姚 鵬，李楠楠，曹智軍，劉國寧,3

（1.鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450001；2.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450007；3.鄭州大學(xué) 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究所，鄭州 450000）

0 引言

在經(jīng)歷了三次工業(yè)革命之后的今天，全球制造業(yè)在德國工業(yè)4.0、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國“智能制造2025”的帶領(lǐng)下，向著第四次工業(yè)革命大步邁進(jìn)。“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的核心環(huán)節(jié)是建立數(shù)字化車間，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化、柔性化、智能化、信息化。在工業(yè)數(shù)字化生產(chǎn)管理的發(fā)展要求中，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控是推進(jìn)數(shù)字化車間發(fā)展的一個(gè)重要基礎(chǔ)[1]。計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和數(shù)控機(jī)床智能化技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求實(shí)現(xiàn)可能。

本文以西門子數(shù)控系統(tǒng)為平臺(tái)，在介紹了西門子數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及手動(dòng)切換NC程序方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于PLC數(shù)據(jù)通信的上位機(jī)管理程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程切換NC程序的方案，并詳細(xì)介紹了該方法的實(shí)現(xiàn)技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例。

1 SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)概述

目前，我國在普及型和高級(jí)型數(shù)控系統(tǒng)上基本依賴進(jìn)口，我國引進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)主要是FANUC，SIEMENS，MITSUBISHI等公司的產(chǎn)品[2]。SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)是西門子公司開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，具有模塊化設(shè)計(jì)良好、系統(tǒng)開放性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)統(tǒng)一緊湊和應(yīng)用靈活的特點(diǎn)。無論是普及型數(shù)控機(jī)床，還是標(biāo)準(zhǔn)型機(jī)床，或者是模塊化高端機(jī)床，SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)都為不同類型的機(jī)床提供了最佳解決方案[3]。

1.1 SINUMERIK 808D——普及型數(shù)控系統(tǒng)

SINUMERIK 808是一款基于操作面板的普及型數(shù)控系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，適用于車削和銑削應(yīng)用。具有完美的基本特征：操作簡(jiǎn)便，調(diào)試維修方便，成本最優(yōu)。

1.2 SINUMERIK 828D——緊湊型數(shù)控系統(tǒng)

SINUMERIK 828數(shù)控系統(tǒng)適用于大批量加工、模塊化程度較低的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床。不論是 SINUMERIK 828D BASIC、SINUMERIK 828D還是SINUMERIK 828D ADVANCED，都是一款高性價(jià)比的數(shù)控系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，數(shù)控性能高，便于調(diào)試。

1.3 SINUMERIK 840D sl——用于高端機(jī)床的開放性數(shù)控系統(tǒng)

SINUMERIK 840D sl具有極高的開放性和靈活性，是定制機(jī)床所用數(shù)控系統(tǒng)的最佳選擇。SINUMERIK 840D sl BASIC基于SINAMICS S120 Combi驅(qū)動(dòng)器，適用于具有模塊化和靈活配置選擇的六軸以內(nèi)的高端機(jī)床。

西門子數(shù)控系統(tǒng)中均采用PLC作為邏輯控制單元，SINUMERIK 808D和SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)采用的是西門子S7-200系列的PLC，SINUMERIK 840D sl采用的是西門子S7-300系列的PLC。作為數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，PLC采用接口變量及相應(yīng)的數(shù)據(jù)位的形式與NCK（數(shù)控核心）、MCP（控制面板）、HMI（人機(jī)界面）進(jìn)行控制和狀態(tài)信息的傳送，并按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)和用戶編寫控制程序完成機(jī)床邏輯控制任務(wù)[4]，PLC、NCK、HMI、MCP相互間信息傳遞的路徑和方向如圖1所示。

圖1 SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)傳遞示意圖

2 SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)切換NC程序方法

2.1 常規(guī)方法

SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)常規(guī)采用的是通過操作面板來選擇NC程序，其步驟為：

