1、引言

　　802C系統(tǒng)是西門子公司專門為中國市場開發(fā)的一種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，具有較高的性價(jià)比，并在中低端車床、銑床以及機(jī)床改造等領(lǐng)域有極其廣泛的應(yīng)用。802C系統(tǒng)二次開發(fā)技術(shù)的系統(tǒng)化研究對我國中低端數(shù)控機(jī)床的普及有極大的推動(dòng)作用。

2、西門子802C數(shù)控系統(tǒng)

　　802C系統(tǒng)可控制3個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)給軸和1個(gè)伺服主軸，采用集成式PLC，分離式小尺寸操作面板和機(jī)床控制面板；安裝調(diào)試方便快捷、操作編程簡單方便，具有可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)；是一種較先進(jìn)的經(jīng)濟(jì)型CNC數(shù)控系統(tǒng)。

　　2.1 802C系統(tǒng)硬件

　　802C數(shù)控系統(tǒng)由以下幾部分組成：操作面板、機(jī)床面板、NC單元、輸入輸出模塊等。NC單元是802C系統(tǒng)的核心部件，其上具備連接數(shù)控系統(tǒng)其它部件的各種接口，包括操作面板接口X9、進(jìn)給軸/主軸驅(qū)動(dòng)接口X7、進(jìn)給軸/主軸編碼器接口X3~X6、電子手輪接口X10等，如圖1所示。進(jìn)給軸/主軸驅(qū)動(dòng)接口X7提供10V模擬驅(qū)動(dòng)器接口，通常用于驅(qū)動(dòng)1FK7交流伺服電機(jī)和1PH7交流主軸電機(jī)。802C系統(tǒng)提供16I/16O的DI/O模塊，并可根據(jù)機(jī)床配置需求，最多可配置4個(gè)同種型號的模塊。

圖1 802C系統(tǒng)部件連接及接口

　　2.2 802C系統(tǒng)軟件

　　西門子802C系統(tǒng)軟件由3大部分組成，分別為NC永久存儲(chǔ)器FLASH中的系統(tǒng)軟件、工具盒軟件和更新軟件。系統(tǒng)軟件包含引導(dǎo)軟件、MMC軟件、NCK軟件、PLC軟件和內(nèi)裝PLC實(shí)例程序。系統(tǒng)軟件各組成子軟件功能詳見表1。工具盒軟件主要包括用于PC/PG的WINPCIN傳送軟件、PLC程序庫和機(jī)床數(shù)據(jù)文件等。

表1 系統(tǒng)軟件子軟件功能

3、西門子802C數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)

　　數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)包括系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝調(diào)試、機(jī)床參數(shù)設(shè)置和PLC參數(shù)設(shè)置及其控制程序開發(fā)等。其中，系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝調(diào)試、機(jī)床參數(shù)設(shè)置3個(gè)部分具有相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或說明，只需根據(jù)機(jī)床的實(shí)際情況和相關(guān)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)定。而PLC參數(shù)設(shè)置及其程序開發(fā)是數(shù)控系統(tǒng)預(yù)留的系統(tǒng)二次開發(fā)的主要技術(shù)平臺，具有極大的靈活性和可設(shè)計(jì)性。在數(shù)控系統(tǒng)滿足基本技術(shù)要求的前提下，可根據(jù)機(jī)床控制的不同特點(diǎn)，利用此平臺，開發(fā)出相應(yīng)PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的各種特殊控制功能。

　　西門子802C系統(tǒng)雖屬中低端標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)，同樣提供了豐富的二次開發(fā)功能。通過系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，可使機(jī)床適應(yīng)不同配置的需求，并使其處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。通過Programming Tool 802編程軟件進(jìn)行PLC編程，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的邏輯控制，如PLC軸監(jiān)控、診斷、報(bào)警等控制功能。

　　為了對802C數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，我們搭建了SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，如圖2所示。針對于802C二次開發(fā)技術(shù)，尤其是PLC開發(fā)技術(shù)，以此實(shí)驗(yàn)平臺為基礎(chǔ)，開展了一系列研究與仿真試驗(yàn)。

