1 .2 PLC基本程序
西门子提供了一些数控PLC基本程序，用户可以根据实际情况调 用这些标准功能块即可，而被系统占用的功能块不能再被编辑，一般用户可使用FB36—FB255，FC36—FC25基本程序由TOOLBOX工具提供，执行TOOLBOX中INSTALL.EXE文件，系统自动安装GP8XOD-X文件集合到STEP下的‘S7 LIBS”目录中，使用时打开基本程序项目库，将
BLOCK目录下的基本程序块拷贝到用户自建的项目BLOCK目录下。
基本程序项目库由组织块（OB），功能（FC），功能块（FB）三种逻辑块和数据块（DB）构成。OB1为CPU循环扫描时间内唯一扫描的主程序，FC或FB被CPU执行的条件是必须是在组织块（OB）中被调用，同时FB和FC也能实现子程序的嵌套。
FB与FC的区别在与它们的变量声明表中能够定义的参数类型不同。当FC的程序执行完成后，FC的参数不能被保存；当FB的程序执行完成后，FB的参数能被保存。在OB1中调用FC时，只需直接调用，如：CALL FC1；而调用FB时，必须为其分配一个背景数据块，用来保存FB的参数，如：CALL FB1，DB7。背景数据块的数据格式与相应FB的变量声明表的数据格式相同，不允许用户进行修改。
关键词：SINUMERIK 840D（数控系统）PLC NCU（数控单元）MMC（人机通讯）
1引言：
DH2200/80-12是我厂90年代初引进的第一台具有全功能的重型数控卧式车床，主要用于对汽轮机转子零部件进行精加工，为我厂创造了上亿元的产值。但由于电力电子器件的飞速发展和技术的不断更新，该设备不能适应工厂产品系列化、快速化发展的战略目标。其具体表现为：原有数控系统880电力电子器件老化严重，故障频繁；且许多主要电器元件现已经淘汰，备件购买困难而且周期长，不易维护；需要专门的编程人员，不能实现资源的共享。因此，对该卧式车床进行全面的电气改造具有可行性和必要性。
2 SINUMERIK 840D数控系统的组成：
SINUMERIK 840D是一种微处理数字控制系统，用于控制带数字驱动的机床。由数控及驱动单元(NCU),MMC,PLC模块三部分组成。
2.1 NCU（Numerical Control Unit）数字控制部件
根据选用硬件如CPU芯片等和功能配置的不同，NCU分为NCU561.2，NCU571.2 NCU572.2，NCU573.2（12轴），和NCU573.2（32轴）等若干种型号。
NCU单元中集成有SINUMERIK 840D数控CPU和SIMZTIC PLC CPU芯片，包括相应的数控软件和PLC控制软件，并且带有MPI或PROFIBUS接口，RS232接口，手轮及测量接口，和PCMCIA卡插槽。
2.2 MMC(Man Machine Communication)人机通讯
人机通讯是数控系统和人进行信息交流的通道。包括三部分: OP(Operation Panel),MMC,MCP。
2.2.1 OP 操作面板
OP(Operation Panel)单元一般包括一个10.4″TFT显示屏和一个NC键盘，因此OP单元和MMC建立起SINUMERIK 840D与操作者之间的交换界面。建立的条件是SINUMERIK 840D数控系统应用的是MPI（Multiple Point Interface）总线技术，传输速率187.5K/秒，OP单元为这个总线网络中的一个节点。
2.2.2 MMC计算机
MMC实际上一台计算机。它有自己独立的CPU，还可以带硬盘，带软区。OP单元正是这台计算机上的显示器，而西门子MMC的控制软件也在这台计算机中。西门子公司根据不同的用户制造了不同档次的MMC，一般最常用的有MMC102.2及MMC103，对于SINUMERIK 810D
数控系统配MMC102.2，对于SINUMERIK 840D数控系统配MMC103。
