基于840D sl OEM開發組件的數控系統電氣調試方法

王照亮 于會龍 邢 雨

（上海三一精機有限公司研究院電氣所，上海 200210）

數控機床在完成機械結構設計與電氣、液壓設計后，需要完成裝配以及調試、試加工過程，達到精度、性能要求，方能交付使用，這一周期通常稱為裝配調試期。如何保證機床部件在此期間避免意外損壞，有效縮短裝配調試周期成為數控機床制造商關注點。在機床電氣調試過程中，通常需要實時監控PLC點信號，并且通過修改PLC值實現機床部件如刀庫、工作臺、主軸動作調試。常見的做法是通過數控系統人機界面NC/PLC變量表中監控、修改變量值。這種方式只表現在0/1數值變化，效果不直觀，且在執行部件動作時，容易出錯，不能急停，這樣易產生因調試人員操作失誤造成電氣部件的損壞，且效率低，調試周期長。

1 840D sl OEM開發組件介紹［1］

HMI（Human Machine Interface，人機交互接口）通過Softbus總線（軟件總線）與NCK（Numerial Control Kernel，數字控制內核）、PLC以及驅動器通信，該Softbus總線類似于PLC通信總線，采用S7協議。外部鏈接HMI系統通過通信處理器將各個部件連接起來。同時，內部HMI可以通過CP與PLC、NCK和其他NC單元的驅動器連接。

NCK和運行于Linux系統上的組件都在x86處理器上運行。獨立處理單元在執行PLC和其他驅動軟件時可用。用戶接口（輸入輸出設備）的虛擬化在一個Thin客戶單元上（Thin Client Unit，TCU）。TCU通過以太網Ethernet連接至NC單元。在圖1中，TCU接口組件包含VNC服務器，該服務器用于系統之間網絡通信。

HMI人機交互接口采用面向組件架構。有兩個主要組件類型:GUI組件和HMI服務。GUI組件實現了用戶圖形顯示（GUI Graphic User Interface）;HMI服務實現用戶操作響應。典型的GUI組件包括HMI對話框和操作區域，例如840D sl人機界面中的加工、參數、程序、程序管理、診斷、啟動區域（圖2所示）。HMI服務實現基本功能，例如支持GUI組件后臺處理功能，如多國語言文字顯示、CF卡通道數據通信、通道變量的讀寫、警告和事件服務（提供所有當前警告和程序段給HMI）、對NC、CF卡以及其他存儲介質如網絡驅動器、USB設備中文件和文件路徑的操作處理。

2 電氣調試軟件功能與意義

基于840D sl數控系統的OEM電氣調試軟件，包括如下功能:在進行數控系統電氣調試時，可以分為刀庫、工作臺、輔助功能調試3個模塊，模塊本身具有可擴展性。通過添加數據庫表單實現新功能的添加。并且，每個電氣調試模塊可以分為系統狀態監控區、自定義信號監控區、動作預覽區、操作提示區以及軟鍵區，如圖3所示。圖4為按照布局設計所實現的調試軟件界面。系統狀態監控區顯示當前機床數控系統的伺服驅動器使能信號、調試功能準備狀態以及當前動作執行狀態等信息。自定義信號監控區顯示機床上用戶需要關注的接近開關、觸點開關、壓力繼電器等傳感器的狀態;動作預覽區顯示用戶當前選定動作的動畫模擬;操作提示區用于提示操作者操作方法與當前動作是否與數控系統NCU建立通信并執行;軟鍵區主要顯示支持的機床調試動作功能。

該電氣調試方法代替了傳統數控機床上錯綜復雜的操作按鈕，使得操作面板顯得非常簡潔、易于操作。調試人員只需在后臺的調試數據庫（見3.3）簡單地輸入幾個數據，就可以方便地生成調試界面;進而，提高了調試效率，降低了調試工作復雜程度，縮短了機床調試周期。

