基于802C数控系统的二次开发技术研究.pdf

第2 9 卷第8 期增刊仪器仪表学报V 0 1 2 9 N o 82 0 0 8 年8 月C h i n e s eJ o u r n a lo fS c i e n t i f i cI n s t r u m e n tA u g,2 0 0 8基于8 0 2 C 数控系统的二次开发技术研究张建宝丈立伟肖军李勇(南京航空航天大学南京2 1 0 0 1 6)摘要：本文分析了西门子8 0 2 C 数控系统的软硬件结构，以数控系统实验平台为基础，对8 0 2 C 系统的二次开发技术进行研究：详细分析8 0 2 C 系统集成P L C 开发技术与通用P L CS 7-2 0 0 的差异提出一种针对于P L C 循环周期的测试方法关键词：8 0 2 C 二次开发P L C 循环周期T h eR e s e a r c ho ft h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tb a s e do n8 0 2 Cn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mZ h a n gJ i a n b a oW e nL i w e iX i a oJ u nL iY o n g(N a n j i n g U n i v e r s 砂o f A e r o n a u t i c s A s t r o n a u t i c sN a n j i n g 2 1 0 0 1 6)A b s t r a c t：T h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fS I E M E N S8 0 2 CN u m e r i c a lC o n t r o lS y s t e mi sa n a l y z e d O nt h ef o u n d a t i o no ft h eN Cs y s t e me x p e r i m e n tp l a t f o r m，t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to f8 0 2 Cs y s t e mi sr e s e a r c h e d T h ed i f f e r e n c e so ft h ed e v e l o p m e n tt e c h n i q u eo fb e t w e e nt h eP L Cp e r t a i n e dt o8 0 2 Ca n dt h eg e n e r a lo n ea r ed i s s e r t e d0 1 3 O n et e s t i n gm e t h o do ft h ec y c l et i m ei sa d v a n c e di na l l u s i o nt ot h eP L C K e yw o r d s：8 0 2 Cs e c o n d a r yd e v e l o p m e n tP L Cc y c l et i m e1引言8 0 2 C 系统是西门子公司专门为中国市场开发的一种经济型数控系统，具有较高的性价比，并在中低端车床、铣床以及机床改造等领域有极其广泛的应用。8 0 2 C 系统二次开发技术的系统化研究对我国中低端数控机床的普及有极大的推动作用。2 西门子8 0 2 C 数控系统8 0 2 C 系统可控制3 个伺服电机进给轴和1 个伺服主轴，采用集成式P L C，分离式小尺寸操作面板和机床控制面板：安装调试方便快捷、操作编程简单方便，具有可靠性高、稳定性强的特点；是一种较先进的经济型C N C 数控系统。2 18 0 2 0 系统硬件8 0 2 C 数控系统由以下几部分组成：操作面板、机床面板、N C 单元、输入输出模块等。N C 单元是3 7 98 0 2 C 系统的核心部件，其f：具备连接数控系统其它部件的各种接口，包括操作嘶板接口X 9、进给轴主轴驱动接口X 7、进给轴主轴编码器接口X 3 X 6、电子手轮接口X 1 0 等，如图l 所示。进给轴主轴驱动接口X 7 提供士1 0 V 模拟驱动器接口，通常用于驱动1 F K 7 交流伺服电机和1 P H 7 交流主轴电机。8 0 2 C 系统提供1 6 1 1 6 0 的D I o 模块，并可根据机床配置需求，最多可配置4 个同种型号的模块。