圖2 SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺

4、集成PLC開發(fā)

　　802C系統(tǒng)集成PLC為SIMATIC S7-200軟件PLC，作為機(jī)床電器邏輯控制裝置，處于CNC裝置和機(jī)床之間，實(shí)現(xiàn)對M、S、T等輔助功能的控制功能。PLC通過輸入、輸出模塊與機(jī)床、電氣控制系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)相連接，采集系統(tǒng)各部分的工作信息，根據(jù)CNC指令及PLC控制軟件來控制各部分的運(yùn)行。在CNC內(nèi)部，通過數(shù)據(jù)塊((Data Block簡稱DB)與NCK、MCP交換信息，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)各部分之間的協(xié)調(diào)控制。

　　4.1 輔助功能應(yīng)用

　　西門子802C數(shù)控系統(tǒng)的NC運(yùn)動(dòng)程序中可以編寫以下輔助功能：M功能、T功能、S功能、F功能、D功能、SPOS功能等。其中，M功能和T功能常輸送給系統(tǒng)集成PLC，經(jīng)PLC程序相關(guān)控制模塊處理激活相應(yīng)動(dòng)作。其中，一般M功能用于激活機(jī)床運(yùn)行中的開關(guān)量動(dòng)作，T功能用于機(jī)加工中的換刀控制。部分固定的M功能和T功能機(jī)床參數(shù)設(shè)置在系統(tǒng)默認(rèn)的機(jī)床數(shù)據(jù)文件中已經(jīng)存在，可直接在PLC程序中調(diào)用；但剩余的M功能和T功能必須經(jīng)過相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定，才能在PLC程序中使用。

　　在進(jìn)行輔助功能相關(guān)的機(jī)床參數(shù)設(shè)定后，PLC程序可直接調(diào)用輔助功能相應(yīng)的CNC通道輔助功能接口，經(jīng)PLC內(nèi)部功能控制模塊邏輯處理，就可實(shí)現(xiàn)輔助功能的相關(guān)操作，其中M功能CNC通道接口如圖3所示，T功能CNC通道接口如圖4所示。例如：調(diào)用輔助功能M20直接激活集成PLC中的輸出端子Q0.0。在機(jī)床參數(shù)設(shè)定后，直接調(diào)用輔助功能M20的CNC通道接口V25001002.4激活集成PLC輸出端子Q0.0，即可使輸出端子Q0.0激活相應(yīng)機(jī)床控制開關(guān)量，如圖5所示。輔助功能T的調(diào)用方法與輔助功能M大致相同，只是數(shù)據(jù)類型為DWORD，使用時(shí)應(yīng)加以注意。

　　4.2 PLC開發(fā)例程庫

　　集成PLC程序的開發(fā)是數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的核心部分。為減少系統(tǒng)二次開發(fā)的工作量，西門子公司提供SIEMENS 802S/C/D數(shù)控系統(tǒng)子程序庫。

　　子程序庫例程是適用于普通2軸數(shù)控車床和3軸數(shù)控銑床的PLC實(shí)用程序。子程序庫由2個(gè)PLC項(xiàng)目文件和相應(yīng)的說明文件組成。項(xiàng)目文件SUBR_LIBRARY.PTP包含子程序庫所提供的全部子程序和空的主程序（OB1），其子程序涵蓋了各種基本功能（表2）。利用這些程序，可根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)的原則，像搭積木一樣在主程序中調(diào)用相應(yīng)的功能控制子程序。項(xiàng)目文件SAMPLE.PTP是利用SUBR_LIBRARY.PTP的子程序搭建的一個(gè)完整的實(shí)用程序，并將其預(yù)先裝入系統(tǒng)中。對于SAMPLE.PTP控制功能可以覆蓋機(jī)床控制功能的數(shù)控機(jī)床，只需要設(shè)定相應(yīng)PLC參數(shù)，不必另行編寫PLC程序。當(dāng)然，如果例程庫不能滿足機(jī)床的控制功能要求，可以修改PLC程序，或填加相應(yīng)的PLC功能控制模塊。

