呂剛（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

西門(mén)子840DSL安全集成功能在加工中心的應(yīng)用

呂剛
（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

介紹了西門(mén)子840D SL數(shù)控系統(tǒng)外部觸發(fā)的安全集成功能的基本知識(shí)和雙通道概念。對(duì)其硬件單元Profisafe模塊和S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能描述、信號(hào)接入進(jìn)行說(shuō)明，利用框架流程圖簡(jiǎn)介系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)機(jī)床的安全集成功能。列舉具體加工中心案例，設(shè)計(jì)機(jī)床應(yīng)用外部觸發(fā)的安全集成功能的實(shí)現(xiàn)步驟：硬件配置、參數(shù)說(shuō)明、PLC與NC的SPL安全程序編程。

安全集成功能Profisafe模塊S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)SPL程序

1 引言

隨著科學(xué)理論和應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品外形越來(lái)越復(fù)雜精細(xì)，精度不斷提高，性能越來(lái)越強(qiáng)，對(duì)其制造設(shè)備如加工中心的綜合要求也是持續(xù)提升，加工中心的電氣控制系統(tǒng)是其優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一。相比較而言，西門(mén)子公司840D SL數(shù)控系統(tǒng)是近年來(lái)綜合性能最為先進(jìn)優(yōu)越的加工中心控制系統(tǒng)之一。它能很好地滿足機(jī)床用戶的各種高標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)安全因素愈加重視的環(huán)境下，它更是有著良好的適應(yīng)性和可靠性，西門(mén)子840DSL系統(tǒng)采用安全集成功能來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)的安全保障。本文從便捷實(shí)用的角度，對(duì)安全集成功能的重點(diǎn)相關(guān)概念和在加工中心上的功能實(shí)現(xiàn)加以介紹。

2 系統(tǒng)安全集成相關(guān)單元的功能及其實(shí)現(xiàn)

本文討論的安全集成系統(tǒng)包括硬件部分的Profisafe輸入輸出模塊、S120伺服驅(qū)動(dòng)單元，外圍信號(hào)及接線，相關(guān)系列參數(shù)設(shè)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(jī)床擴(kuò)展單元ET200S插槽內(nèi)，一般使用的都是4 F-DI模塊，即4個(gè)信號(hào)輸入點(diǎn)。上文提過(guò)，安全集成功能的一個(gè)特征就是雙通道信號(hào)狀態(tài)監(jiān)控：NC通道和PLC通道。其在輸入模塊表現(xiàn)在每個(gè)信號(hào)輸入分為NC輸入點(diǎn)與PLC輸入點(diǎn)，即每個(gè)信號(hào)分兩路分別進(jìn)入NC輸入點(diǎn)與PLC輸入點(diǎn)。該模塊有1-16個(gè)接線孔，1～2、3～4、5～6、7～8為4條NC信號(hào)輸入回路，依次定義是INSE[X]～I(xiàn)NSE[X+3](X為起始地址)，2、4、6、8孔為NC信號(hào)電源VS1；9～10、11～12、13～14、15～16為4條PLC信號(hào)輸入回路，依次定義是INSEP[X]～I(xiàn)NSEP[X+3]（X與之前保持一致），10、12、14、16孔為PLC信號(hào)電源VS2。因?yàn)橄到y(tǒng)允許的NC輸入和PLC輸入信號(hào)狀態(tài)誤差為毫秒級(jí)，因此同一個(gè)信號(hào)的NC和PLC輸入狀態(tài)必須確保一致。在使用前，需要對(duì)與其相關(guān)的NC參數(shù)和PLC硬件數(shù)據(jù)定義進(jìn)行設(shè)置。

2.2 Profisafe輸出模塊

F-DI輸出模塊安裝在機(jī)床擴(kuò)展單元ET200S插槽內(nèi)，一般使用的都是4 F-DO模塊，即4個(gè)信號(hào)輸出點(diǎn)。與Profisafe輸入模塊不同，Profisafe輸出模塊執(zhí)行的是輸出動(dòng)作，從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，輸出只有單回路。該模塊有1～16個(gè)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(hào)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(fù)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(shè)置相應(yīng)的NC參數(shù)和PLC數(shù)據(jù)定義。

2.3 S120伺服驅(qū)動(dòng)單元

對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)床面臨可能危害到作業(yè)人員和機(jī)床本身安全的狀況時(shí)，傳統(tǒng)方式是采用繼電器或監(jiān)控開(kāi)關(guān)來(lái)斷開(kāi)驅(qū)動(dòng)模塊或伺服電機(jī)的電源，或在程序里切斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使能信號(hào)，使伺服軸喪失動(dòng)力而停車。而840D SL數(shù)控系統(tǒng)的S120驅(qū)動(dòng)控制單元?jiǎng)t將軸安全停車的執(zhí)行部件集中到驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部。本文討論的外部信號(hào)觸發(fā)的驅(qū)動(dòng)安全集成功能則是通過(guò)NC和PLC雙通道分路高速檢測(cè)相關(guān)程序狀態(tài)，發(fā)送指令到驅(qū)動(dòng)單元來(lái)執(zhí)行軸安全停車。與前述的傳統(tǒng)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(dǎo)致軸停車任務(wù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)，提升了可靠性；其次它采用高速雙通道數(shù)據(jù)檢測(cè)，執(zhí)行安全任務(wù)反應(yīng)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(dòng)剎車，對(duì)人機(jī)保護(hù)措施更加合理，應(yīng)用方式也更為柔性與靈活。

