西門子840DSL數(shù)控系統(tǒng)安全集成的研究與應(yīng)用

張立群1，張義紅1,2

（1.上海東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；2.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620）

摘要：本文將主要介紹數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的安全標(biāo)準(zhǔn)以及西門子840DSL數(shù)控系統(tǒng)安全集成技術(shù)的基本原理和功能應(yīng)用。以AFS5-40數(shù)控外圓磨床為應(yīng)用實(shí)例，介紹與西門子安全集成相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，以及安全集成功能的調(diào)試與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：西門子840D Solution Line；安全集成技術(shù)；ProfiSafe；SPL安全編程邏輯

1 概述

西門子840D SL數(shù)控系統(tǒng)提供的安全集成功能都是以EN 62061和EN ISO 13849-1為標(biāo)準(zhǔn)研制的，并且已經(jīng)達(dá)到了歐盟CE認(rèn)證的要求和標(biāo)準(zhǔn)。目前在歐洲生產(chǎn)或使用的數(shù)控機(jī)床都必須帶有安全集成功能，用于確保操作人員的人身安全及財(cái)產(chǎn)安全。一般數(shù)控機(jī)床在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)進(jìn)行安全等級(jí)的評(píng)估與分析，電氣設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對(duì)數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的安全集成功能設(shè)計(jì)，并配備相應(yīng)的安全模塊，如安全PLC功能模塊以及安全門鎖等電氣控制元件。一般數(shù)控系統(tǒng)需具備以下安全功能：STO（Safe torque off）安全轉(zhuǎn)矩關(guān)閉；SOS（Safe Operating Stop）安全操作停止；SLS（Safety-limited Speed）安全速度限制；SE（Safe software limit switch）安全限位等。西門子安全集成系統(tǒng)通過SPL（Safe Programmable Logic）安全邏輯程序來執(zhí)行安全功能邏輯，并可通過伺服電機(jī)編碼器或第二編碼器（光柵尺等）做為安全編碼器來實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以確保機(jī)床的絕對(duì)安全性。840D SL安全集成系統(tǒng)都必須具備雙通道檢測(cè)功能，SPL程序同時(shí)在NC和PLC系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行，并實(shí)時(shí)同步監(jiān)控檢測(cè)，如發(fā)現(xiàn)NC和PLC的信號(hào)狀態(tài)不一致，數(shù)控系統(tǒng)將立即產(chǎn)生報(bào)警，并使伺服軸立即安全停止并切斷伺服轉(zhuǎn)矩輸出和伺服使能。同時(shí)按照相關(guān)機(jī)床安全規(guī)定要求，每間隔8小時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行安全功能測(cè)試，以確保數(shù)控機(jī)床的絕對(duì)安全性能。

2 安全集成硬件設(shè)計(jì)

2.1 AFS5-40數(shù)控外圓磨床簡(jiǎn)介

AFS5-40數(shù)控外圓磨床是一種高性能全自動(dòng)數(shù)控外圓磨床，可磨削加工軸承的外圈外徑或軸承的內(nèi)圈溝道及其他高精密工件。其特點(diǎn)是加工效率高，加工種類多樣，一次磨削裝夾可同時(shí)磨削加工兩個(gè)工件，上下料節(jié)拍約為1.5S，磨削加工節(jié)拍可以控制在5S以內(nèi)。高效的同時(shí)也具備高精度的磨削加工性能，直線伺服進(jìn)給軸定位精度可達(dá)1μm，磨削加工后的工件圓度可控制在1μm以內(nèi)，尺寸公差范圍可控制在5μm以內(nèi)，特別適用于高精度零件的磨削加工。該磨床按照歐盟CE認(rèn)證要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)用了諸多西門子安全集成功能，確保的機(jī)床的絕對(duì)安全性能。

2.2 安全集成硬件設(shè)計(jì)

AFS5-40磨床的數(shù)控系統(tǒng)采用最新款的西門子840D Solution Line，伺服驅(qū)動(dòng)采用S120數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，PLC采用S7-300控制器，并使用ProfiNET做為現(xiàn)場(chǎng)通訊總線，同時(shí)使用ET200s安全I(xiàn)/O模塊做為ProfiSAFE的安全輸入輸出信號(hào)模塊，以上就構(gòu)成了該機(jī)床的整套安全集成控制系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床安全電氣控制系統(tǒng)硬件配置如圖1所示。