　　802C系統(tǒng)PLC子程序庫的應(yīng)用大大減少了二次開發(fā)的工作量，減短了數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)開發(fā)周期，但PLC子程序庫的應(yīng)用也存在一些的弊端。首先，子程序存在一些缺陷，需要細(xì)致分析、仔細(xì)推敲，并在實(shí)際工程應(yīng)用中不斷檢驗(yàn)改進(jìn)。文獻(xiàn)[3]中提出用于銑床刀具卡緊放松或車床卡盤控制的SBR49（LOCK_UNL）子程序在四個(gè)方面存在問題，并進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。其次，PLC例程庫中的子程序需要適合多種數(shù)控機(jī)床實(shí)際使用，雖然這樣使其具有一定的通用性，但這將不可避免地導(dǎo)致PLC程序結(jié)構(gòu)冗余，使PLC工作循環(huán)周期延長，影響機(jī)床的PLC邏輯控制的實(shí)時(shí)性。

　　4.3 集成PLC與通用PLC的差異

　　在集成PLC開發(fā)過程中，必須要注意集成PLC與通用S7-200 PLC的差異，詳見表3。表中列舉的西門子802C數(shù)控系統(tǒng)集成PLC各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)皆低于通用S7-200 PLC。因此，在進(jìn)行集成PLC開發(fā)時(shí)，應(yīng)仔細(xì)閱讀相關(guān)手冊，并從實(shí)際情況出發(fā)，不可簡單地采用S7-200的例程或相關(guān)程序。

5、西門子802C系統(tǒng)循環(huán)周期測試方法

　　802C數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)二次開發(fā)后，NC通道的實(shí)時(shí)性受二次開發(fā)的影響不大；而集成PLC程序無論由例程庫中的子程序搭建而成，還是自行開發(fā)，皆對其邏輯控制實(shí)時(shí)性產(chǎn)生一定的影響。因此，數(shù)控系統(tǒng)在二次開發(fā)完成后，必須對其集成PLC的循環(huán)周期進(jìn)行估計(jì)和測量。

　　文獻(xiàn)[5~7]分別從PLC工作原理、掃描周期、輸入輸出延時(shí)和程序設(shè)計(jì)等方面對PLC響應(yīng)延時(shí)誤差進(jìn)行分析，并且文獻(xiàn)[6]和[7]在理論分析的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的限制條件，在滿足這些條件的前提下，就能減少輸入輸出響應(yīng)時(shí)間，防止輸入信號丟失，保證定時(shí)器正常工作，提高控制的實(shí)時(shí)性能。文獻(xiàn)[8]在分析PLC軟件執(zhí)行時(shí)序和硬件響應(yīng)合理配合的重要性的過程中，采用了一種PLC程序掃描周期的測試方法。但此種測試方法存在不大于一個(gè)掃描周期的隨機(jī)測試誤差，并且未形成信號閉環(huán)，不符合PLC實(shí)際工況。在充分分析文獻(xiàn)[5~7]中響應(yīng)實(shí)時(shí)性影響因素的基礎(chǔ)上，鑒于文獻(xiàn)[8]中測試方法的弊端，提出一種符合PLC實(shí)際工況的循環(huán)周期測試方法，并針對此種測試方法的不足，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

