西门子840DSL安全集成功能在加工中心的应用

吕刚（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

西门子840DSL安全集成功能在加工中心的应用

吕刚
（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

介绍了西门子840D SL数控系统外部触发的安全集成功能的基本知识和双通道概念。对其硬件单元Profisafe模块和S120驱动系统的功能描述、信号接入进行说明，利用框架流程图简介系统如何实现机床的安全集成功能。列举具体加工中心案例，设计机床应用外部触发的安全集成功能的实现步骤：硬件配置、参数说明、PLC与NC的SPL安全程序编程。

安全集成功能Profisafe模块S120驱动系统SPL程序

1 引言

随着科学理论和应用技术的快速发展，机械产品外形越来越复杂精细，精度不断提高，性能越来越强，对其制造设备如加工中心的综合要求也是持续提升，加工中心的电气控制系统是其优劣的关键因素之一。相比较而言，西门子公司840D SL数控系统是近年来综合性能最为先进优越的加工中心控制系统之一。它能很好地满足机床用户的各种高标准要求，对生产现场的人机安全因素愈加重视的环境下，它更是有着良好的适应性和可靠性，西门子840DSL系统采用安全集成功能来实现人机的安全保障。本文从便捷实用的角度，对安全集成功能的重点相关概念和在加工中心上的功能实现加以介绍。

2 系统安全集成相关单元的功能及其实现

本文讨论的安全集成系统包括硬件部分的Profisafe输入输出模块、S120伺服驱动单元，外围信号及接线，相关系列参数设置，NC程序和PLC程序的编程。

2.1 Profisafe输入模块

F-DI输入模块安装在机床扩展单元ET200S插槽内，一般使用的都是4 F-DI模块，即4个信号输入点。上文提过，安全集成功能的一个特征就是双通道信号状态监控：NC通道和PLC通道。其在输入模块表现在每个信号输入分为NC输入点与PLC输入点，即每个信号分两路分别进入NC输入点与PLC输入点。该模块有1-16个接线孔，1～2、3～4、5～6、7～8为4条NC信号输入回路，依次定义是INSE[X]～INSE[X+3](X为起始地址)，2、4、6、8孔为NC信号电源VS1；9～10、11～12、13～14、15～16为4条PLC信号输入回路，依次定义是INSEP[X]～INSEP[X+3]（X与之前保持一致），10、12、14、16孔为PLC信号电源VS2。因为系统允许的NC输入和PLC输入信号状态误差为毫秒级，因此同一个信号的NC和PLC输入状态必须确保一致。在使用前，需要对与其相关的NC参数和PLC硬件数据定义进行设置。

2.2 Profisafe输出模块

F-DI输出模块安装在机床扩展单元ET200S插槽内，一般使用的都是4 F-DO模块，即4个信号输出点。与Profisafe输入模块不同，Profisafe输出模块执行的是输出动作，从实际应用角度出发，输出只有单回路。该模块有1～16个接线孔，但3、4、7、8、11、12、15、16孔不使用，1～2、5～6、9～10、13～14孔为4条信号输出回路。其中，1、5、9、13接线为输出正极，2、6、10、14接线为输出负极，依次定义是OUTSE[X]～OUTSE[X+3](X为起始地址)或OUTSEP[X]～OUTSEP[X+3]。与输入模块类似，需要设置相应的NC参数和PLC数据定义。

2.3 S120伺服驱动单元

对于伺服驱动系统，当机床面临可能危害到作业人员和机床本身安全的状况时，传统方式是采用继电器或监控开关来断开驱动模块或伺服电机的电源，或在程序里切断驱动系统使能信号，使伺服轴丧失动力而停车。而840D SL数控系统的S120驱动控制单元则将轴安全停车的执行部件集中到驱动单元内部。本文讨论的外部信号触发的驱动安全集成功能则是通过NC和PLC双通道分路高速检测相关程序状态，发送指令到驱动单元来执行轴安全停车。与前述的传统方式相比，首先它剔除了外部断路器件，消除了由于其接线或外部器件本身故障导致轴停车任务失败的风险，提升了可靠性；其次它采用高速双通道数据检测，执行安全任务反应速度更快；再次它可以采用多种方式使轴安全停车，可以制动刹车，对人机保护措施更加合理，应用方式也更为柔性与灵活。

外部信号触发的S120驱动系统安全集成功能目的是实现多种方式的轴安全停车，这些方式包括STOPA、STOPC、STOPD、STOP E。NC和PLC两个监控通道来同步执行相同动作，由于驱动单元硬件逻辑隶属于PLC系统，从执行角度来看，此处双通道也称为NC通道和驱动通道。

