西門子840DSL安全集成功能在加工中心的應用

呂剛（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

西門子840DSL安全集成功能在加工中心的應用

呂剛
（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

介紹了西門子840D SL數控系統外部觸發的安全集成功能的基本知識和雙通道概念。對其硬件單元Profisafe模塊和S120驅動系統的功能描述、信號接入進行說明，利用框架流程圖簡介系統如何實現機床的安全集成功能。列舉具體加工中心案例，設計機床應用外部觸發的安全集成功能的實現步驟：硬件配置、參數說明、PLC與NC的SPL安全程序編程。

安全集成功能Profisafe模塊S120驅動系統SPL程序

1 引言

隨著科學理論和應用技術的快速發展，機械產品外形越來越復雜精細，精度不斷提高，性能越來越強，對其制造設備如加工中心的綜合要求也是持續提升，加工中心的電氣控制系統是其優劣的關鍵因素之一。相比較而言，西門子公司840D SL數控系統是近年來綜合性能最為先進優越的加工中心控制系統之一。它能很好地滿足機床用戶的各種高標準要求，對生產現場的人機安全因素愈加重視的環境下，它更是有著良好的適應性和可靠性，西門子840DSL系統采用安全集成功能來實現人機的安全保障。本文從便捷實用的角度，對安全集成功能的重點相關概念和在加工中心上的功能實現加以介紹。

2 系統安全集成相關單元的功能及其實現

本文討論的安全集成系統包括硬件部分的Profisafe輸入輸出模塊、S120伺服驅動單元，外圍信號及接線，相關系列參數設置，NC程序和PLC程序的編程。

2.1 Profisafe輸入模塊

F-DI輸入模塊安裝在機床擴展單元ET200S插槽內，一般使用的都是4 F-DI模塊，即4個信號輸入點。上文提過，安全集成功能的一個特征就是雙通道信號狀態監控：NC通道和PLC通道。其在輸入模塊表現在每個信號輸入分為NC輸入點與PLC輸入點，即每個信號分兩路分別進入NC輸入點與PLC輸入點。該模塊有1-16個接線孔，1～2、3～4、5～6、7～8為4條NC信號輸入回路，依次定義是INSE[X]～INSE[X+3](X為起始地址)，2、4、6、8孔為NC信號電源VS1；9～10、11～12、13～14、15～16為4條PLC信號輸入回路，依次定義是INSEP[X]～INSEP[X+3]（X與之前保持一致），10、12、14、16孔為PLC信號電源VS2。因為系統允許的NC輸入和PLC輸入信號狀態誤差為毫秒級，因此同一個信號的NC和PLC輸入狀態必須確保一致。在使用前，需要對與其相關的NC參數和PLC硬件數據定義進行設置。

2.2 Profisafe輸出模塊

F-DI輸出模塊安裝在機床擴展單元ET200S插槽內，一般使用的都是4 F-DO模塊，即4個信號輸出點。與Profisafe輸入模塊不同，Profisafe輸出模塊執行的是輸出動作，從實際應用角度出發，輸出只有單回路。該模塊有1～16個接線孔，但3、4、7、8、11、12、15、16孔不使用，1～2、5～6、9～10、13～14孔為4條信號輸出回路。其中，1、5、9、13接線為輸出正極，2、6、10、14接線為輸出負極，依次定義是OUTSE[X]～OUTSE[X+3](X為起始地址)或OUTSEP[X]～OUTSEP[X+3]。與輸入模塊類似，需要設置相應的NC參數和PLC數據定義。

2.3 S120伺服驅動單元

對于伺服驅動系統，當機床面臨可能危害到作業人員和機床本身安全的狀況時，傳統方式是采用繼電器或監控開關來斷開驅動模塊或伺服電機的電源，或在程序里切斷驅動系統使能信號，使伺服軸喪失動力而停車。而840D SL數控系統的S120驅動控制單元則將軸安全停車的執行部件集中到驅動單元內部。本文討論的外部信號觸發的驅動安全集成功能則是通過NC和PLC雙通道分路高速檢測相關程序狀態，發送指令到驅動單元來執行軸安全停車。與前述的傳統方式相比，首先它剔除了外部斷路器件，消除了由于其接線或外部器件本身故障導致軸停車任務失敗的風險，提升了可靠性；其次它采用高速雙通道數據檢測，執行安全任務反應速度更快；再次它可以采用多種方式使軸安全停車，可以制動剎車，對人機保護措施更加合理，應用方式也更為柔性與靈活。

