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数控系统中集成PLC的程序升级建设探究

2020-8-28 来源：上海虹口区同嘉路汽车工业培训中心作者：朱雪亮

摘要：文章主要总结了德国进口机加工流水线上数控加工工位的数控系统改造中PLC程序升级方面的经验和方法，详细探讨了系统选型、网络配置、S5到S7的程序升级、系统接口、调试经验和方法。

关键词：805；804D；PLC；数控升级；Profibus　　

上汽大众主要生产流水线分别由德国 E X -CELL-O和GROB公司提供，加工精度高、节拍时间短。而目前使用的SIEMENS 805数控系统有近30套，生产线面临停产危险。所用的INDRAMAT驱动和INDRAMAT电机也早已停产，只能按订单生产，订货周期长、价格高，并且价格每年上升。

1、数控系统选型

SINUMERIK 840D系统是西门子公司推出的一款数字化的高档数控系统，与之匹配的驱动和电机也都是数字化的，内置S7程控功能，程控和数控系统高度集成，有中文操作界面，界面亲和力高。从发展趋势看，该系统已进入成熟期，现已成为西门子公司高档系统中的主流机型，性价比高、生命周期长。因此，选用840D作为更新的方案。

2、总体方案改造

经过反复考虑，确定以下几点改造原则：

（1）原有机械结构、数控、伺服驱动、伺服电机、反馈必须拆除，无法作为备用恢复。

（2）考虑到操作工操作习惯及维修工的修理思路，改造后需保证改造工位的程序结构和编程思路不变，操作界面及操作习惯不变。

（3）减少对改造工位和非改造工位的相互干扰，生产线的总站及其他工位不增加硬件，保持原有程序，数据接口不变。

（4）为了快速诊断是改造工位产生故障，还是非改造工位产生故障，改造部分和其他部分的信号接口格式保持不变，两者之间用工业网络进行连接，保持网络传输时的数据一致性和有效性。

（5）由于改造时间很短，NC接口及PLC的程序转换后，必须进行仿真验证。

3、系统方案

805数控系统有两种控制方式：805数控系统控制INDRAMAT驱动来驱动INDRAMAT电机；805数控系统控制SIEMENS 611A驱动来驱动1FT5、1PH6电机。两种方式的区别在于数控系统中的驱动参数不同，在升级时需要分别转换。改造后都为840D 数控结构：数控部分用SINUMERIK 840D系统替代SINUMERIK 805数控（同时用840D内置S7程控系统替代805内置S5程控系统）。选用的NCU是：SINUMERIK 840D/DE NCU 572.4，内置S7、Profibus dp。

4、网络构建

原生产线采用S5-115U作为总站，每个工位作为分站，用L2-DP网络结构，被改造工位是DP上的一个从站。840D的程控系统是S7-DP，如果作为分站直接连到总站上，对网络的压力较大，配置烦琐。考虑到减少对改造工位和非改造工位的相互干扰，生产线的总站及其他工位不增加硬件，保持原有程序，数据接口不变。

选用DP/DP couple作为中继。DP/DP Coupler用于连接两个Profibus-DP主站网络，实现网络间数据通信。两个网络的通信速率、站地址可以不同，两个网络电气隔离，一个网段故障不影响另一个网段的运行，非常适用于不同通信速率的两个Profibus-DP主站系统间的数据通信。数据通信区最高可以达244字节输入和244字节输出。

网络1（S5-115U主站系统）：以下介绍配置过程：

（1）PC中安装840D Toolbox。

（2）打开Step7软件，新建一个工程项目文件，命名为“ZK1_AF10_13A”，在项目下插入一个S7-300站。

（3）双击插入的S7-300站的“Hardware”，打开硬件组态，在硬件组态界面下插入840D机架（PLC 314C-2DP），io接口模块。从CPU的MPI/DP接口中新建一条Profibus（1）网络，网络协议为

“DP”，波特率为“1.5Mbps”。

（4）从硬件目录中将DP/DP Coupler拖曳至Profibus Master中，在硬件组态中双击DP/DP Coupler打开其属性对话框，设站地址为“3”。

（5）切换到“Parameter Assignment”对话框，设定模块的外部诊断使“Diagnostic”属性设为“ON”。ON：如DP/DP Coupler网络中有诊断报告产生时（如DP连接器从网络中拔出），OB82将被调用，SF指示灯亮，“模块错误”信息将被写入CPU诊断缓冲区。OFF：如DP/DP Coupler网络中有诊断报告产生时（如DP连接器从网络中拔出），OB82将被调用，SF指示灯不点亮，也没有任何信息将被写入CPU诊断缓冲区。