2.2.3 MCP 机床操作面板
MCP（Machine Control Panel）是专门为数控机床而配置的操作面板，它是通过MP（Multiple Point Interface）总线技术连接于数控系统。根据应用场合不同，其布局不同，有车床版MCP和铣床版MCP两种，本次设计采用车床板操作面板。
2.3 PLC模块
SINUMERIK 840D数控系统的PLC部分使用的是西门子SIMATIC S7-300的软件及模块,在同一导轨上从左到右依次是电源(Power Supply)，接口模块(Interface Module)及信号模块(Signal Module)。PLC的CPU与NC的CPU是集成在NCU中的。 电源模块（PS）是为PLC和NC提供电源+24V和+5V。接口模块（IM）是用于级之间互连。信号模块（SM）是用于机床PLC输入/输出的模块，有输入型和输出型两种。
3 硬件设计
DH2200/80-12是一台具有全功能的重型数控卧式车床。由床头箱、刀架、尾座、闭式中心架构成机床的主体。铁屑输送器、冷却装置、液压油箱、油温控制器作为机床的辅助设备。该机床采用SINUMERIK 840D数控系统，光栅尺作为位置检测元件，构成全闭环控制系统。现以刀架的改造为例来阐述840D的应用。
西门子840D系统为当今世界较先进的数控系统，该系统所配的伺服驱动系统为611D数字型驱动系统，所配的交流伺服电动机X、Z轴为1FT6132-6SC71-1AH0。主轴驱动仍保留原来6RA27全数字式直流调速系统。
840D数控系统通过总线与CRT、MCP、MMC103、S7-300和ET-200 PLC相连，具体连接方式见（硬件连接总框图1）
3.1 SITOP电源和伺服电源模块
SITOP电源为MMC和PLC接口模块与信号模块提供稳定的电源。伺服电源模块主要为NCU和给611D数字驱动提供控制和动力电源，产生母线电压，同时监测电源和模块的状态。根据容量所选电机的总的容量大于15KW以上，所以选用带有馈入装置的电源模块I/RF系列。伺服电源馈入模块能否给611D驱动模块供电决定于它的脉冲使能信号（端子63与9），控制器使能信号（端子64与9），内部接触器使能信号（端子48与112），这些使能信号通断都是通过PLC程序来控制实现的。其上电顺序是，内部接触器使能信号，脉冲使能信号，控制器使能信号。
3.2 MMC人机界面
MMC是人机界面，用于图形的显示，数字等的输入。根据该机床的特点，我们选用OP031(Operation Panel)操作面板，计算机CPU为奔藤，可硬盘的MMC103系列，MCP选用车床版系列。三者之间的通信方式是这样的：MMC103接口X3与OP031通过MPI总线连接，MMC103接口X4与MCP接口X20相连通过MPI多点通信协议与NCU接口X101连接。MMC接口X1与MCP接口X10跟SITOP电源相连，SITOP电源为它们工作提供恒定电源。
3.3 NCU数控单元
NCU数控单元是CNC控制部件的核心，根据NC和PLC存储容量的不同，该机床选用NCU572.2系列。NCU数控单元包含NC CPU和PLC CPU，它与MMC、伺服电源模块、主轴伺服驱动装置、进给伺服驱动装置和伺服电机连接。
3.3.1 NCU和MMC的连接
NCU接口X101和MMC接口X3相连，为MMC提供DC24V电源，并提供数据发送使能，只有在使能的作用下NCU和MMC之间才能进行数据的接受和发送，同时提供了LCD帧频和LCD钟频。
3.3.2 NCU和伺服电源模块连接
电源模块与NCU进行数据的接受与发送是通过设备总线进行交换的，连接方式是NCU接口X172与伺服电源模块接口X351相连。
3.3.3 NCU与主轴驱动控制模块（ANA）的连接
主轴驱动模块与NCU进行数据的接受与发送是通过设备总线进行交换的与驱动总线来实现的，连接方式是NCU接口X172与主轴驱动模块接口X351相连。
