基于840D數控系統的機床功率在線監控方法研究

丁健生

摘 要：本文針對數控機床功率在線監控的需求，提出了一種基于西門子840D數控系統的機床功率監控解決方案，并開發了功率在線監控系統。該系統通過840D系統的內部PLC以及AD數據采集卡，實現了對數控機床功率數據的實時采集，進而實現了機床功率在線監控功能。

關鍵詞：840D；數據采集；在線監控

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A

0.引言

隨著計算機以及信息技術的飛速發展，傳統的制造行業正在逐步向信息化、智能化發展，而制造業信息化的關鍵支撐要素之一是生產設備的實時狀態數據。數控機床作為一種重要的生產設備，其功率數據可以用于監控機床的運行狀態，分析機床的加工過程，統計機床的利用率等，對于生產自動化有著十分重要的意義。

由于數控系統的多樣性，不同廠家提供的機床通信接口和協議各不相同，由此產生了各種不同的機床功率數據采集方案。本文的研究對象西門子840D數控系統是一種先進的開放的數控系統，目前對其功率采集主要有兩種方案，一是基于硬件接線方式的電氣法，另一種是基于數字通信方式的通信法。

通信法是利用840D數控系統的開放性，通過數控系統提供的接口來讀取數控系統內部變量的采集方法。相比于硬件接線的電氣法，通信法具有硬件改動小、安全性高、數據精度高等優點。本文所研究的機床功率在線監控方法即基于通信法實現。

1.系統方案設計

西門子840D數控系統由NCK+PLC+ PC三級結構組成。其中NCK（Numeric Control Kernel）是數控加工的核心模塊，包括聯動、插補等核心功能，實時性最高。PLC負責外圍控制功能，如刀庫、切削液等輔助功能的控制，實時性較高。PC部分是基于Windows操作系統的工控機，主要負責前面板的顯示和操作，用于人機交互功能，實時性較低。3個部分通過MPI總線連接，實現數據交互。

作為數控系統的核心，840D的NCK部分是封閉的，用戶無法直接與其通信，但通過PLC可以訪問到NCK中的狀態變量。因此可以通過在PLC上編程來獲得機床的功率數據，再通過某種方式將讀取到的數據傳遞給監控系統。本文中的功率數據采集方案即是基于此原理。

在PLC獲取了功率數據以后，還需要將其傳遞給監控系統。此時又有兩種方案，第一種是通過數字通信接口將PLC中的功率數據發送給監控系統的工控機，但需要在PLC上加裝額外的通信模塊。第二種是通過PLC自帶的模擬量輸出接口將功率數據以模擬信號輸出，再在工控機一側通過AD采集卡將其轉換為數字信號。由于筆者所面臨的數控系統PLC上并沒有現成的數字通信模塊，故此采用了方案二。整個系統的原理結構如圖1所示。

2.系統實現

（1）PLC端實現

840D系統中NCK與PLC之間的數據交互是通過數據塊DB進行的，包括機床功率數據在內的NC變量都存儲在NCK數據塊，840D系統提供了讀取NC變量的功能塊FB2。FB2是PLC基本用戶功能塊，用于從NCK讀取NC變量。具體方式是：用FB2讀出以下變量，再用模擬量模塊輸出。讀變量需要設置$MA_DRIVE_SIGNAL_TRACKING=1。

$AA_LOAD[axis] Load；負載百分比

$AA_TORQUE[axis]；力矩

$AA_POWER[axis] ；功率

$AA_CURR[axis]；電流

（2）上位機端實現

上位機為一臺工業控制計算機，為了能夠從PLC中讀取到模擬電壓形式的功率數據，在上位機安裝了A/D采集卡。采集卡型號為ADLink公司的DAQ-2000數據采集卡，通過PCI總線與PC機實現高速數據交互。采集卡提供了配套的驅動程序以及開發軟件包，并且提供SDK（Software Development Kit）函數接口，通過按一定的順序調用這些函數接口，即可實現將模擬量輸入轉化為數字量輸出功能。表1中列出了部分關鍵函數及其說明。

通過周期性調用采集函數，并將采集到的電壓值轉換為對應的功率值，可獲得數控機床的實時功率數據。

3.試驗驗證

為了讓用戶直觀地觀察到機床功率變化規律，本文開發了可視化的功率監控系統，以功率曲線的形式實時顯示機床功率數據。為了驗證機床功率監控系統的功能，本文選取了一組典型的深孔加工工況進行試驗，圖2是該過程的功率變化曲線。其中橫軸代表采樣時間序列，縱軸代表機床主軸電流，功率可由電流換算得出。

從圖2中可以直觀地看出，功率曲線表現為較為規律的波峰和波谷，而機床此時正在進行啄孔式加工，即鉆一定深度后退刀再下鉆，如此反復直至鉆透。理論上當鉆頭尚未與工件接觸時，機床輸出功率較低，曲線應表現為波谷；當鉆頭與工件接觸后，主軸負載增大，轉矩增加，機床輸出功率較高，曲線應表現為波峰。通過目測，機床的鉆孔動作與功率曲線的波動變化能夠吻合。通過分析數控加工程序代碼，發現數控程序也與功率曲線步調同步，再一次驗證功率監控的實時性與準確性。

結論

本文研究了一種基于840D數控系統的機床功率采集方法，利用840D系統的開放性，通過數控系統內部PLC采集機床功率數據，再通過數字→模擬→數字的轉換過程實現計算機對機床功率數據的實時采集。在此基礎上開發了機床功率在線監控系統，并通過深孔加工試驗驗證了系統的實時性與準確性。

參考文獻

[1]張高尉.基于西門子840D的數控機床生產過程狀態監測系統研究[D].天津大學，2014.