外部信號(hào)觸發(fā)的S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全集成功能目的是實(shí)現(xiàn)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(gè)監(jiān)控通道來(lái)同步執(zhí)行相同動(dòng)作，由于驅(qū)動(dòng)單元硬件邏輯隸屬于PLC系統(tǒng)，從執(zhí)行角度來(lái)看，此處雙通道也稱為NC通道和驅(qū)動(dòng)通道。

2.4 NCK與PLC雙通道安全功能的實(shí)現(xiàn)

針對(duì)本文內(nèi)容，也為了便于讀者在整體上對(duì)安全集成功能的框架組成與實(shí)現(xiàn)步驟有直接的理解，用圖1來(lái)說(shuō)明其流程。

安全集成功能最顯著的特征就是雙通道的執(zhí)行與實(shí)時(shí)監(jiān)控，在安全集成功能監(jiān)控時(shí)鐘循環(huán)周期內(nèi)，NCK與PLC通道的各自安全相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)交叉比較，即圖中的CDC。一旦檢測(cè)到兩個(gè)通道數(shù)據(jù)不一致，立即觸發(fā)機(jī)床停車功能。在本文中，CDC出現(xiàn)在兩個(gè)環(huán)節(jié)中。第一環(huán)節(jié)是Profisafe輸入模塊的NCK輸入與PLC輸入信號(hào)狀態(tài)，第二環(huán)節(jié)是NCK-SPL與PLC-SPL程序語(yǔ)句及程序元素狀態(tài)的比較。第一環(huán)節(jié)前文已作介紹，第二環(huán)節(jié)的SPL是指安全控制邏輯程序，NCK與PLC各自對(duì)SPL進(jìn)行編程，兩者安全程序邏輯控制語(yǔ)句必須一致。PLC的編程語(yǔ)句可以放在程序內(nèi)持續(xù)運(yùn)行的任何塊內(nèi)，NCK則對(duì)SPL程序有規(guī)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(dòng)后保持循環(huán)運(yùn)行[1]。根據(jù)SPL程序的運(yùn)行邏輯，在執(zhí)行端一側(cè)，NCK與PLC分別輸出OUTSE與OUTSEP給Profisafe輸出模塊；另一側(cè)，分別輸出OUTSI變量與PLC軸接口信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)單元來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)停車，同時(shí)也能獲取驅(qū)動(dòng)單元的狀態(tài)反饋信號(hào)。

圖1 外部觸發(fā)的安全集成功能流程框架圖

3 外部觸發(fā)的安全集成功能在加工中心上的典型應(yīng)用

3.1 應(yīng)用案例背景和安全功能需求介紹

近年來(lái)，越來(lái)越多的國(guó)產(chǎn)通用型加工中心采用西門(mén)子840DSL作為機(jī)床控制系統(tǒng)，但對(duì)系統(tǒng)功能的使用和性能挖掘還有不小的發(fā)揮空間，在這類加工中心上使用外部觸發(fā)的安全集成功能就可以方便高效地提升設(shè)備的人機(jī)安全性能。本文以某加工中心為例，介紹具體方案的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。其安全集成功能的執(zhí)行部件有X、Y、Z三根進(jìn)給軸的伺服驅(qū)動(dòng)單元、主軸鎖緊松開(kāi)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(fā)信號(hào)有急停按鈕、裝載區(qū)安全光幕無(wú)干擾信號(hào)、裝載區(qū)門(mén)關(guān)閉信號(hào)、維修區(qū)門(mén)關(guān)閉信號(hào)。機(jī)床要實(shí)現(xiàn)的安全集成功能邏輯描述為：在自動(dòng)操作模式下，當(dāng)出現(xiàn)急停裝置被按下、或裝載門(mén)打開(kāi)的同時(shí)安全光幕被干擾、或維修門(mén)打開(kāi)三種情況的任何一種，機(jī)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(dāng)Y軸達(dá)到準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，為了克服自身重力影響，立即得電關(guān)閉Y軸外部抱閘裝置使之可靠靜止；當(dāng)出現(xiàn)急停裝置被按下、或裝載門(mén)打開(kāi)的同時(shí)安全光幕被干擾、或維修門(mén)打開(kāi)、或氣壓液壓不合格四種情況的任何一種，主軸鎖緊松開(kāi)裝置失電，依靠機(jī)構(gòu)的鎖緊彈簧自動(dòng)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(qū)動(dòng)單元，同屬NC第一通道第一模式組控制，分別實(shí)現(xiàn)不同方式的外部觸發(fā)安全停車功能。在PLC的ET200S槽板內(nèi)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(qū)安全光幕正常信號(hào)、裝載區(qū)門(mén)關(guān)信號(hào)、維修區(qū)門(mén)關(guān)信號(hào)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(kāi)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(guān)參數(shù)的設(shè)置