3 調試軟件設計

本文論述的機床電氣調試軟件是基于840D sl OEM開發組件，采用Visual Studio 2010與QT界面技術編譯軟件界面，采用SQLite小型數據庫作為調試參數存儲數據源，采用XML語言作為界面布局，動作預覽采用Solidworks三維造型軟件創建部件三維模型，通過OpenGL讀取模型文件［2］，并控制模型部件運動以生成動畫效果，給操作者以動作預覽。

3.1 軟件運行框架與界面

數控系統電氣調試軟件的3層軟件架構（圖5）包括數據鏈接層、系統管理層和HMI交互層。

數據鏈接層由系統啟動配置文件、OEM界面布局、動態鏈接庫、用戶數據庫構成。啟動配置文件systemconfiguration.ini，該文件指定與 840D sl Operate 一起啟動的用戶自定義界面;OEM界面布局文件Screen-Dialog.xml，通過xml格式代碼生成調試軟件界面框架，調整軟件模塊之間的跳轉關系以及用戶界面布局;動態鏈接庫OEM DLL文件，編譯了OEM軟件對用戶操作的響應以及與數控系統內核NCU的數據通信、OpenGL實體建模、數據庫操作、報警處理以及用戶信息反饋等功能;數據庫采用SQLite，用于提供電氣調試的相關數據以及監控信息，可隨時更改數據庫內容，并能實時更新。數據庫結構可以分為刀庫動作使能數據表、刀庫監控信號數據表、工作臺動作使能數據表、工作臺監控信號數據表以及輔助功能的使能數據表與監控信號數據表。

系統管理層為SINUMERIK 840D sl數控系統自帶的人機交互（HMI）軟件，其系統管理部分由run_hmi與SystemManager組成，SystemManager系統管理器讀取系統配置文件systemconfigu－ration.ini以及其他多個系統啟動配置文件，根據其中指定內容載入不同的動態鏈接庫以及界面布局和界面所用資源，比如slMachine.dll與 slMachine.xml，這兩個文件是840D sl HMI加工界面對應的動態鏈接庫與界面布局。

HMI交互層將數據鏈接層與NCU通信數據、數據庫中存儲數據、NCU報警信息以及OpenGL運算后實體模型動態變化數據通過文字、圖片、動畫、圖線圖形等方式反饋至機床面板顯示器（OP，Operate Panel）上，用以提示用戶當前機床監控信息、所選動作預覽、動作執行情況。

3.2 軟件運行流程

數控系統電氣調試方法實施例的步驟流程圖，該方法包括如下6個步驟:

（1）生成人機交互界面（HMI）。基于啟動配置文件，對系統進行初始化，并根據預置的界面布局，生成人機界面。

（2）讀取系統語言。根據用戶設定的語言讀取人機界面所有語言源文件，并顯示在人機界面上，以支持多語言界面。

（3）啟用軟鍵組禁用關系。啟用軟鍵組禁用，并將當前數控機床系統運行狀態通過人機界面反饋給用戶;當操作條件滿足，禁用的軟鍵組自動啟用。

（4）建立調試用數據庫鏈接。調試數據庫接收用于數控系統電氣調試的數據源。

（5）建立槽通信機制。基于獲取的數據源，建立人機界面與數控系統內核之間數據連接的通信槽。

（6）響應用戶調試操作。基于所建立通信槽，接收用戶發送的、用于實現數控系統功能動作的按鍵操作，并將該功能動作發送至數控系統內核，使機床執行調試動作，動作完成后，將執行結果反饋至人機交互界面。

調試軟件運行流程如圖6所示。下面，對上述方法做進一步的詳細說明。

（1）初始化。數控系統界面啟動，根據系統啟動配置文件，啟動調試輔助軟件，實現軟件初始化。根據界面布局生成人機界面，包括軟件軟鍵欄、以及監控界面、動作預覽區、操作提示區。