圖1 機(jī)床安全電氣控制系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)EN 954-1安全標(biāo)準(zhǔn)可將安全控制種類分為五檔，即Kat.B、Kat.1、Kat.2、Kat.3和Kat.4，這五檔分別對(duì)應(yīng)五種不同的安全控制要求，發(fā)生安全報(bào)警時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)將根據(jù)不同的安全等級(jí)產(chǎn)生相匹配的安全防護(hù)措施。安全門鎖、機(jī)床滅火器信號(hào)、雙手操作按鈕和急停按鈕等信號(hào)對(duì)操作人員的人身安全以及機(jī)床設(shè)備的財(cái)產(chǎn)安全起到至關(guān)重要的作用，因此根據(jù)EN 954-1安全標(biāo)準(zhǔn)我們將這些輸入輸出信號(hào)規(guī)定為Kat.3等級(jí)的信號(hào)，同時(shí)這些I/ O信號(hào)必須使用雙通道功能的電氣元件，且PLC的安全I(xiàn)/O模塊也必須使用雙通道的安全模塊。西門子ET200s安全I(xiàn)/O模塊的接線原理圖如圖2所示。AFS5-40磨床所采用的PLC安全I(xiàn)/O模塊型號(hào)如表1所示。

表1 西門子ET200s安全I(xiàn)/O模塊型號(hào)

圖2 ET200s安全I(xiàn)/O模塊的接線原理圖

2.3 安全輸入輸出的軟件配置

在ProfiSAFE安全集成中使用ET200s安全I(xiàn)/ O模塊必須在STEP7硬件組態(tài)軟件中做以下設(shè)定：（1） F_source_address=2000: CPU 317F-3 PN/ DP；（2）每個(gè)安全I(xiàn)/O模塊的F_dest_address這個(gè)參數(shù)需按順序依次從200開始依次排序，并將DIP switch setting(9——0)設(shè)置相對(duì)于的開關(guān)量值，例如：安全輸入模塊1參數(shù)F_dest_address設(shè)為200，則DIP switch setting需設(shè)置為0011001000，且安全模塊自身的撥碼開關(guān)應(yīng)與其相一致；（3）設(shè)置每個(gè)信號(hào)通道的參數(shù)，如Sensor supply；Evaluation of the sensors；Type of sensor interconnection；Behavior at discrepancy和Discrepancy time(ms)等。其中Discrepancy time(ms)參數(shù)最為重要，其主要檢測(cè)雙通道信號(hào)的不同步時(shí)間，如超過設(shè)定值（一般設(shè)定值為500ms），ProfiSAFE會(huì)報(bào)警，并使安全系統(tǒng)處于STOP D的狀態(tài)。

在CNC系統(tǒng)中，安全輸入模塊F-DI必須設(shè)置MD10386和MD10388這兩個(gè)參數(shù)，安全輸出模塊F-DO則必需設(shè)置MD10387和MD10389這兩個(gè)參數(shù)。以安全輸入模塊1為例（F_dest_ address=200），則MD10386=50000C8H（地址值200以16進(jìn)制表示），MD10388=004001，其含義為將安全輸入模塊1的四個(gè)輸入地址分配為$A_ INSE[1]——$A_INSE[4]。

3 安全SPL程序設(shè)計(jì)

根據(jù)EN 954-1安全標(biāo)準(zhǔn)，安全集成的SPL（Safe Programmable Logic）程序也必須使用雙通道控制模式，在PLC和NC系統(tǒng)中分別存儲(chǔ)了兩套邏輯完全一致的SPL程序，從而構(gòu)成SPL雙通道模式。840D SL數(shù)控系統(tǒng)ProfiSAFE最多允許使用64個(gè)安全數(shù)字輸入/輸出點(diǎn)，用戶需要購買相應(yīng)的軟件授權(quán)。

編程人員首先需要在NC系統(tǒng)的NC Data/ Standard Cycles目錄下創(chuàng)建安全程序“SAFE. SPF”，并設(shè)置數(shù)控系統(tǒng)通道參數(shù)MD20108 Bit5=1，使CNC系統(tǒng)上電時(shí)自動(dòng)調(diào)用執(zhí)行SAFE. SPF程序，從而執(zhí)行安全監(jiān)控功能，并在PLC程序中創(chuàng)建一個(gè)與NC的SPL程序邏輯結(jié)構(gòu)完全一致的程序功能塊，例如FB70或FC100等。PLC安全程序不能直接讀取和控制相關(guān)的安全I(xiàn)/O點(diǎn)，必須使用數(shù)控系統(tǒng)自帶的DB18數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)位來編程。在NC系統(tǒng)中，為了便于調(diào)試人員對(duì)SPL程序的理解，在SAFE.SPF程序的開頭可以定義所使用的所有系統(tǒng)安全變量的名稱，這樣可增強(qiáng)程序的可讀性。SAFE.SPF編程實(shí)例如下：

（1）DEFINE IE_DOORS_LOCKED AS $A_ INSE[1] ;DB18.DBX38.0 Doors closed and locked。

（2）DEFINE OE_DOOR_UNLOCK AS $A_ OUTSE[2] ; DB18.DBX46.1 Doors Unlocked。

（3）DEFINE OI_STOP_A_DES_T1 AS $A_ OUTSI[03] ;MD36977[0]=4010103 DB18.DBX62.2 External STOP A。

（4）DEFINE MI_EMRG_STOP AS $A_ MARKERSI[1] ;DB18.DBX70.0 Emergency STOP internal signal。