图l8 0 2 C 系统部件连接及接口筻8 期增刊张建宝菩一基于8 0 2 C 数控系统的二冼开发技术研究2 28 0 2 c 幕统软件西门子8 0 2 C 系统软件由3 大部分组成分别为N C 永久存储器F L A S H 中的系统软件、工具盘软件和更新软件。系统软件包含引导软件、M M C软件、N C K 软件、P L C 软件和内装P L C 实例程序。系统软件各组成子软件功能详见表】工具盒软件主要包括用于P C P G 的w I N P c I N 传送软件、P L C程序库和机床数据文件等寝1 系统软件于软件功佳”1软件名功能引导鞔件(B o o t 软件)M M C 软件(人机通信)N C K 软件(数控主机)P L C 软件将系统软件装载劐亭睹嚣(D R A M 中井启动系绕人机变i 执行所有操作功舱执行所有N C 功能控制一个包古3 个进培轴和l 十t 轴的N C 通道循环执行内装P L C 程序内蕴P L C 宴倒程序将8 0 2 C 系统与机床功能组台3 西门子8 0 2 C 数控系统的二次开发数控系统的次开发包括系统电气结构设计、驱动系统安装谓试、机床参数设置和P L C 参数设置及其控制程序开发等。其中，系统电气结构设计、驱动系统安装调试、机床参数设置3 个部分具有相应的设计标准或说明，只需根据机床的实际情况和相关设计要隶进行设计和参数设定。面P L C 参数设置及其程序开发是数控系统预蜜的系统二次开发的主要技术平台，具有极大的灵活性和可设计性。在数控系统满足基本技术要求的前提下，可根据机床控制的不同特点，利用此平台，开发出相应P L C控制程序，实现机床的并种特殊控制功能。西门子8 0 2 C 系统虽属中低端标准数控系统，同样提供了丰富的二次开发功能。通过系统相关参数的设置，可使机床适应不同配置的需求，并使其处于最佳运行状态。通过P r o g r a m m i n gT o o l8 0 2 编程软件进行P L C 编程，实现机床的逻辑控制，如P L C 轴监控、诊断、报警等控制功能。为了对8 0 2 C 数控系统的二次开发技术进行系统研究，我们搭建了S I E M E N S 数控系统实验平台，如图2 所示。针对于8 0 2 C 二次开发技术，尤其是P L C 开发技术，以此实验平台为基础，开展了一系列研究与仿真试验。囤2S I E M E N S 数控系统实验平台4 集成P L C 开发8 0 2 C 系统集成P L C 为S I M A T I Cs 7-2 0 0 软件P L C，作为机床电器逻辑控制装置，处于C N C 装置和机床乏佩，实现对M、S、T 等辅助功能的控制功能。P L C 通过输入、输出模块与机床、电气控制系统、伺臌控制系统相连接采集系统备部分的T作信息，根据c N c 指令及F L C 控制软件来控制备部分的运行。在C N C 内部通过数据块(m B l o c k简称D B)与N C K、M C P 交换信息，以实现数控系统各部分之间的协谓控制。41 辅助功靛应用西门子8 0 2 C 数控系统的N C 运动程序中可以编写以下辅助功能：M 功能、T 功能、s 功能、F功能、D 功能、S P O S 功能等。其中，M 功能和T功能常输送给系统集成P L C，经P L C 程序相关控制模块处理激活相应动作其中，一般M 功能用于激活机床运行中的开关量动作，T 功能用j。机加_ L 中第2 9 卷仪器仪表学报的换刀控制。部分固定的M 功能和T 功能机床参数设置在系统默认的机床数据文件中已经存在，可直接在P L C 程序中调用；但剩余的M 功能和T 功能必须经过相应的参数设定，才能在P L C 程序中使用。在进行辅助功能相关的机床参数设定后，P L C程序可直接调用辅助功能相应的C N C 通道辅助功能接口，经P L C 内部功能控制模块逻辑处理，就可实现辅助功能的相关操作，其中M 功能C N C 通道接口如图3 所示，T 功能C N C 通道接口如图4 所示。例如：调用辅助功能M 2 0 直接激活集成P L C 中的输出端子Q o 0。在机床参数设定后，直接调用辅助功能M 2 0 的C N C 通道接口V 2 5 0 0 1 0 0 2 4 激活集成P L C 输出端子Q o 0，即可使输出端子Q o 0 激活相应机床控制开关量，如图5 所示。辅助功能T 的调用方法与辅助功能M 大致相同，只是数据类型为D W O R D，使用时应加以注意。