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      摘  要：采用西門子611U單軸數(shù)控與S7-300 PLC進行PROFIBUS通訊，編寫PLC通訊程序，并在西門子操作面板上開發(fā)人機界面，實現(xiàn)對壓裝深度值的實時顯示和在線修改，解決壓裝深度調(diào)整修改困難、時間長和質(zhì)量風險問題。
  

       
     1. 引言 

  
     壓裝深度一直是伺服壓裝設備的技術(shù)關(guān)鍵，設置固定的壓裝深度不能滿足所有壓裝的工藝和質(zhì)量要求，經(jīng)常需要頻繁調(diào)整和修改。而一般的壓床沒有設置調(diào)整導管的壓裝深度的人機界面。當壓裝深度不滿足工藝要求時，只能通過編程器與611U數(shù)控聯(lián)機才能修改數(shù)控壓裝參數(shù)。一是這種方法操作難度較大，時間長，同時需要專業(yè)的自動化工程師來操作修改；二是修改值不能直接反應到人機界面上，有極大的質(zhì)量風險。為了更方便的在最短時間內(nèi)完成深度調(diào)整工作，在操作面板上開發(fā)增加一個壓裝深度調(diào)整界面，實現(xiàn)在人機界面上直接修改壓裝深度成為必要。
 

     2、611U數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊格式

  
     西門子611U數(shù)控系統(tǒng)通過PROFIBUS-DP總線與S7-300 CPU上的DP口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，通訊采用RS485接口及支持9.6k~12Mbps波特率的高速數(shù)據(jù)傳輸，其中數(shù)據(jù)的報文頭尾主要是用于規(guī)定數(shù)據(jù)的功能碼、傳輸長度、奇偶校驗、發(fā)送應答等內(nèi)容，主從站之間的數(shù)據(jù)讀寫核心是參數(shù)接口(簡稱PKW)和過程數(shù)據(jù)(簡稱PZD)。
 
    PKW參數(shù)區(qū)域，用于讀、寫參數(shù)值；PZD過程數(shù)據(jù)區(qū)域，包括控制字、設定值、狀態(tài)字和實際值。如果PLC需要通過總線來讀、寫數(shù)控系統(tǒng)中的某個參數(shù)，就需要用到PKW區(qū)域；如果PLC要通過總線來控制數(shù)控系統(tǒng)運行或者讀取數(shù)控系統(tǒng)當前各種狀態(tài)值等就要用PZD區(qū)域。PKW和PZD的數(shù)據(jù)通訊格式共有五種:PPO1、PPO2、PPO3、PPO4、PPO5，其傳輸?shù)淖止?jié)長度及結(jié)構(gòu)形式各不相同。在PLC和611U數(shù)控系統(tǒng)的通訊方式配置時要對PPO進行選擇，每一種類型的結(jié)構(gòu)形式如表1。

     表1  PKW和PDZ數(shù)據(jù)通訊格式類型的結(jié)構(gòu)形式

     以上5種不同的PPO類型是用不同的數(shù)據(jù)長度選擇的，而數(shù)據(jù)長度是由數(shù)控系統(tǒng)在自動化運行環(huán)境中需要完成的任務決定的。例如：PPO3和PPO4中不包含PKW區(qū)域數(shù)據(jù)，所以只能用于進行過程控制，不能對數(shù)控參數(shù)進行讀寫。

     參數(shù)區(qū)域PKW的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：PKE為一個字，0～10位是寫待讀寫的參數(shù)號；第11位是系統(tǒng)預留位；12～15位是寫作業(yè)報文ID號。

     PKW區(qū)的第二個字IND，0～7位是表示子參數(shù)號也就是索引號；8～15位是系統(tǒng)預留位。
 
     PWE為兩個字存放參數(shù)值。總線數(shù)據(jù)傳輸作業(yè)過程是：首先由PLC將作業(yè)報文ID發(fā)送到611U數(shù)控系統(tǒng)中，然后系統(tǒng)讀取到作業(yè)ID后根據(jù)作業(yè)ID的任務來更新（讀取或者寫入）參數(shù)區(qū)域的參數(shù)值，最后611U數(shù)控系統(tǒng)發(fā)給PLC一個與作業(yè)ID相對應的響應ID，PLC讀取到響應ID后，就說明參數(shù)讀寫作業(yè)已完成。
  