1）選擇操作區(qū)域“Program manager”（程序管理器），打開目錄概覽；

2）將光標(biāo)定位至包含待選NC程序的目錄上；

3）按下＜input＞鍵（或者按下＜光標(biāo)向右＞鍵），顯示目錄內(nèi)容；

4）將光標(biāo)定位到所需的程序上；

5）按下軟鍵“Select”（選擇），選擇程序。

成功選擇了程序后會(huì)自動(dòng)切換至“Machine”（加工）操作區(qū)，打開循環(huán)啟動(dòng)后，數(shù)控機(jī)床即可進(jìn)入指定程序的自動(dòng)加工。

2.2 PLC切換NC程序的方法

SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)提供了一種通過內(nèi)置PLC控制數(shù)控系統(tǒng)切換NC程序的方法，可以實(shí)現(xiàn)快速切換NC程序，其工作流程如圖2所示。用戶通過PLC程序?qū)⒄_的變量輸入到數(shù)控機(jī)床PLC的對(duì)應(yīng)的DB塊中，PLC對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，完成切換NC程序的任務(wù)。

圖2 PLC切換NC程序的工作流程

SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)在初始狀態(tài)時(shí)，PLC程序列表是隱藏的，需要通過修改機(jī)床通用數(shù)據(jù)參數(shù)，激活PLC程序列表。對(duì)于828D和840Dsl系統(tǒng)，激活PLC程序列表的三個(gè)參數(shù)是相同的，均為：

MD51041：激活USER（用戶）區(qū)的PLC程序列表；

MD51042：激活I(lǐng)NDIVIDUAL（個(gè)體）區(qū)的PLC程序列表；

MD51043：激活MANUFACTURER（廠商）區(qū)的PLC程序列表。

參數(shù)的數(shù)據(jù)類型為字節(jié)，值為1時(shí)有效。

PLC程序列表中最多可放置255個(gè)NC程序，分別對(duì)應(yīng)以上三種權(quán)限的程序：USER（用戶）區(qū)為1-100號(hào)程序，INDIVIDUAL（個(gè)體）區(qū)為101-200號(hào)程序，MANUFACTURER（廠商）區(qū)為201-255號(hào)程序。不同的程序列表中的NC程序在SINUMERIK Operate中是不同的控制文件，用戶區(qū)訪問級(jí)別為3，允許由用戶編輯，控制文件索引號(hào)是1；個(gè)體區(qū)訪問級(jí)別為2，控制文件索引號(hào)為2（840D sl的個(gè)體區(qū)列表未創(chuàng)建）；廠商區(qū)訪問級(jí)別為1，只允許由制造商編輯，控制文件索引號(hào)為3。在程序列表中的程序號(hào)為PLC選擇NC程序文件的索引值。

3 SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程切換NC程序方法研究

在有機(jī)器人參與的自動(dòng)化高度集成的柔性生產(chǎn)線中，遇到更換加工工件類型時(shí)，需要切換NC程序的操作，操作工使用操作面板手動(dòng)切換NC程序的常規(guī)方式不能滿足需求，需要一種能夠通過上位機(jī)遠(yuǎn)程控制機(jī)床切換NC程序的方案。針對(duì)西門子數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，通過上位機(jī)讀寫PLC變量實(shí)現(xiàn)切換NC程序的方法適應(yīng)當(dāng)前需求。

3.1 SINUMERIK 828D遠(yuǎn)程切換NC程序

通過PLC選擇NC程序，首先需要把需要切換的NC程序添加到相應(yīng)的程序列表中，例如：將AAA.MPF程序文件添加到用戶區(qū)程序列表的1號(hào)程序，將BBB.MPF程序文件添加到個(gè)體區(qū)程序列表的101號(hào)程序。

對(duì)于828D數(shù)控系統(tǒng)，與PLC選擇NC程序相關(guān)的DB接口信號(hào)如表1和表2所示[5]。

從上表可知：DB1700.DBB1000.7為程序選擇信號(hào)，DB1700.DBB1001為選擇程序的程序列表控制文件編號(hào)，即USER、INDIVIDUAL、MANUFACTURER，其各自的值分別是129、130、131。（注：第7位總是為1，舉例MANUFACTURER區(qū)的索引為3，該字節(jié)用二進(jìn)制表示即為10000011，二進(jìn)制10000011轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制即為131）。DB1700.DBB1002為選擇程序號(hào)，即NC程序文件的索引值，如AAA.MPF即為1，BBB.MPF即為101。