在對(duì)該案例SPL安全程序編程前，需設(shè)置一系列相關(guān)的參數(shù)。

參數(shù)10385越050007E5：設(shè)置系統(tǒng)安全集成模塊硬件主地址為2021。

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

參數(shù)10388[0]越4001：設(shè)置該P(yáng)rofisafe輸入模塊輸入變量地址范圍為INSE[1]-INSE[4]。

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

參數(shù)10389[0]越4001：設(shè)置該P(yáng)rofisafe輸出模塊輸出變量地址范圍為OUTSE[1]-OUTSE[4]。

匹配參數(shù)10385、10386、10387、10388、10389設(shè)置的數(shù)據(jù)，在PLC項(xiàng)目hardware設(shè)置項(xiàng)里，安全輸入輸出模塊地址也必須對(duì)應(yīng)設(shè)定[2]。

對(duì)于X、Y、Z三軸，各自設(shè)定對(duì)應(yīng)軸機(jī)床數(shù)據(jù)和軸驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。

（1）相同設(shè)定

參數(shù)36901.0越1：安全速度、安全操作停功能使能。

參數(shù)36901.6越1：外部停功能使能。

參數(shù)36970越04010101：分配變量OUTSI1作為SG/SBH功能選擇標(biāo)記。

參數(shù)36971越04010102：分配變量OUTSI2作為SBH功能選擇標(biāo)記。

參數(shù)36930、驅(qū)動(dòng)參數(shù)P9530越0.05：安全靜態(tài)位置公差設(shè)定值為0.05毫米。

參數(shù)36960、驅(qū)動(dòng)參數(shù)P9560越1：STOP B到STOPA的下降切換速度為1轉(zhuǎn)每分鐘。

參數(shù)36964越1：各個(gè)軸外部停觸發(fā)互不影響。（2）分類設(shè)定

X軸參數(shù)36977[0]越3：分配OUTSI3作為X軸外部STOPA觸發(fā)標(biāo)記。

Y軸參數(shù)36977[1]越4：分配OUTSI4作為Y軸外部STOPC觸發(fā)標(biāo)記。

Z軸參數(shù)36977[1]越5：分配OUTSI5作為Z軸外部STOPC觸發(fā)標(biāo)記。

3.4 NC與PLC雙通道安全程序的設(shè)計(jì)

PLC安全程序設(shè)計(jì)為NC安全程序掃描完成后即由OB1調(diào)用。DB18為系統(tǒng)安全集成功能處理專用數(shù)據(jù)塊，作用是NC與PLC兩通道進(jìn)行信號(hào)采集、交換、運(yùn)算及輸出。需要注意的是OUTSI信號(hào)為零時(shí)對(duì)應(yīng)安全功能生效。以下是PLC安全程序段，實(shí)現(xiàn)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(dòng)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(dòng)

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(mén)

越DB18.DBX70.0 MARKERSIP1裝載區(qū)

ADB18.DBX38.0 INSEP1急停

ADB18.DBX38.3 INSEP4維修門(mén)

ANDB18.DBX70.0 MARKERSIP1裝載區(qū)

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(hào)

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(kāi)命令

AM160.0主軸松開(kāi)命令標(biāo)識(shí)

越DB18.DBX132.2 PLCSIIN3主軸松開(kāi)

ADB18.DBX132.2 PLCSIIN3主軸松開(kāi)

ADB18.DBX38.0 INSEP1急停

ADB18.DBX38.3 INSEP4維修門(mén)

ADB18.DBX132.1 PLCSIIN2氣液壓正常

ANDB18.DBX70.0 MARKERSIP1裝載區(qū)

越DB18.DBX46.0 OUTSEP1主軸松開(kāi)

//Y軸外部抱閘啟動(dòng)

ADB32.DBX110.1 Y軸SBH已激活

ADB32.DBX110.5 Y軸SBH狀態(tài)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(shè)計(jì)為系統(tǒng)啟動(dòng)且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使能完畢后由EVENT.SPF調(diào)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(jié)論

西門(mén)子840DSL數(shù)控系統(tǒng)安全集成功能性能先進(jìn)而強(qiáng)大，能夠滿足日益嚴(yán)苛的設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹了外部觸發(fā)的安全集成功能的概念、相關(guān)硬件組成與機(jī)床參數(shù)、安全程序編程，并列舉典型案例來(lái)具體說(shuō)明在加工中心上的具體實(shí)現(xiàn)步驟。對(duì)裝備了840DSL系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)加工中心如何靈活方便的設(shè)計(jì)外部觸發(fā)的安全集成功能具有一定的借鑒意義，同時(shí)也能給機(jī)床維修人員提供思路參考。

[1]曹文智.西門(mén)子安全集成技術(shù)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)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(lái)稿日期：2016-12-02

呂剛（1978-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)設(shè)備的維修及維護(hù)。