     系統(tǒng)作業(yè)ID，其系統(tǒng)參數(shù)有幾種不同的形式，包括單字節(jié)參數(shù)、雙字節(jié)參數(shù)、另外還有帶索引下標的陣列參數(shù)等，對于不同的參數(shù)其讀寫方式也不一樣，不同參數(shù)的讀寫作業(yè)ID如表2。
 
     表2  不同參數(shù)的讀寫作業(yè)ID
  
     
 

     與作業(yè)ID號相對應的ID如表3。
 
     表3  與作業(yè)ID號對應的相應ID
  
     
 

     作業(yè)執(zhí)行過程中如果出現(xiàn)錯誤導致作業(yè)無法完成，則系統(tǒng)返回ID號為7，具體錯誤類型代碼放在參數(shù)區(qū)的第四個字，代碼含義如表4。
 
     表4  故障代碼含義
  
     
  

    3、數(shù)控系統(tǒng)中導管壓裝程序塊格式

  
    在611U數(shù)控系統(tǒng)中，壓裝導管的程序塊使用的是基本的定位指令。每個驅(qū)動軸最多可獨立編程達64個移動程序段，程序保存在參數(shù)中。一個程序段包含程序段號、指令、指令參數(shù)、方式、位置、速度、加速度修調(diào)、減速度修調(diào)和結(jié)束方式，如表5。
 

     表5  基本定位指令程序段格式
  
    

    上面程序段段號為3，PLC調(diào)用3號程序時，這段定位程序執(zhí)行。定位程序無指令參數(shù)，方式選擇有兩種：ABSOLUTE為絕對位置定位方式；RELATIVE為相對位置定位方式。定位目標位置為200.000mm，運動速度為1500mm/min，加速度和減速度都為100%。程序段的結(jié)束方式一共有三種：END、CONTINUE WITH STOP、CONTINUE WITH FLYING:
 
    END方式下程序運行完這個程序段后，就結(jié)束；
 
    CONTINUE WITH STOP方式下程序運行完這個程序段后，軸減速停止，然后繼續(xù)執(zhí)行下一個程序段；
    CONTINUE WITH FLYING方式下程序運行完這個程序段后，軸不停止，然后繼續(xù)執(zhí)行下一個程序段，后兩種方式程序段如表6；
 
    表6  CONTINUE WITH方式下程序段
  
    
 

    上面兩段程序執(zhí)行過程中，速度與時間的曲線圖如圖1。

  
    
  
    圖1 兩種方式下速度與時間的曲線圖
 

    從上面的曲線圖中可以直觀的看出CONTINUE WITH STOP方式和CONTINUE WITH FLYING方式的區(qū)別。
 

     4、數(shù)控系統(tǒng)中導管壓裝程序塊對應的參數(shù)

  
     在611U數(shù)控系統(tǒng)中，每一個程序塊中的每一項都對應著一個參數(shù)，程序塊可以通過參數(shù)來修改，因此PLC通過總線數(shù)據(jù)的傳遞即可更改這些參數(shù)，實現(xiàn)PLC更改數(shù)控程序。
與程序塊對應的參數(shù)為80—87號，對應關(guān)系如表7。
 

     表7 參數(shù)80-87對應關(guān)系
  
     
  
     在611U數(shù)控系統(tǒng)中每個驅(qū)動軸有64個程序段，如何與64套單獨的參數(shù)相對應，系統(tǒng)通過索引下標區(qū)分這64個程序段對應的參數(shù)，即80—87號每個參數(shù)都要帶一個索引下標，下標范圍為0—63，共64個，用來區(qū)分不同的程序段。每一個程序段的每一個信息都有一個參數(shù)與之對應，PLC通過總線可以更改任意一個程序段的任何信息。
 