DB1700.DBB2000為操作軟件反饋給PLC的信號(hào)，表示程序處理的狀態(tài)，第2位為1代表處理出錯(cuò)，程序切換失敗。DB1700.DBB2001為錯(cuò)誤代碼。

表1 828D切換NC程序操作的PLC接口信號(hào)

表2 828D切換NC程序狀態(tài)反饋的PLC接口信號(hào)

調(diào)試過程：PLC程序中先將要調(diào)用的程序列表號(hào)和程序號(hào)分別送到接口DB1700.DBB1001和DB1700.DBB1002，然后選擇程序開始DB 1700.DBX1000.7即可。

通過查找實(shí)驗(yàn)設(shè)備的資料得知，機(jī)床操作面板上的預(yù)留功能按鍵1的輸入信號(hào)地址為I118.1，預(yù)留功能按鍵2的輸入信號(hào)地址為I118.2，實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)現(xiàn)按下按鍵1切換到1號(hào)程序即AAA.MPF程序文件，按下按鍵2切換到101號(hào)程序即BBB.MPF程序文件，編寫PLC控制切換NC程序的梯形圖如圖3所示。由于選擇程序指令DB1700.DBX1000.7需要在程序號(hào)輸入到DB1700.DBB1002后執(zhí)行，因此在梯形圖中加入一個(gè)計(jì)時(shí)器，使PLC在按下按鍵后，DB1700.DBX1000.7指令持續(xù)0.5s。

通過PLC執(zhí)行添加的梯形圖程序段，成功實(shí)現(xiàn)了按下按鍵快速切換到指定的NC程序，上位機(jī)通過向機(jī)床的PLC發(fā)送一個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的模擬輸入信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床切換NC程序的遠(yuǎn)程控制。但是這種方式卻并不能達(dá)到柔性自動(dòng)化制造的需要，當(dāng)有大量的NC程序需要實(shí)現(xiàn)快速切換功能時(shí)，操作面板上預(yù)留的功能鍵就不能滿足我們的需求。

西門子數(shù)控系統(tǒng)提供了多種通信方式可供上位機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)通信連接以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，如OPC通信、WinCC等，但諸多功能需要專門授權(quán)和付費(fèi)，且使用場(chǎng)景受限。SINUMERIK 808D、SINUMERIK 828D和SINUMERIK 840D sl均采用了西門子SIMATIC S7系列的PLC，這些類型的PLC均支持通過以太網(wǎng)接口，對(duì)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接讀寫。

圖3 PLC切換程序梯形圖

S7通信協(xié)議是一種在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是專門為西門子控制產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的通信協(xié)議，應(yīng)用于西門子SIMATIC S7系列PLC[6]。當(dāng)PLC做服務(wù)端時(shí)，上位機(jī)通過以太網(wǎng)通信與PLC 連接并通過S7協(xié)議發(fā)起請(qǐng)求，PLC作為服務(wù)端回復(fù)相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)讀寫整個(gè)PLC存儲(chǔ)器（輸入信號(hào)/輸出信號(hào)/DB數(shù)據(jù)塊/標(biāo)志量/計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器），完成上傳和下載數(shù)據(jù)塊操作，控制PLC啟停、設(shè)置安全等級(jí)等操作，如圖4所示。

圖4 PLC做服務(wù)器架構(gòu)時(shí)與上位機(jī)通訊方式

S7.NET是一個(gè)針對(duì).NET平臺(tái)語言開發(fā)的S7系列PLC開源通信類庫，遵循MIT license開源協(xié)議，采用C#語言編寫，可支持S7-200/300/400系列PLC以及最新的S7-1200/1500系列型號(hào)，可以使用Socket與PLC進(jìn)行連接和斷開，可以通過給定起始地址和字節(jié)數(shù)對(duì)指定的存儲(chǔ)區(qū)域讀取和寫入字節(jié)。S7.NET是開源的，MIT許可證允許在商業(yè)應(yīng)用程序中使用它[7]。