始目y口i c 遁遘M 功般口一B 妒瑚p髓pB 蛇陆弦酗妒B j l 弘B 妒B 们p2 如l l l pm，M l，M pM 弦M#M p鼢，M 和珊l l pm pM 9】瑚舭眦l p姒如眦弦M l 驴M l，挪l O l p黼M 卯一脚黼口一一图3M 功能接E l i l】I 穰秘c N c 遵谨T 功麓印lI 印嘲pI 雠p眈2，B 矗扣舶pB 迁p盼l2 姗咖0：T 功管(粼：D 哟R D，I图4T 功能接L-l 1 i宁酉两4 2P L C 开发例程库集成P L C 程序的开发是数控系统二次开发的核心部分。为减少系统二次开发的工作量，西门子公司提供S I E M E N S8 0 2 S c D 数控系统子程序库。子程序库例程是适用于普通2 轴数控车床和3轴数控铣床的P L C 实用程序。子程序库由2 个P L C项目文件和相应的说明文件组成。项目文件S U B RL I B R A R Y P T P 包含子程序库所提供的全部3 8 1子程序和空的主程序(O B l)，其子程序涵盖了各种基本功能(表2)。利用这些程序，可根据模块化设计的原则，像搭积木一样在主程序中调用相应的功能控制子程序。项目文件S A M P L E P T P 是利用S U B RL I B R A R Y P T P 的子程序搭建的一个完整的实用程序，并将其预先装入系统中。对于S A M P L E P 1 1 P 控制功能可以覆盖机床控制功能的数控机床，只需要设定相应P L C 参数，不必另行编写P L C 程序。当然，如果例程库不能满足机床的控制功能要求，可以修改P L C 程序，或填加相应的P L C 功能控制模块。8 0 2 C 系统P L C 子程序库的应用大大减少了二次开发的工作量，减短了数控机床的设计开发周期，但P L C 子程序库的应用也存在一些的弊端。首先，子程序存在一些缺陷，需要细致分析、仔细推敲，并在实际工程应用中不断检验改进。文献【3】中提出用于铣床刀具卡紧放松或车床卡盘控制的S B R 4 9(L O C KU N L)子程序在四个方面存在问题，并进行相应改进。其次，P L C 例程库中的子程序需要适合多种数控机床实际使用，虽然这样使其具有一定的通用性，但这将不可避免地导致P L C 程序结构冗余，使P L C 工作循环周期延长，影响机床的P L C 逻辑控制的实时性。4 3 集成P L C 与通用P L C 的差异在集成P L C 开发过程中，必须要注意集成P L C与通用S 7 2 0 0P L C 的差异，详见表3。表中列举的西门子8 0 2 C 数控系统集成P L C 各项数据指标皆低于通用S 7 2 0 0P L C。因此，在进行集成P L C 开发时，应仔细阅读相关手册，并从实际情况出发，不可简单地采用s 7 2 0 0 的例程或相关程序。5 西门子8 0 2 C 系统循环周期测试方法8 0 2 C 数控系统经二次开发后，N C 通道的实时性受二次开发的影响不大；而集成P L C 程序无论由例程库中的子程序搭建而成，还是自行开发，皆对其逻辑控制实时性产生一定的影响。因此，数控系统在二次开发完成后，必须对其集成P L C 的循环周期进行估计和测量。文献【5 7】分别从P L C 工作原理、扫描周期、输入输出延时和程序设计等方面对P L C 响应延时误差进行分析，并且文献【6】和【7】在理论分析的基础上，提出相应的限制条件，在满足这些条件的前提下，就能减少输入输出响应时间，防止输入信号丢第8 期增刊张建宝等：基于8 0 2 C 数控系统的二次开发技术研究失，保证定时器正常工作，提高控制的实时性能。文献【8】在分析P L C 软件执行时序和硬件响应合理配合的重要性的过程中，采用了一种P L C 程序扫描周期的测试方法。但此种测试方法存在不大于一个扫描周期的随机测试误差，并且未形成信号闭环，不符合P L C 实际工况。在充分分析文献 5-7 d P 响应实时性影响因素的基础上，鉴于文献【8】中测试方法的弊端，提出一种符合P L C 实际工况的循环周期测试方法，并针对此种测试方法的不足，提出了相应的改进措施。表28 0 2 C 集成P L C 与S 7-2 0 0 部分配置对比h 15 1 循环周期时问测试方法本文提出的循环周期测试方法主要利用集成P L C 的累加计时器(T O N R)的记忆时间功能测量循环周期时间。系统循环周期测量的信号链接线路和P L C 程序详见图6 和图7。Q o 0 外接蜂鸣器，Q o 1 信号线接入1 0 1，形成信号的闭环回路。1 0 0链接一个开关量信号，作为周期测试的启动按键。