     本機床需要更改壓裝導管的深度位置，必須知道壓裝導管程序中壓裝深度位置對應的參數(shù)，因壓床可以對兩種類型的零件進行壓裝，所以壓裝兩種類型的導管也有兩個程序，在611U程序塊中對應的是3號程序和13號程序，壓裝深度位置對應的參數(shù)是81號參數(shù)，因此要更改壓裝深度就要從PLC中更改參數(shù)81:3和參數(shù)81:13這兩個（3和13是參數(shù)81的索引下標）。
 

     5、PLC讀寫數(shù)控壓裝深度參數(shù)的功能塊設計

  
    考慮到程序應用的通用性，采用模塊化編程，設計出參數(shù)讀寫用的功能塊FC塊，通過功能塊接口變量進行參數(shù)傳遞，將數(shù)控系統(tǒng)地址、需要讀寫的參數(shù)號、參數(shù)索引地址等信息作為功能塊的接口變量，這樣通過調(diào)用同一個功能塊，寫入不同的接口變量就可以很方便的讀寫不同數(shù)控軸的不同參數(shù)。
 
    首先確定參數(shù)讀寫FC的接口變量，IN輸入接口變量需要4個：PKW區(qū)域的起始地址；待讀寫的參數(shù)號；待讀寫參數(shù)的索引下標；讀或?qū)憳酥疚弧６x前三個接口變量的數(shù)據(jù)類型為INT整數(shù)型，第四個接口變量數(shù)據(jù)類型為BOOL位型，定義1為寫標志，表示PLC向611U數(shù)控系統(tǒng)寫數(shù)據(jù)， 0為讀標志，表示PLC從611U讀數(shù)據(jù)。
 
    壓裝深度參數(shù)數(shù)值需要定義到IN-OUT輸入輸出接口變量中，因在FC塊調(diào)用過程中，需要對該參數(shù)進行讀或?qū)憽?br /> 
    為了判斷讀寫功能的完成情況，F(xiàn)C塊執(zhí)行參數(shù)讀寫任務完成以后，還需要反饋一個完成信號，因此在OUT輸出接口變量中定義一個讀寫完成信號。
 
    FC程序塊的接口變量中還需要定義一些臨時變量，用于存放程序執(zhí)行過程中臨時用到的一些變量。參數(shù)讀寫需要用到系統(tǒng)功能塊SFC14、15，這兩個系統(tǒng)功能塊的接口變量里有ANY類型的參數(shù)，需要一次對應8個字節(jié)的PKW區(qū)域所有，因此需要在臨時變量中定義：PKE兩個字節(jié)、IND兩個字節(jié)、PWE四個字節(jié)。另外還要定義兩個臨時變量來存放參數(shù)讀寫時的返回ID值，用來判斷參數(shù)讀寫完成后是否出錯：TypeRep一個字節(jié)； SFC14、15執(zhí)行后的返回值：RET_V兩個字節(jié)。以上定義的接口變量如表8。

    表8接口變量定義

     通訊程序編寫時，先將需要讀寫參數(shù)的參數(shù)號及索引地址寫入PKW區(qū)域里的PKE和IND：
 
L #PAR_NO
T #PKE  //寫入?yún)?shù)號
L #PAR_IND
T #IND  //寫入?yún)?shù)下標
程序需要根據(jù)接口輸入變量PAR_W的狀態(tài)來判斷當前是讀參數(shù)還是寫參數(shù)，然后跳轉(zhuǎn)到相應的程序段執(zhí)行：
A #PAR_W
JC _W          //若為1則跳轉(zhuǎn)到寫參數(shù)程序段
從數(shù)控系統(tǒng)中讀出帶索引的參數(shù)值，作業(yè)ID號應該為6，需要將此ID號寫入PKE的高4位，用字或運算保留其他的位并且將高4位改為6；作業(yè)ID號6對應的返回ID應該為4號：
L W#16#6000    //讀參數(shù)作業(yè)ID號為6
L #PKE
OW             //字或運算保留低12位
T #PKE         //將作業(yè)ID號加入PKE中
L 4
T #TypeRep     //讀參數(shù)返回ID應該為4
JU _C          //直接跳轉(zhuǎn)到總線數(shù)據(jù)發(fā)送程序段
往系統(tǒng)中寫參數(shù)值的作業(yè)ID為8，返回ID為5，同時需要將寫入?yún)?shù)的數(shù)值寫到PWE中：