外部信號觸發的S120驅動系統安全集成功能目的是實現多種方式的軸安全停車，這些方式包括STOPA、STOPC、STOPD、STOP E。NC和PLC兩個監控通道來同步執行相同動作，由于驅動單元硬件邏輯隸屬于PLC系統，從執行角度來看，此處雙通道也稱為NC通道和驅動通道。

2.4 NCK與PLC雙通道安全功能的實現

針對本文內容，也為了便于讀者在整體上對安全集成功能的框架組成與實現步驟有直接的理解，用圖1來說明其流程。

安全集成功能最顯著的特征就是雙通道的執行與實時監控，在安全集成功能監控時鐘循環周期內，NCK與PLC通道的各自安全相關數據進行持續交叉比較，即圖中的CDC。一旦檢測到兩個通道數據不一致，立即觸發機床停車功能。在本文中，CDC出現在兩個環節中。第一環節是Profisafe輸入模塊的NCK輸入與PLC輸入信號狀態，第二環節是NCK-SPL與PLC-SPL程序語句及程序元素狀態的比較。第一環節前文已作介紹，第二環節的SPL是指安全控制邏輯程序，NCK與PLC各自對SPL進行編程，兩者安全程序邏輯控制語句必須一致。PLC的編程語句可以放在程序內持續運行的任何塊內，NCK則對SPL程序有規定：程序名為SAFE.SPF，該程序必須放在NCK的CST_DIR目錄下，雙通道SPL程序啟動后保持循環運行[1]。根據SPL程序的運行邏輯，在執行端一側，NCK與PLC分別輸出OUTSE與OUTSEP給Profisafe輸出模塊；另一側，分別輸出OUTSI變量與PLC軸接口信號給伺服驅動單元來驅動電機停車，同時也能獲取驅動單元的狀態反饋信號。

圖1 外部觸發的安全集成功能流程框架圖

3 外部觸發的安全集成功能在加工中心上的典型應用

3.1 應用案例背景和安全功能需求介紹

近年來，越來越多的國產通用型加工中心采用西門子840DSL作為機床控制系統，但對系統功能的使用和性能挖掘還有不小的發揮空間，在這類加工中心上使用外部觸發的安全集成功能就可以方便高效地提升設備的人機安全性能。本文以某加工中心為例，介紹具體方案的設計和實現。其安全集成功能的執行部件有X、Y、Z三根進給軸的伺服驅動單元、主軸鎖緊松開裝置、Y軸外部抱閘裝置，安全集成功能的安全輸入模塊觸發信號有急停按鈕、裝載區安全光幕無干擾信號、裝載區門關閉信號、維修區門關閉信號。機床要實現的安全集成功能邏輯描述為：在自動操作模式下，當出現急停裝置被按下、或裝載門打開的同時安全光幕被干擾、或維修門打開三種情況的任何一種，機床的水平平移X軸以STOPA方式停車，水平加工方向Z軸以STOPC方式停車，垂直平移Y軸以STOPC方式停車。當Y軸達到準靜止狀態時，為了克服自身重力影響，立即得電關閉Y軸外部抱閘裝置使之可靠靜止；當出現急停裝置被按下、或裝載門打開的同時安全光幕被干擾、或維修門打開、或氣壓液壓不合格四種情況的任何一種，主軸鎖緊松開裝置失電，依靠機構的鎖緊彈簧自動鎖緊主軸。

3.2安全集成功能硬件的配置

從上文安全功能邏輯描述可以得出，該加工中心有X、Y、Z三根軸的伺服驅動單元，同屬NC第一通道第一模式組控制，分別實現不同方式的外部觸發安全停車功能。在PLC的ET200S槽板內安置一塊4 F-DI的Profisafe輸入模塊、安置一塊4 F-DO的Profisafe輸出模塊，其中，急停按鈕、裝載區安全光幕正常信號、裝載區門關信號、維修區門關信號依次分別為雙路輸入的INSE[1]/INSEP[1]、INSE[2] /INSEP[2]、INSE[3]/INSEP[3]、INSE[4]/INSEP[4]。主軸鎖緊松開裝置、Y軸外部抱閘裝置依次分別為OUTSE[1]/OUTSEP[1]、OUTSE[2]/OUTSEP[2]。