本研究使用C#開發(fā)語言和S7.NET通信組件，編寫上位機(jī)與西門子數(shù)控系統(tǒng)的PLC通訊的程序，實(shí)現(xiàn)了通過輸入程序號(hào)快速切換到指定NC程序的目的。只需提前將想要切換的NC程序添加到程序列表中，即可遠(yuǎn)程切換到對(duì)應(yīng)的程序，并開啟循環(huán)啟動(dòng)。

本文實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程切換NC程序的測(cè)試程序的關(guān)鍵代碼如下：

3.2 SINUMERIK 840D sl遠(yuǎn)程切換NC程序

SINUMERIK 840D sl可通過與828D相同的方法實(shí)現(xiàn)

表3 840D sl切換NC程序操作的PLC接口信號(hào)

表4 840D sl切換NC程序操作的PLC接口信號(hào)

【】【】NC程序的快速切換，只在切換程序?qū)?yīng)的PLC接口信號(hào)地址有區(qū)別，其對(duì)應(yīng)的PLC接口信號(hào)如表3和表4所示[8]。

從上表可知：DB19.DBX13.7為程序選擇信號(hào)，DB19.DBB16的值為選擇程序的程序列表控制文件編號(hào)，即USER、MANUFACTURER，其對(duì)應(yīng)的值分別是129、131。（注：SINUMERIK 840D sl系統(tǒng)未預(yù)置INDIVIDUAL列表的控制文件）。DB19.DBB17的值為選擇程序號(hào)，即NC程序文件的索引值。DB19.DBB26為操作軟件反饋給PLC的信號(hào)，表示程序處理的狀態(tài)，第2位的值為1時(shí)表示處理出錯(cuò)，即程序切換失敗，DB19.DBB27的值為錯(cuò)誤代碼。

3.3 程序測(cè)試驗(yàn)證

針對(duì)本文的研究需求，編寫遠(yuǎn)程切換NC程序的上位機(jī)測(cè)試程序，程序運(yùn)行流程如圖5所示。使用測(cè)試程序在SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)和SINUMERIK 840D sl數(shù)控系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上分別進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果證明，使用測(cè)試程序成功實(shí)現(xiàn)了NC程序的遠(yuǎn)程切換。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程切換NC程序的需求，研究了西門子主流數(shù)控系統(tǒng)基于以太網(wǎng)通信和S7協(xié)議的遠(yuǎn)程切換NC程序的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，按照本文的研究方法，在控制端電腦上連接機(jī)床的PLC后，選擇程序列表類型并輸入程序號(hào)即可使機(jī)床端切換到指定的NC程序，操作簡(jiǎn)單，使用便捷。本文研究?jī)?nèi)容為西門子數(shù)控機(jī)床在自動(dòng)化柔性制造中的應(yīng)用，提供遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)。

圖5 程序運(yùn)行流程圖

[1]劉濤.智能制造技術(shù)在工控自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2015(1):47-48.

[2]張宏帥.基于TCP/IP協(xié)議的FANUC-DNC系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].鄭州大學(xué),2016.

[3]徐潔蘭.西門子數(shù)控系統(tǒng)概述[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2005(2):100-102.

[4]王文磊,徐汀榮.PLC和PC基于工業(yè)以太網(wǎng)通信研究與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(13):43-45.

[5]SINUMERIK 828D NC變量和接口信號(hào)參數(shù)手冊(cè)[Z].西門子,2015,10:924-925.

[6]朱津津,申屠浩,鮑可進(jìn).基于.NET上位機(jī)與PLC工業(yè)以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)[J].電子科技,2016,29(11):115-117.

[7]Mesta Automation. Communication with Siemens S7 PLC with C#and S7.Net PLC driver[EB/OL].2015.www.mesta-automation.com.

[8]SINUMERIK 840D sl NC變量和接口信號(hào)參數(shù)手冊(cè)[Z].西門子,2015,10:979-979.