_W:  NOP 0     //寫參數(shù)程序段標號
L W#16#8000    //寫參數(shù)作業(yè)ID號為8
L #PKE
OW             //字或運算保留低12位
T #PKE         //將作業(yè)ID號加入PKE中
L #PAR_V
T #PWE         //將寫入?yún)?shù)的數(shù)值寫到PWE
L 5
T #TypeRep      //寫參數(shù)返回ID應該為5
相關(guān)讀寫參數(shù)填寫完成后，調(diào)用系統(tǒng)功能塊SFC15來向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，并對應寫入發(fā)送數(shù)據(jù)的總線地址、PKW區(qū)域的起始地址及長度：
_C:   NOP   0
CALL  SFC15                //往總線上傳送數(shù)據(jù)

LADDR  :=#PKW_ADD          //總線地址
RECORD :=P#L 0.0 BYTE 8    //PKW區(qū)域的起始地址及長度
RET_VAL:=#RET_V            //SFC15執(zhí)行的返回值
讀寫命令發(fā)送到總線上由系統(tǒng)執(zhí)行，接著用系統(tǒng)功能塊SFC14從總線上讀出執(zhí)行的結(jié)果來判斷執(zhí)行情況、取回讀出的參數(shù)值等：
CALL  SFC14                //從總線上讀入數(shù)據(jù)
LADDR  :=#PKW_ADD          //總線地址
RET_VAL:=#RET_V            // SFC14執(zhí)行的返回值
RECORD :=P#L 0.0 BYTE 8    // PKW區(qū)域的起始地址及長度
數(shù)據(jù)讀出來后要進行處理分析，檢查返回的ID號是否與之前寫入#TypeRep的值相等，如果相等說明讀寫任務成功完成，讀出來的參數(shù)值有效可用，同時將讀寫任務完成信號接通：
L #PKE                  //取PKE區(qū)的數(shù)據(jù)
L 2#1111000000000000    //高4位數(shù)據(jù)保留其余清零
AW                      //字與運算
SRW 12                  //右移12位分離出返回ID號(高4位)
L #TypeRep              //前面賦值的返回值
==I                     //比較
JCN _AL                 //如果不相等,出錯跳轉(zhuǎn)
L #PWE                  //取出讀出來的參數(shù)值
T #PAR_V
SET  
= #ACT_OK               //讀寫任務完成信號
_AL: NOP 0
 
    讀寫參數(shù)的功能塊編寫完成后，在主程序中調(diào)用功能塊就可以實現(xiàn)不同參數(shù)的讀寫功能，調(diào)用功能塊如下。

     6、人機界面開發(fā)

  
     人機界面開發(fā)采用Wincc flexible，變量地址表如表9。
 
     表9人機界面變量地址表
  
     

    開發(fā)后的人機界面，壓裝部位選擇、讀寫命令控制、寫入?yún)?shù)的輸入等都可通過面板上的按鍵完成，實現(xiàn)面板操作直接更改611U數(shù)控系統(tǒng)的壓裝參數(shù)，更改壓裝深度，人機界面如圖2。
  
   

    圖2 人機界面

    7、結(jié)束語

  
    改進后的人機界面使得原來只有通過編程器才能修改的壓裝深度值，能夠直觀的顯示當前設定的壓裝深度值，不僅可以直接在人機界面上修改，而且減輕了現(xiàn)場自動化工程師的工作量，同時還使得工藝人員可以對壓裝深度方便、直接的掌控，給操作和維修人員帶來了極大便捷，有效的控制了壓裝質(zhì)量，降低了質(zhì)量風險。