按下测试启动按键，计时器T l 开始计时，同时开关量信号沿信号闭环回路传送，待闭环信号循行一周，则T 1 累加记录集成P L C 此循环周期。多次按动启动按键，计时器T l 累加记录多个循环周期时间。当T 1 循环周期累加值大于周期测量设置时间值时，则蜂鸣器呜叫，同时T l 清零复位。从而实现了多个循环周期的累加测量。图6P L C 循环周期测试接线图7 系统循环周期时间测定P L C 程序循环周期测量结果可采用循环周期的时间上限死和时间下限乃的公式，进行多次测量和均值计算，不断逼近真实值。循环周期时间上限瓦和时间下限死的计算公式如下：瓦=么1 1 一t，。1 d 一厅一1)其中，t 为计时器设定时间，强为按键次数。P L C 循环周期测量随计时器设定时间值t 的增大，按键次数玎相应提高，所测鼍出的兀和乃更接近于P L C 的循环周期，所以时间设定值，越大，循环周期的测最精度越高。此循环周期测量方法不仅简便，而且测量精度相当高，可达到毫秒量级。5 2 循环周期测试方法的改进此循环周期测试方法仍存在按键频率不够高的弊端，否则出现按键次数的误记录，导致最终测量结果不正确。为改良这一弊端，可采用中间交量第2 9 卷仪器仪表学报对1 0 0 和1 0 1 的信号进行互锁，并采用计数器进行循环周期次数的记录。蜂鸣器呜叫后，采用集成P L C 编辑软件P r o g r a m m i n gT o o l8 0 2 运行监视功能读出计数器中的周期次数。经上述循环周期测量公式计算，即可求出集成P L C 的循环周期。6 结论1)本文在分析西门子8 0 2 C 数控系统的软硬件结构的基础上，利用S I E M E N S 数控系统实验平台，对8 0 2 C 数控系统的二次开发技术进行系统化研究，并着重分析系统二次开发技术中的集成P L C 的开发技术的意义。2)介绍集成P L C 辅助变量的编程方法：在肯定P L C 例程库积极作用的前提下，指出例程库在应用中存在的弊端。3)通过相关技术指标的对比，证明8 0 2 C 集成P L CS 7 2 0 0 与普通S 7 2 0 0 存在相当大的性能差异，故在集成P L C 程序开发时须加以注意。4)在分析相关文献和测试方法的基础上，提出一种P L C 循环周期的测试方法。此种测试方法简便，并且计时精度较高；并针对测试方法的弊端，提出了相应的改进措施。5)经济型数控系统二次开发技术的系统化研究不仅将推动中低端数控机床的普及，满足中小企业对成本低、效率高、加工精度高、质量稳定的中低端数控机床的迫切需求，而且对具有特殊控制功能的数控设备的开发研究有促进作用。因此，中小型经济型数控机床控制系统二次开发技术的系统化研究具有重要意义。参考文献【l】S I N U M E R I K8 0 2 Cb a s el i n e 调试安装说明【z】冲国：西门子有限公司(中国)，2 0 0 3【2 1S I N U M E R I K8 0 2 S C DP L C 子程序库应用指南【z 1 中国：西门子有限公司(中国)，2 0 0 4【3】龚仲华8 0 2 S C 夹紧，松开P L C 程序的改进【J】制造技术与机床，2 0 0 5，1 1；1 2 6-1 2 9【4】郭宗仁，吴亦锋，郭永可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术【l 咽北京：人民邮电出版社，2 0 0 2【5】唐林可编程序控制器输入输出延迟误差的分析【J】四川职业技术学院学报，2 0 0 4，2(1 4)：1 1 6-1 1 7【6】刘红军，何文庭P L C 控制系统循环扫描时间的分析与设计【J】电力情报，2 2 0 2，2：2 5-2 7川邱公伟，王淑萍P L C 逻辑控制系统循环扫描时间的设计【J】自动化仪表，1 9 9 9，8(2 0)：2 1 2 3【8 l 金德华，余焱P L C 软件执行时序和硬件响应的合理配合【J 1 电工技术杂志，2 0 0 2，1 l：2 4-2 6【9 1 王计波用P L C 与经济数控实现活塞仿形机床的控制p】微计算机信息，2 0 0 7，2 3(4 1)：2 3 5-2 3 8【I O】S I E M E N Ss i n u m c r i k&s i m o d r i v eC a t a l o gN C6 0 z G e r m a n：S I E M E N SA G，2 0 0 6基于802C数控系统的二次开发技术研究基于802C数控系统的二次开发技术研究作者：张建宝，文立伟，肖军，李勇作者单位：南京航空航天大学 南京 210016 本文链接：http:/