3.3.4 NCU与数字驱动模块（611D）的连接以X轴为例。
数字驱动模块对电机转速大小，定位的控制的数据的交换是通过611D驱动总线接口X341与设备总线接口X151跟NCU驱动总线接口与设备总线接口相连实现的，处理是通过NC（CPU）、PLC（CPU）与MMC（CPU）三者。
3.4 数字驱动模块（611D）与进给电机连接
本次设计采用全闭环控制，通过伺服电机编码器和光栅尺作为位置检测元件与数字驱动模块（611D）位置接口X411和接口X421，构成全闭环控制系统，实现了对数控机床的精确定位控制。
4 软件设计
SINUMERIK 840D的软件设计就是处理NCU和MMC之间，NCU和PLC之间，PLC与MMC之间的接口信号，NC的参数配置（包括各种补偿）以及PLC报警文本。NC、PLC和MMC之间既相互独立，各自负责一部分功能；又相互联系，彼此交换信息。
4.1 PLC应用程序的设计
硬件连接好后，开始对系统进行PLC程序调试时，必须要求对系统作一次（PLC）总清或总复位。PLC总清完成后，PLC程序即可进行调试。SINUMERIK 840D的PLC使用的是SIMATIC S7-300。故而调试软件为STEP 7。
PLC总清操作步骤如下：
（1）将PLC启动开关S4 ——〉 “2”＝＞PS灯会亮。
（2）S4 ——〉 “3”并保持约3秒直到PS灯再次亮；＝＞PS灯灭了又在亮。
（3）3秒之内，快速地执行下述操作S4“2”——〉 “3” ——〉 “2”；＝＞PS灯先闪，后又亮，PF灯亮。
（4）等PS和PF灯亮了，S4——〉 “0”PS和PF灯灭，而PR灯亮。
通过PLC的编程功能，PLC程序能够对NCU、机床及机床控制面板的信号进行处理，同时实现对急停信号与超程信号的实时监控，完成对坐标轴的定位控制。
4.1 .1 S7-300硬件配置
S7-300硬件组态在硬件配置窗口中完成。光标点击STATION目录级，选择“Hardware”图标，进入硬件配置窗口。
（1）组态 在硬件组态的站窗口中分配机架，可分布式I/O，可以从硬件目中选择部件。
（2）参数分配 建立可分配参数模块的特性，如：启动特性，保持区等。
（3）设定组态 设定好的硬件组态和参数分配，需下载到CPU中去，
选择菜单“PLC”——〉 “DOWNLOAD”。
（4）实际组态 已存在硬件中的实际组态和参数分配。可以从CPU直接上传到PC。选择菜单“PLC”——〉 “UPLOAD”。
4.1 .2 PLC基本程序
西门子提供了一些数控PLC基本程序，用户可以根据实际情况调 用这些标准功能块即可，而被系统占用的功能块不能再被编辑，一般用户可使用FB36—FB255，FC36—FC25基本程序由TOOLBOX工具提供，执行TOOLBOX中INSTALL.EXE文件，系统自动安装GP8XOD-X文件集合到STEP下的‘S7 LIBS”目录中，使用时打开基本程序项目库，将
BLOCK目录下的基本程序块拷贝到用户自建的项目BLOCK目录下。
基本程序项目库由组织块（OB），功能（FC），功能块（FB）三种逻辑块和数据块（DB）构成。OB1为CPU循环扫描时间内唯一扫描的主程序，FC或FB被CPU执行的条件是必须是在组织块（OB）中被调用，同时FB和FC也能实现子程序的嵌套。
FB与FC的区别在与它们的变量声明表中能够定义的参数类型不同。当FC的程序执行完成后，FC的参数不能被保存；当FB的程序执行完成后，FB的参数能被保存。在OB1中调用FC时，只需直接调用，如：CALL FC1；而调用FB时，必须为其分配一个背景数据块，用来保存FB的参数，如：CALL FB1，DB7。背景数据块的数据格式与相应FB的变量声明表的数据格式相同，不允许用户进行修改。
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