表2 802C集成PLC與S7-200部分配置對比

　　5.1 循環(huán)周期時(shí)間測試方法

　　本文提出的循環(huán)周期測試方法主要利用集成PLC的累加計(jì)時(shí)器（TONR）的記憶時(shí)間功能測量循環(huán)周期時(shí)間。系統(tǒng)循環(huán)周期測量的信號鏈接線路和PLC程序詳見圖6和圖7。Q0.0外接蜂鳴器，Q0.1信號線接入I0.1，形成信號的閉環(huán)回路。I0.0鏈接一個(gè)開關(guān)量信號，作為周期測試的啟動(dòng)按鍵。按下測試啟動(dòng)按鍵，計(jì)時(shí)器T1開始計(jì)時(shí)， 同時(shí)開關(guān)量信號沿信號閉環(huán)回路傳送，待閉環(huán)信號偱行一周，則T1累加記錄集成PLC此循環(huán)周期。多次按動(dòng)啟動(dòng)按鍵，計(jì)時(shí)器T1累加記錄多個(gè)循環(huán)周期時(shí)間。當(dāng)T1循環(huán)周期累加值大于周期測量設(shè)置時(shí)間值時(shí)，則蜂鳴器鳴叫，同時(shí)T1清零復(fù)位。從而實(shí)現(xiàn)了多個(gè)循環(huán)周期的累加測量。

圖6 PLC循環(huán)周期測試接線

圖7 系統(tǒng)循環(huán)周期時(shí)間測定PLC程序

　　循環(huán)周期測量結(jié)果可采用循環(huán)周期的時(shí)間上限Tu和時(shí)間下限Td的公式，進(jìn)行多次測量和均值計(jì)算，不斷逼近真實(shí)值。循環(huán)周期時(shí)間上限Tu和時(shí)間下限Td的計(jì)算公式如下：

Tu=t/n,Td=t/(n-1)

　　其中，t為計(jì)時(shí)器設(shè)定時(shí)間，n為按鍵次數(shù)。

　　PLC循環(huán)周期測量隨計(jì)時(shí)器設(shè)定時(shí)間值t的增大，按鍵次數(shù)n相應(yīng)提高，所測量出的Tu和Td更接近于PLC的循環(huán)周期，所以時(shí)間設(shè)定值t越大，循環(huán)周期的測量精度越高。此循環(huán)周期測量方法不僅簡便，而且測量精度相當(dāng)高，可達(dá)到毫秒量級。

　　5.2 循環(huán)周期測試方法的改進(jìn)

　　此循環(huán)周期測試方法仍存在按鍵頻率不夠高的弊端，否則出現(xiàn)按鍵次數(shù)的誤記錄，導(dǎo)致最終測量結(jié)果不正確。為改良這一弊端，可采用中間變量對I0.0和I0.1的信號進(jìn)行互鎖，并采用計(jì)數(shù)器進(jìn)行循環(huán)周期次數(shù)的記錄。蜂鳴器鳴叫后，采用集成PLC編輯軟件Programming Tool 802運(yùn)行監(jiān)視功能讀出計(jì)數(shù)器中的周期次數(shù)。經(jīng)上述循環(huán)周期測量公式計(jì)算，即可求出集成PLC的循環(huán)周期。

6、結(jié)論

　　1）本文在分析西門子802C數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，對802C數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化研究，并著重分析系統(tǒng)二次開發(fā)技術(shù)中的集成PLC的開發(fā)技術(shù)的意義。

　　2）介紹集成PLC輔助變量的編程方法；在肯定PLC例程庫積極作用的前提下，指出例程庫在應(yīng)用中存在的弊端。

　　3）通過相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的對比，證明802C集成PLC S7-200與普通S7-200存在相當(dāng)大的性能差異，故在集成PLC程序開發(fā)時(shí)須加以注意。

　　4）在分析相關(guān)文獻(xiàn)和測試方法的基礎(chǔ)上，提出一種PLC循環(huán)周期的測試方法。此種測試方法簡便，并且計(jì)時(shí)精度較高；并針對測試方法的弊端，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

　　5）經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)技術(shù)的系統(tǒng)化研究不僅將推動(dòng)中低端數(shù)控機(jī)床的普及，滿足中小企業(yè)對成本低、效率高、加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定的中低端數(shù)控機(jī)床的迫切需求，而且對具有特殊控制功能的數(shù)控設(shè)備的開發(fā)研究有促進(jìn)作用。因此，中小型經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)二次開發(fā)技術(shù)的系統(tǒng)化研究具有重要意義。