DP/DP Coupler的优点是两个网络电气隔离，一个网段故障不影响另一个网段的运行。但是一个网段故障，DP/DP Coupler一端信号更新不及时，传递到DP/DP Coupler另一端后，会依据错误信号进行后续运动，从而产生混乱。在两个网段中加入“心跳检测”程序，实时监测两个网段的活跃度。

5、数控系统信号匹配

805系统的NC-PLC接口信号的定义和840D有所不同，必须逐一验证信号的触发条件。840D系统PLC应用接口的数据模块主要信号模块分配如下：

（1）操作面板→NC：805的输入信号与功能是一一对应的。840D系统要在PLC中设定操作面板的首地址，再加上相应的偏置来确定信号地址。

（2）DB 21 to 30 NC通道接口：通道的许可信号及传输M功能。805输出M功能时区分动态信号和静态信号，而在840D中没有区别，都是动态信号。为了和原程序达到统一，在程序中添加RS触发器。

（3）DB 31 to 61 进给轴/主轴接口：进给轴/主轴的轴控制参数进行转换。

（4）其他的信号接口包括DB2 to 4 PLC信息、DB10 NCK接口等也需要对应转换。

6、STEP5到STEP7的程序转换思路

6.1　以功能为主的转换方法

如果设备的功能比较简单，调试工期长，原程序的功能块比较复杂，无法读懂或没有时间读通，可以采用此方法。具体方法是：在改造前期了解原程序的程序结构和每个块的含义、数据接口和信息交换的规则、数据块的作用和关键数据点的含义。详细记录设备的功能逻辑，如输送逻辑、上下料、夹紧逻辑、工艺过程、冷却控制、人机界面等。将可转换的功能块转换好备用，对功能块做简单了解。以上工作花费较短时间就可以完成。改造期间，以实现功能为主，原程序与自编程序相结合，现调现编。

本方法可以减少前期投入时间，在详细了解设备功能的情况下能实现程序升级。采用本方法会导致原设备非表面功能的缺失，例如某些安全功能和检测功能。由于是非结构性编程，容易在程序中用打补丁的方式实现功能，所以因编程人员的能力不同，程序的严谨性和易读性会有所不同。

6.2　以原程序为主的转换方法

适用于设备的功能复杂，调试工期短，要保留原程序所有功能。具体方法是：除了对程序结构和每个块的含义、数据接口和信息交换的规则、数据块的作用和关键数据点的含义、设备的功能逻辑进行理解，还要读通程序，读懂每个功能，做好升级程序的功能测试。以上工作要花费较长时间，对技术人员的能力也有一定的要求。在改造期间，在翔实的测试数据和严谨的改造步骤中，可以快速完成调试。

这个方法需要大量的前期投入时间，能通过阅读程序了解设备功能。采用本方法会保留原设备的所有功能，例如某些安全功能和检测功能。由于是结构性编程，程序有良好的严谨性和易读性。无须过多的培训，维修人员和操作人员就能按以前的经验进行工作。本次改造就采用这个方法。

7、STEP5到STEP7的程序转换过程

使用S7自带的S5到S7的转换工具converting s5 files。使用此工具的自动转换的正确率为70%左右，如果程序仅仅是由STEP5的标准指令集构成，则可以进行完完全全的转换。需要注意的是，并不是所有的STEP5程序都可以转换。比如，STEP7里的许多标准函数已经不采用STEP5的形式。STEP中做了很多简化，一些函数已经不再需要了，还有一些函数被简化为一些参数，可在设置工具中直接

进行设置。这种简化常常出现在应用一些功能模块时（如用于步进电机触发功能模块）。在这种情况下，这些程序块及其调用必须在转换程序前被删除。转换完其他程序之后，这些函数必须在STEP7环境下再次编写。

8、PLC改造的调试和生产

机械拆装时注意仔细安装电机和反馈系统。根据硬件图连接电气线路，注意电源极性、电压，检查I/O点的正确性。机电安装完成后即可通电测试。PLC相关调试步骤如下：

（1）改造前将报警文本、自定义界面、自定义变量等定义装入HMI。

（2）NC中对驱动、电机、编码器进行配置，配置好PLC硬件配置、使用TOOLBOX编写数控配置程序。

（3）测试与总站的网络联通、网络故障检测、故障信息显示与报警消除、急停生效、传感器配对故障。

（4）数控电源上电时序、通道信号调试、轴许可信号调试、进给轴刹车控制（如垂直轴）、夹紧轴的夹紧控制（如转台）、主轴控制，注意在轴初次移动前将轴最大速度值设为较小值，保证

安全。

（5）调试工位操作模式（手动、单步、单机、联机），NC操作模式应自动变化。

（6）调试保护门开关、夹具控制、冷却控制、轴离合器控制等外围控制。

（7）NC程序自动选择：单机时自动调用NC程序（回参考点、回原位、回换刀位、根据工件类型选择加工程序）。

（8）测试NC程序的附加功能（M功能、H功能）。