2.4 NCK与PLC双通道安全功能的实现

针对本文内容，也为了便于读者在整体上对安全集成功能的框架组成与实现步骤有直接的理解，用图1来说明其流程。

安全集成功能最显著的特征就是双通道的执行与实时监控，在安全集成功能监控时钟循环周期内，NCK与PLC通道的各自安全相关数据进行持续交叉比较，即图中的CDC。一旦检测到两个通道数据不一致，立即触发机床停车功能。在本文中，CDC出现在两个环节中。第一环节是Profisafe输入模块的NCK输入与PLC输入信号状态，第二环节是NCK-SPL与PLC-SPL程序语句及程序元素状态的比较。第一环节前文已作介绍，第二环节的SPL是指安全控制逻辑程序，NCK与PLC各自对SPL进行编程，两者安全程序逻辑控制语句必须一致。PLC的编程语句可以放在程序内持续运行的任何块内，NCK则对SPL程序有规定：程序名为SAFE.SPF，该程序必须放在NCK的CST_DIR目录下，双通道SPL程序启动后保持循环运行[1]。根据SPL程序的运行逻辑，在执行端一侧，NCK与PLC分别输出OUTSE与OUTSEP给Profisafe输出模块；另一侧，分别输出OUTSI变量与PLC轴接口信号给伺服驱动单元来驱动电机停车，同时也能获取驱动单元的状态反馈信号。

图1 外部触发的安全集成功能流程框架图

3 外部触发的安全集成功能在加工中心上的典型应用

3.1 应用案例背景和安全功能需求介绍

近年来，越来越多的国产通用型加工中心采用西门子840DSL作为机床控制系统，但对系统功能的使用和性能挖掘还有不小的发挥空间，在这类加工中心上使用外部触发的安全集成功能就可以方便高效地提升设备的人机安全性能。本文以某加工中心为例，介绍具体方案的设计和实现。其安全集成功能的执行部件有X、Y、Z三根进给轴的伺服驱动单元、主轴锁紧松开装置、Y轴外部抱闸装置，安全集成功能的安全输入模块触发信号有急停按钮、装载区安全光幕无干扰信号、装载区门关闭信号、维修区门关闭信号。机床要实现的安全集成功能逻辑描述为：在自动操作模式下，当出现急停装置被按下、或装载门打开的同时安全光幕被干扰、或维修门打开三种情况的任何一种，机床的水平平移X轴以STOPA方式停车，水平加工方向Z轴以STOPC方式停车，垂直平移Y轴以STOPC方式停车。当Y轴达到准静止状态时，为了克服自身重力影响，立即得电关闭Y轴外部抱闸装置使之可靠静止；当出现急停装置被按下、或装载门打开的同时安全光幕被干扰、或维修门打开、或气压液压不合格四种情况的任何一种，主轴锁紧松开装置失电，依靠机构的锁紧弹簧自动锁紧主轴。

3.2安全集成功能硬件的配置

从上文安全功能逻辑描述可以得出，该加工中心有X、Y、Z三根轴的伺服驱动单元，同属NC第一通道第一模式组控制，分别实现不同方式的外部触发安全停车功能。在PLC的ET200S槽板内安置一块4 F-DI的Profisafe输入模块、安置一块4 F-DO的Profisafe输出模块，其中，急停按钮、装载区安全光幕正常信号、装载区门关信号、维修区门关信号依次分别为双路输入的INSE[1]/INSEP[1]、INSE[2] /INSEP[2]、INSE[3]/INSEP[3]、INSE[4]/INSEP[4]。主轴锁紧松开装置、Y轴外部抱闸装置依次分别为OUTSE[1]/OUTSEP[1]、OUTSE[2]/OUTSEP[2]。