3.3相關參數的設置

在對該案例SPL安全程序編程前，需設置一系列相關的參數。

參數10385越050007E5：設置系統安全集成模塊硬件主地址為2021。

參數10386[0]越050003FD：設置唯一一塊的Profisafe輸入4 F-DI模塊的硬件地址為1021。

參數10388[0]越4001：設置該Profisafe輸入模塊輸入變量地址范圍為INSE[1]-INSE[4]。

參數10387[0]越050003FC：設置唯一一塊的Profisafe輸出4 F-DO模塊的硬件地址為1020。

參數10389[0]越4001：設置該Profisafe輸出模塊輸出變量地址范圍為OUTSE[1]-OUTSE[4]。

匹配參數10385、10386、10387、10388、10389設置的數據，在PLC項目hardware設置項里，安全輸入輸出模塊地址也必須對應設定[2]。

對于X、Y、Z三軸，各自設定對應軸機床數據和軸驅動數據。

（1）相同設定

參數36901.0越1：安全速度、安全操作停功能使能。

參數36901.6越1：外部停功能使能。

參數36970越04010101：分配變量OUTSI1作為SG/SBH功能選擇標記。

參數36971越04010102：分配變量OUTSI2作為SBH功能選擇標記。

參數36930、驅動參數P9530越0.05：安全靜態位置公差設定值為0.05毫米。

參數36960、驅動參數P9560越1：STOP B到STOPA的下降切換速度為1轉每分鐘。

參數36964越1：各個軸外部停觸發互不影響。（2）分類設定

X軸參數36977[0]越3：分配OUTSI3作為X軸外部STOPA觸發標記。

Y軸參數36977[1]越4：分配OUTSI4作為Y軸外部STOPC觸發標記。

Z軸參數36977[1]越5：分配OUTSI5作為Z軸外部STOPC觸發標記。

3.4 NC與PLC雙通道安全程序的設計

PLC安全程序設計為NC安全程序掃描完成后即由OB1調用。DB18為系統安全集成功能處理專用數據塊，作用是NC與PLC兩通道進行信號采集、交換、運算及輸出。需要注意的是OUTSI信號為零時對應安全功能生效。以下是PLC安全程序段，實現了上文提出的安全功能需求，并做注釋方便讀者理解和分析：