編程人員可在SAFE.SPF程序中使用同步動(dòng)作功能來執(zhí)行安全集成相關(guān)的動(dòng)作和監(jiān)控。在840DSL數(shù)控系統(tǒng)中，SPL程序最多可使用255個(gè)同步動(dòng)作，用戶可通過MD11500參數(shù)來設(shè)定同步動(dòng)作數(shù)量。在SAFE.SPF程序中一般使用靜態(tài)同步動(dòng)作IDS來處理安全事件，實(shí)例如下：

（1）IDS=10 DO MI_DOORS_CLOSED = IE_DOORS_LOCKED AND IE_DOOR_CLOSED_ L //同步動(dòng)作10，當(dāng)正門和左門關(guān)+鎖時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部門鎖信號(hào)=1。

同時(shí)在PLC的FB70功能程序塊中需要有相同邏輯的程序，如下所示：

A DB18.DBX38.0//main doors closed & locked

A DB18.DBX38.1//left door closed

=DB18.DBX71.0//all doors closed

（2）IDS=20 DO OE_DOOR_UNLOCK = I_ PLC_DOOR_UNLOCK //同步動(dòng)作20，當(dāng)PLC程序輸出門鎖住信號(hào)時(shí)，安全門鎖安全輸出置1。PLC程序如下：

A DB18.DBX132.4//PLC doors locked signal

= DB18.DBX46.1//Doors locked safety output

SPL程序通過DB18數(shù)據(jù)塊中相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位來編寫相關(guān)安全邏輯功能，并根據(jù)位的實(shí)際狀態(tài)以及SPL程序的邏輯關(guān)系，最終控制機(jī)床所有的安全控制輸出，如伺服軸安全停止、急?？刂?、雙手操作控制和安全減速控制等。

4 安全伺服軸功能

安全伺服軸功能主要包括安全停止（SH）、安全操作停止（SBH）、安全速度控制（SG）、安全限位（SE）、安全凸輪開關(guān)（SN）和安全抱閘控制（SBR）等。根據(jù)EN 954-1安全標(biāo)準(zhǔn)和歐盟CE認(rèn)證要求，CNC數(shù)控機(jī)床所有的伺服軸必須為安全集成伺服軸，設(shè)置MD36901=41H（旋轉(zhuǎn)軸）或43H（進(jìn)給軸）來激活安全伺服軸功能（參數(shù)含義如圖3所示，進(jìn)給軸需使用安全限位SE功能）。同時(shí)安全伺服軸的參數(shù)（如螺距/傳動(dòng)比/電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向等）也需按雙通道設(shè)置，通道1為MD數(shù)控系統(tǒng)伺服軸參數(shù)，通道2為S120伺服驅(qū)動(dòng)參數(shù)，這兩者參數(shù)的設(shè)定值需完全一致，如MD36918/p9518、MD36920/p9520、MD36921/p9521、MD36922/ p9522等。調(diào)試人員還需執(zhí)行[Copy]/[Confirm]/ [Reset]以及[Calc.SI Enc. Data]等操作步驟，否則將會(huì)引起系統(tǒng)報(bào)警。

全集成功能狀態(tài)可在數(shù)控系統(tǒng)的診斷畫面里監(jiān)控和診斷，如安全操作停止（SBH）、安全速度控制（SG）安全功能的激活以及當(dāng)前安全速度監(jiān)控等。當(dāng)診斷界面中NCK伺服軸坐標(biāo)位置和Drive安全編碼器坐標(biāo)位置存在誤差且超過相關(guān)設(shè)定公差值后，伺服軸會(huì)立即STOP A停止，并產(chǎn)生相關(guān)安全集成報(bào)警（圖3、4）。

圖3 伺服軸安全功能參數(shù)設(shè)置含義

圖4 伺服軸安全功能狀態(tài)監(jiān)控畫面

5 結(jié)語

在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用西門子安全集成功能具有非常良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，它能使機(jī)床擁有更高的安全性和可靠性，更高效的實(shí)現(xiàn)了對(duì)操作人員和機(jī)床本身的安全保護(hù)，減少了意外事故發(fā)生的概率。目前國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品并未大規(guī)模應(yīng)用安全集成功能，但安全集成功能將成為未來數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向之一，有必要在國(guó)內(nèi)進(jìn)行推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]SIEMENS Automation Group. SINUMERIK 840D sl/SINAMICS S120 SINUMERIK Safety Integrated[M]. Nuernberg: Siemens, 2015.

[2]SIEMENS Automation Group. SINUMERIK 840D sl/828D Synchronized Action[M]. Nuernberg: Siemens, 2015.

[3]SIEMENS Automation Group. Application Manual The Safety System for Industry [R]. Erlangen: Siemens, 2013.

中圖分類號(hào)：F416.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0711（2017）04（上）-0110-03