基于現場總線技術的數控機床通信系統設計

張愛紅

(無錫職業技術學院，江蘇無錫 214121)

隨著制造業信息化、自動化、智能化應用的要求，機床網絡制造、信息集成已成為制造業發展的必然趨勢。現場總線(FieldBus)是信息數字化、控制分散化、開放互操作性的一種通信方式，其中PROFIBUS 是世界上工業自動化等領域應用最成功的現場總線之一［1］。相對于西門子PROFIBUS 總線的廣泛應用而言，目前國內市場占有率較高的FANUC 數控系統有關PROFIBUS 的應用不多，可以參考的文獻更少。在某學院智能工廠開發過程中，通過為配置FANUC 0i D 雙插槽CNC 系統的數控機床擴展PROFIBUS DP 板卡，與SIMATIC PLC 組成PROFIBUS 網絡，實現了西門子PLC 與FANUC CNC 間控制指令、運行狀態等信息的雙向傳遞。

1 系統開發

數控系統PROFIBUS 擴展板卡分為主控板與從控板兩種［2］，安裝的軟件也不相同。當數控系統為從站時，網絡通信組態比較方便。從站配置一般可直接在數控機床上完成，包括設定站號、輸入/輸出數據區，配置完成后將FANUC CNC 從站GSD 文件、從站號、輸入/輸出的地址偏移和信號定義等提供給主站系統，是制造執行系統(MES)實時獲取機床信息的重要保證。

1.1 系統配置

系統開發時以西門子S7 300 PLC (CPU 313C-2DP)為主站，數控車床、加工中心等為從站，從站均配置FANUC 0i D 雙插槽數控單元并安裝PROFIBUS DP 從站板(A20B-8101-0100)及功能軟件。主站向從站發送使能控制，啟動運行，停止、復位等命令，接收從站反饋信息，包括:機床運行狀態，當前運行的程序號，主軸與進給軸的速度與電流反饋值、故障報警代碼等，可應用STEP 7 V5.5 編程軟件進行系統網絡配置，如圖1 所示。

圖1 系統網絡配置圖

1.2 機床側PMC 程序修改與通信設置

1.2.1 PMC 程序與數據區的修改

機床側PMC 程序與DATA 數據區的修改設計是實現SIMATIC PLC 對FANUC 數控系統監控的關鍵。其中輸入/輸出信號的定義非常重要，如果定義錯誤，可能造成嚴重的事故。考慮到不同機床PMC 內部R信號定義不同，在PMC 修改過程中要綜合考慮監控信號數量與機床空閑R 地址區，要注意R 輸入/輸出區域的定義不能交叉重疊。以紐威數控車床為例，將R40 信號(1 字節)定義為輸入地址，用于使能、復位等外部控制，而將R50～R69 (20 字節)定義為輸出地址，用于機床狀態的信號反饋。

(1)輸入信號的梯形圖程序

R 輸入信號以“使能控制”為例。機床側地址為R40.0，由主站PLC 發送1 s 脈沖，R40.0 接通后R50.0 線圈(輸出信號:機床使能狀態信號)通電并保持。而R532.0 為常“1”邏輯，故G8.0 (所有軸互鎖信號:* IT)、G130.0、G130.1 (軸1、2 互鎖信號)信號均接通，機床伺服軸運行使能。除此外，信號R50.0 的常開觸點還串接到了存儲器保護信號G46.3～G46.6 (KEY1～KEY4)、G7.2 (自動運行啟動信號:ST)、G29.6 (主軸停止信號:*SSTP)、刀架子程序調用(SUB65:CALL)等控制回路中。常閉觸點串接到了自定義的報警信號A5.0(2050 ENABLE FIRST)驅動回路中，機床啟動后若無使能信號，則有“2050 ENABLE FIRST”故障信息提示。為了確保手動模式下機床軸停止，通過檢查參數3003 的第0、2 位，確保為“0”。部分修改后的梯圖程序如圖2 所示。

圖2 “使能控制”部分梯形圖程序

(2)輸出信號的梯形圖程序

R 輸出信號，從R50.0 開始，主要用于機床狀態的監控，包括:遠程使能狀態(R50.0)、本機使能狀態 (R50.1)、自動運行中 (R50.2)、機床報警(R50.3)、用戶報警號 (R54～R57)、主軸轉速(R51、R52)、當前刀具號 (R53)、當前程序號(R58、R59)、進給軸的合成速度(R60、R61)、主軸負載信息(R62、R63)、伺服軸負載信息(R64～R69)等，其中主軸與伺服軸負載信息反映了主軸與進給軸伺服電機電流的大小，是機床運行監控時較為重要的指標。