//SBH功能選擇激活

ANDB11.DBX6.0自動操作模式

越DB18.DBX132.0 PLCSIIN1

ADB18.DBX132.0 PLCSIIN1

越DB18.DBX62.0 OUTSIP1激活

越DB18.DBX62.1 OUTSIP2激活

//X、Y、Z軸外部SAFETY停啟動

A I1.0氣壓合格

A I1.1液壓合格

越DB18.DBX132.1 PLCSIIN2氣液壓正常

ANDB18.DBX38.1 INSEP2安全光幕

ANDB18.DBX38.2 INSEP3裝載門

越DB18.DBX70.0 MARKERSIP1裝載區

ADB18.DBX38.0 INSEP1急停

ADB18.DBX38.3 INSEP4維修門

ANDB18.DBX70.0 MARKERSIP1裝載區

越DB18.DBX62.2 OUTSIP3X軸停激活

越DB18.DBX62.3 OUTSIP4Y軸停激活

越DB18.DBX62.4 OUTSIP5 Z軸停激活

//X、Y、Z軸外部停傳送軸接口信號

ADB18.DBX62.0 OUTSIP1激活

越DB31.DBX22.0 X軸SBH/SG使能

越DB32.DBX22.0 Y軸SBH/SG使能

越DB33.DBX22.0 Z軸SBH/SG使能

ADB18.DBX62.1 OUTSIP2激活

越DB31.DBX22.1 X軸SBH使能

越DB32.DBX22.1 Y軸SBH使能

越DB33.DBX22.1 Z軸SBH使能

ADB18.DBX62.2 OUTSIP3 X軸停激活

越DB31.DBX32.2 X軸STOPA激活

ADB18.DBX62.3 OUTSIP4 Y軸停激活

越DB32.DBX32.3 Y軸STOPC激活

ADB18.DBX62.4 OUTSIP5 Z軸停激活

越DB33.DBX32.3 Z軸STOPC激活

//主軸夾鉗松開命令

AM160.0主軸松開命令標識

越DB18.DBX132.2 PLCSIIN3主軸松開

ADB18.DBX132.2 PLCSIIN3主軸松開

ADB18.DBX38.0 INSEP1急停

ADB18.DBX38.3 INSEP4維修門

ADB18.DBX132.1 PLCSIIN2氣液壓正常

ANDB18.DBX70.0 MARKERSIP1裝載區

越DB18.DBX46.0 OUTSEP1主軸松開

//Y軸外部抱閘啟動

ADB32.DBX110.1 Y軸SBH已激活

ADB32.DBX110.5 Y軸SBH狀態n＜n x

越DB18.DBX132.3 PLCSIIN4 Y軸抱閘

ADB18.DBX132.3 PLCSIIN4 Y軸抱閘

越DB18.DBX46.1 OUTSEP2 Y軸抱閘

NC安全程序設計為系統啟動且驅動系統使能完畢后由EVENT.SPF調用，其安全程序邏輯與PLC安全程序完全一致。由于文章篇幅所限，在此不予注釋，可參照PLC程序加以理解。程序段如下：

N10 IDS越10$A_OUTSI[1]越$A_PLCSIIN[1]

N20 IDS越20$A_OUTSI[2]越$A_PLCSIIN[2]

N30 IDS越30$A_MARKERSI[1]越NOT$A_INSE [2]ANDNOT$A_INSE[3]

N40 IDS越40$A_OUTSI[3]越$A_INSE[1]AND $A_INSE[4]ANDNOT$A_MARKERSI[1]

N50 IDS越50$A_OUTSI[4]越$A_INSE[1]AND $A_INSE[4]ANDNOT$A_MARKERSI[1]

N60 IDS越60$A_OUTSI[5]越$A_INSE[1]AND $A_INSE[4]ANDNOT$A_MARKERSI[1]

N70 IDS越70$A_OUTSE[1]越$A_INSE[1]AND $A_INSE[4]AND$A_PLCSIIN[2]AND$A_PLCSIIN [3]ANDNOT$A_MARKERSI[1]

N80 IDS越80$A_OUTSE[2]越$A_PLCSIIN[4]

4 結論

西門子840DSL數控系統安全集成功能性能先進而強大，能夠滿足日益嚴苛的設備安全標準。本文介紹了外部觸發的安全集成功能的概念、相關硬件組成與機床參數、安全程序編程，并列舉典型案例來具體說明在加工中心上的具體實現步驟。對裝備了840DSL系統的國產加工中心如何靈活方便的設計外部觸發的安全集成功能具有一定的借鑒意義，同時也能給機床維修人員提供思路參考。

[1]曹文智.西門子安全集成技術在數控機床上的應用[J].制造技術與機床，2008（10）：72-75.

[2]Siemens．Function Manual SINUMERIK Safety Integrated．03/2010.

The Application ofSafety-integrated Function forMachining Centers Based on Siemens840DSL

Lv Gang
（ShanghaiDieselEngine Co.,Ltd.,Shanghai200438,China）

The article introduces the basic knowledge and doubt-channel conception of safety-integrated functionwhich is triggered by externalelements in Siemens840DSLCNC system.Explain the function description and signal access of the hardwaremodules including profisafemodules and S120 drive system modules,the frame flow chart is used to show how the system achieves the safety-integrated function on machine tool.List the specificmachining center case,then design the steps for applying the extern-triggered safety-integrated function on the machining center:hardware configuration、parameter description、programmingofPLCand NCSPLsafety programs.

safety-integrated function,profisafemodule,S120 drive system,SPL program

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.02.012

來稿日期：2016-12-02

呂剛（1978-），男，工程師，主要研究方向為發動機生產設備的維修及維護。