（2）讀取系統語言。根據用戶設定的語言讀取軟件界面所有語言源文件，并顯示在人機界面上，用于支持多語言界面。

（3）啟用軟鍵組禁用關系，并將當前運行狀態反饋給用戶。主要用于保障機床安全調試，將為滿足條件的功能禁用，避免用戶誤操作。當操作條件滿足，相應軟鍵功能自動啟用。

（4）讀取數據庫。調試數據庫只對電氣調試人員開放，用于存儲調試過程中用到的PLC數據以及NC數據與自定義文本、圖片。該步驟主要用于下一步建立槽通信，為與數控系統NCU通信提供數據源。

（5）建立監控信號槽通信。QT槽通信機制用于建立人機界面與數控系統內核NCU之間數據通信。首先，將讀取的數據源發送給數控系統內核NCU，并將NCU反饋回的數據通過圖形或文字方式表達在人機界面，用于提示調試人員機床的運行狀態信息。同時，將調試功能數據源發送給數控系統內核NCU，建立用戶與數控系統之間數據連接。

（6）進入用戶操作響應循環。通過接收用戶按鍵操作，將該功能動作的過程在動作預覽區進行演示，以提醒用戶該動作功能。然后，將選定功能動作發送至數控系統，并執行機床調試動作，動作完成，將執行結果返回至人機交互界面。用戶操作響應循環直到用戶退出程序，最后程序釋放占用內存與線程。

3.3 數據庫結構及自動讀取

圖7所示為SIEMENS 840D sl數控系統的加工界面，該界面含有水平軟鍵欄與豎直軟鍵欄，對話窗口區等。其中水平、豎直軟鍵欄分別由水平方向8個軟鍵、豎直方向8個軟鍵構成。在OEM開發組件中，每個軟

鍵對應屬性包括其所屬于的Screen、Softkeybar、Function、TextID、TranslationText等屬性。在自定義的調試軟件中，每個動作對應一個軟鍵，每個軟鍵又同樣具備以上屬性。因此，在建立數據庫時，每一條數據記錄包括這些屬性以及其他自主添加的屬性。數據庫結構及數據庫屬性含義如表1、表2所示。

表1 數據庫結構表1表名:ActionTable_TAB 描述:用于調試工作臺的用戶自定義動作數據

表2 數據庫結構表2表名:MonitorTable_TAB 描述:用于調試工作臺的用戶自定義監控數據

采用Qt讀取數據庫數據的方法需要3個步驟:

（1）建立數據庫鏈接;

（2）檢索數據并對數據進行處理;

（3）對于用戶軟鍵操作，依據數據庫中檢索內容，做出相應的響應，控制數控機床執行動作。

4 結語

本文所述電氣調試方法在實施過程中具有以下優勢:

（1）調試軟件執行調試動作成功率高，將電氣調試周期縮短50%以上。

（2）方便調試人員使用，可擴展性強。調試人員只需要修改數據庫中監控信號PLC的I/O點值就可以實現實時監控，同樣修改數據庫值可以實現調試動作修改。

（3）有效避免誤操作導致的部件損壞。調試軟件中包含動作預覽功能，提醒操作人員動作執行過程，有效避免操作者誤操作。

（4）監控界面幫助調試人員快速定位電氣方面故障。

（5）該軟件采用自主軟件運行流程，有效實現軟件運行中動作軟鍵的互鎖關系，避免用戶誤操作。

綜上所述，本調試方法代替了傳統數控機床上錯綜復雜的操作按鈕，使得操作面板顯得非常簡潔、易于操作。調試人員只需在后臺調試數據庫簡單地輸入幾個數據，就可以方便地生成調試界面。在電氣調試過程中，通過為專用機床定制開發相應的部件調試功能，比如刀庫調試、托換工作臺調試、定位精度調試、主軸調試，根據用戶需求自由擴展調試功能，可以提高調試效率，降低調試工作復雜程度，縮短機床調試周期。

［1］SIEMENS.SINUMERIK 840D sl programming of HMI sl［Z］，2009.

［2］周靜，陸寶春.數控仿真系統三維建模技術研究［J］.機床與液壓，2007，35（4）.