對于機床使能狀態、機床報警等信號的監控，程序修改較為容易，直接讀取或并入一路輸出信號即可，但對于當前加工程序號、主軸與進給軸的運行速度、負載等信息的監控需要應用FANUC PMC 的窗口功能［3］，并修改PMC 參數DATA 數據區。

以讀取當前程序號(功能代碼24)為例，如圖3 所示。首先在PMC 數據表控制畫面中增加新組，此例為第11 組。數據表起始地址為D400;參數取00000000，第0 位為“0”，表示采用二進制格式;數據類型為“1”時的數據大小為2 字節;該組共7 個數據，占用14 字節空間。然后在數據表參數畫面找到D400 地址，輸入功能代碼“24”。上述設置完成后，編寫PMC 程序。由于讀當前程序號為高速窗口功能，因此窗口指令的ACT 可以采用R532.0 常“1”信號驅動。讀取的程序號實時存入D410 開始的2 字節地址內，并通過MOVW 字功能傳送指令，將結果傳送到R58、R59 存儲區，供外部PLC 讀取，如圖4所示。

圖3 PMC 數據表畫面

圖4 PMC 窗口功能指令(WINDR)讀取當前程序號

1.2.2 PROFIBUS DP 從站參數設定

系統中主站(SIMATIC PLC)DP 地址為2，機床從站設置為3～7。其中3、4、5 對應于數控車床，6、7 為加工中心。機床作為PROFIBUS 從站，需要通過MDI 面板手動設置站點號與輸入/輸出地址，站點號必須與編程軟件STEP 7 V5.5 中配置的站號一致，輸入/輸出地址則要根據機床PMC 程序中DI/DO信號的定義，輸入區(或輸出區)的地址必須連續，輸入與輸出區之間不允許有地址重疊，最大可定義244 字節。以紐威機床為例，如圖5—6 所示，系統DI 輸入區(主站PLC 的輸出)首址為R0040，1 字節大小，定義的數據位為:R40.0～R40.7，其中包含了機床使能、運行啟動、復位等控制信號;DO 輸出區(主站PLC 的輸入)首址為R0050，20 字節大小，即定義的數據位為:R50.0～R69.7，其中包含了機床運行狀態、報警信息等反饋信號。設定完成后需重啟系統，功能才生效［4］。

圖5 PROFIBUS DP 從站設置畫面一

圖6 PROFIBUS DP 從站設置畫面二

1.3 西門子PLC 側的組態與編程

1.3.1 STEP 7 硬件組態

首先需安裝FANUC 公司提供的FANUC0805.gsd文件，然后在STEP7 硬件組態程序中，添加一個帶集成DP 口的CPU 作為主站，網絡設置完成后將出現一條代表PROFIBUS 主站系統的總線，在硬件配置目錄中找到“FANUC CNC-2”設備，將它拖放至已經建好的總線中，并設置其DP 地址，組態完成后的畫面如圖1 所示。

1.3.2 STEP 7 軟件編程

根據紐威機床PMC 輸入/輸出接口區的定義，“遠程使能”與“使能斷開”信號分別為R40.0、R40.1，相對于機床DI 首址R0040 的地址偏移為+0.0、+0.1，在西門子PLC 側的地址偏移相同，也是+0.0、+0.1。若3 號從站的輸出首址為Q2.0，則PLC 通過輸出脈沖驅動Q2.0 即可實現機床的遠程使能控制，驅動Q2.1 可以斷開遠程使能;同樣若4號從站的輸出首址為Q3.0 時，則遠程使能控制信號為Q3.0，遠程使能斷開信號為Q3.1 等。

由于西門子PLC 對“字、雙字”數據高低位的定義和機床側PMC 對高低位的定義不同，因此在西門子PLC 發送或接收字數據時，必須將其高字節和低字節顛倒，才能正確寫入或讀取數據。

2 結束語

某職院智能工廠底層設備控制系統采用了PROFIBUS 現場總線控制模式后，有效實現了西門子PLC對數控機床的遠程使能控制與運行狀態的監控，系統具有可靠性強、操作簡便、省布線，而且可根據工藝需要靈活地進行功能修改的特點，是制造執行系統(MES)實時獲取機床設備狀態信息的重要保證。

［1］PROFIBUS System Description-Technology and Application［EB/OL］.http://www.profibus.com，2010.

［2］BEIJING-FANUC.FANUC Series 0i-MODEL D/0i Mate-MODEL D 維修說明書［M］，2008:130 -132.

［3］BEIJING-FANUC.BEIJING-FANUC PMC 梯形圖語言編程說明書［M］，2003:401 -404.

［4］FANUC.FANUC Series 32i-MODEL A PROFIBUS-DP Board CONNECTION MANUAL［M］，2009:46 -64.

［5］孫鶴旭.Profiubs 現場總線控制系統的設計與開發［M］.北京:國防工業出版社，2007:150 -151.