3.3相关参数的设置

在对该案例SPL安全程序编程前，需设置一系列相关的参数。

参数10385越050007E5：设置系统安全集成模块硬件主地址为2021。

参数10386[0]越050003FD：设置唯一一块的Profisafe输入4 F-DI模块的硬件地址为1021。

参数10388[0]越4001：设置该Profisafe输入模块输入变量地址范围为INSE[1]-INSE[4]。

参数10387[0]越050003FC：设置唯一一块的Profisafe输出4 F-DO模块的硬件地址为1020。

参数10389[0]越4001：设置该Profisafe输出模块输出变量地址范围为OUTSE[1]-OUTSE[4]。

匹配参数10385、10386、10387、10388、10389设置的数据，在PLC项目hardware设置项里，安全输入输出模块地址也必须对应设定[2]。

对于X、Y、Z三轴，各自设定对应轴机床数据和轴驱动数据。

（1）相同设定

参数36901.0越1：安全速度、安全操作停功能使能。

参数36901.6越1：外部停功能使能。

参数36970越04010101：分配变量OUTSI1作为SG/SBH功能选择标记。

参数36971越04010102：分配变量OUTSI2作为SBH功能选择标记。

参数36930、驱动参数P9530越0.05：安全静态位置公差设定值为0.05毫米。

参数36960、驱动参数P9560越1：STOP B到STOPA的下降切换速度为1转每分钟。

参数36964越1：各个轴外部停触发互不影响。（2）分类设定

X轴参数36977[0]越3：分配OUTSI3作为X轴外部STOPA触发标记。

Y轴参数36977[1]越4：分配OUTSI4作为Y轴外部STOPC触发标记。

Z轴参数36977[1]越5：分配OUTSI5作为Z轴外部STOPC触发标记。

3.4 NC与PLC双通道安全程序的设计

PLC安全程序设计为NC安全程序扫描完成后即由OB1调用。DB18为系统安全集成功能处理专用数据块，作用是NC与PLC两通道进行信号采集、交换、运算及输出。需要注意的是OUTSI信号为零时对应安全功能生效。以下是PLC安全程序段，实现了上文提出的安全功能需求，并做注释方便读者理解和分析：

//SBH功能选择激活

ANDB11.DBX6.0自动操作模式

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轴外部SAFETY停启动

A I1.0气压合格

A I1.1液压合格

越DB18.DBX132.1 PLCSIIN2气液压正常

ANDB18.DBX38.1 INSEP2安全光幕

ANDB18.DBX38.2 INSEP3装载门

越DB18.DBX70.0 MARKERSIP1装载区

ADB18.DBX38.0 INSEP1急停

ADB18.DBX38.3 INSEP4维修门

ANDB18.DBX70.0 MARKERSIP1装载区

越DB18.DBX62.2 OUTSIP3X轴停激活

越DB18.DBX62.3 OUTSIP4Y轴停激活

越DB18.DBX62.4 OUTSIP5 Z轴停激活

//X、Y、Z轴外部停传送轴接口信号

ADB18.DBX62.0 OUTSIP1激活

越DB31.DBX22.0 X轴SBH/SG使能

越DB32.DBX22.0 Y轴SBH/SG使能

越DB33.DBX22.0 Z轴SBH/SG使能

ADB18.DBX62.1 OUTSIP2激活

越DB31.DBX22.1 X轴SBH使能

越DB32.DBX22.1 Y轴SBH使能

越DB33.DBX22.1 Z轴SBH使能

ADB18.DBX62.2 OUTSIP3 X轴停激活

越DB31.DBX32.2 X轴STOPA激活

ADB18.DBX62.3 OUTSIP4 Y轴停激活

越DB32.DBX32.3 Y轴STOPC激活

ADB18.DBX62.4 OUTSIP5 Z轴停激活

越DB33.DBX32.3 Z轴STOPC激活

//主轴夹钳松开命令

AM160.0主轴松开命令标识

越DB18.DBX132.2 PLCSIIN3主轴松开

ADB18.DBX132.2 PLCSIIN3主轴松开

ADB18.DBX38.0 INSEP1急停

ADB18.DBX38.3 INSEP4维修门

ADB18.DBX132.1 PLCSIIN2气液压正常

ANDB18.DBX70.0 MARKERSIP1装载区

越DB18.DBX46.0 OUTSEP1主轴松开

//Y轴外部抱闸启动

ADB32.DBX110.1 Y轴SBH已激活

ADB32.DBX110.5 Y轴SBH状态n＜n x

越DB18.DBX132.3 PLCSIIN4 Y轴抱闸

ADB18.DBX132.3 PLCSIIN4 Y轴抱闸

越DB18.DBX46.1 OUTSEP2 Y轴抱闸

NC安全程序设计为系统启动且驱动系统使能完毕后由EVENT.SPF调用，其安全程序逻辑与PLC安全程序完全一致。由于文章篇幅所限，在此不予注释，可参照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 结论

西门子840DSL数控系统安全集成功能性能先进而强大，能够满足日益严苛的设备安全标准。本文介绍了外部触发的安全集成功能的概念、相关硬件组成与机床参数、安全程序编程，并列举典型案例来具体说明在加工中心上的具体实现步骤。对装备了840DSL系统的国产加工中心如何灵活方便的设计外部触发的安全集成功能具有一定的借鉴意义，同时也能给机床维修人员提供思路参考。

[1]曹文智.西门子安全集成技术在数控机床上的应用[J].制造技术与机床，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

来稿日期：2016-12-02

吕刚（1978-），男，工程师，主要研究方向为发动机生产设备的维修及维护。