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西門子 840DSL 數控系統安全集成的研究與應用

2018-8-27 來源：轉載作者：張立群，張義紅

摘要：本文將主要介紹數控機床領域的安全標準以及西門子 840DSL 數控系統安全集成技術的基本原理和功能應用。以 AFS5-40 數控外圓磨床為應用實例，介紹與西門子安全集成相關的硬件設計和軟件設計，以及安全集成功能的調試與應用。

關鍵詞：西門子 840D Solution Line；安全集成技術；Profi Safe；SPL 安全編程邏輯

1 、概述

西門子 840D SL 數控系統提供的安全集成功能都是以 EN 62061 和 EN ISO 13849-1 為標準研制的，并且已經達到了歐盟 CE 認證的要求和標準。目前在歐洲生產或使用的數控機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產安全。一般數控機床在設計時會進行安全等級的評估與分析，電氣設計人員應針對數控機床的電氣控制系統進行相關的安全集成功能設計，并配備相應的安全模塊，如安全 PLC 功能模塊以及安全門鎖等電氣控制元件。一般數控系統需具備以下安全功能：STO（Safe torque off）安全轉矩關閉；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通過 SPL（Safe Programmable Logic）安全邏輯程序來執行安全功能邏輯，并可通過伺服電機編碼器或第二編碼器（光柵尺等）做為安全編碼器來實時監控數控機床的運動狀態，以確保機床的絕對安全性。840D SL 安全集成系統都必須具備雙通道檢測功能，SPL程序同時在 NC 和 PLC 系統內執行，并實時同步監控檢測，如發現 NC 和 PLC 的信號狀態不一致，數控系統將立即產生報警，并使伺服軸立即安全停止并切斷伺服轉矩輸出和伺服使能。同時按照相關機床安全規定要求，每間隔 8 小時，系統會進行安全功能測試，以確保數控機床的絕對安全性能。

2 、安全集成硬件設計

2.1 AFS5-40 數控外圓磨床簡介

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

2.2 安全集成硬件設計

AFS5-40 磨床的數控系統采用最新款的西門子 840D Solution Line，伺服驅動采用 S120 數字伺服驅動系統，PLC 采用 S7-300 控制器，并使用Profi NET 做為現場通訊總線，同時使用 ET200s 安全 I/O 模塊做為 Profi SAFE 的安全輸入輸出信號模塊，以上就構成了該機床的整套安全集成控制系統。數控機床安全電氣控制系統硬件配置如圖 1 所示。

圖 1 機床安全電氣控制系統硬件配置

根據 EN 954-1 安全標準可將安全控制種類分為五檔，即 Kat.B、Kat.1、Kat.2、Kat.3 和 Kat.4，這五檔分別對應五種不同的安全控制要求，發生安全報警時，數控系統將根據不同的安全等級產生相匹配的安全防護措施。安全門鎖、機床滅火器信號、雙手操作按鈕和急停按鈕等信號對操作人員的人身安全以及機床設備的財產安全起到至關重要的作用，因此根據 EN 954-1 安全標準我們將這些輸入輸出信號規定為 Kat.3 等級的信號，同時這些 I/O 信號必須使用雙通道功能的電氣元件，且 PLC 的安全 I/O 模塊也必須使用雙通道的安全模塊。西門子 ET200s 安全 I/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/O 模塊型號如表 1 所示。

表 1 西門子 ET200s 安全 I/O 模塊型號

圖 2 ET200s 安全 I/O 模塊的接線原理圖

2.3 安全輸入輸出的軟件配置

在 Profi SAFE 安全集成中使用 ET200s 安全 I/O 模塊必須在 STEP7 硬件組態軟件中做以下設定：（1） F_source_address=2000: CPU 317F-3 PN/DP；（2）每個安全 I/O 模塊的 F_dest_address 這個參數需按順序依次從 200 開始依次排序，并將 DIP switch setting(9——0) 設置相對于的開關量值，例如：安全輸入模塊 1 參數 F_dest_address 設為 200，則

DIP switch setting 需設置為 0011001000，且安全模塊自身的撥碼開關應與其相一致；（3）設置每個信號通道的參數，如 Sensor supply；Evaluation of the sensors；Type ofsensor interconnection；Behavior at discrepancy 和 Discrepancy time(ms) 等。其中Discrepancy time(ms) 參數最為重要，其主要檢測雙通道信號的不同步時間，如超過設定值（一般設定值為 500ms），Profi SAFE 會報警，并使安全系統處于 STOP D 的狀態。在 CNC 系統中，安全輸入模塊 F-DI 必須設置 MD10386 和 MD10388 這兩個參數，安全輸出模塊 F-DO 則必需設置 MD10387 和 MD10389這兩個參數。以安全輸入模塊 1 為例（F_dest_address=200），則 MD10386=50000C8H（地址值200 以 16 進制表示），MD10388=004001，其含義為將安全輸入模塊 1 的四個輸入地址分配為 $A_INSE[1]——$A_INSE[4]。

3 、安全 SPL 程序設計

根據 EN 954-1 安全標準，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 系統中分別存儲了兩套邏輯完全一致的 SPL 程序，從而構成 SPL 雙通道模式。840D SL 數控系統 Profi SAFE 最多允許使用 64 個安全數字輸入 / 輸出點，用戶需要購買相應的軟件授權。編程人員首先需要在 NC 系統的 NC Data/Standard Cycles 目錄下創建安全程序“SAFE.SPF”，并設置數控系統通道參數 MD20108 Bit5=1，使 CNC 系統上電時自動調用執行 SAFE.SPF 程序，從而執行安全監控功能，并在 PLC 程序中創建一個與 NC 的SPL 程序邏輯結構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的安全 I/O 點，必須使用數控系統自帶的 DB18 數據塊中的數據位來編程。在 NC 系統中，為了便于調試人員對 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安全變量的名稱，這樣可增強程序的可讀性。SAFE.SPF 編程實例如下：

（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 程序中使用同步動作功能來執行安全集成相關的動作和監控。在 840DSL 數控系統中，SPL 程序最多可使用 255 個同步動作，用戶可通過 MD11500 參數來設定同步動作數量。在 SAFE.SPF 程序中一般使用靜態同步動作 IDS 來處理安全事件，實例如下：

（1）IDS=10 DO MI_DOORS_CLOSED = IE_DOORS_LOCKED AND IE_DOOR_CLOSED_L // 同步動作 10，當正門和左門關 + 鎖時，系統內部門鎖信號 =1。同時在 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 // 同步動作 20，當 PLC程序輸出門鎖住信號時，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 outputSPL 程序通過 DB18 數據塊中相對應的數據位來編寫相關安全邏輯功能，并根據位的實際狀態以及 SPL 程序的邏輯關系，最終控制機床所有的安全控制輸出，如伺服軸安全停止、急停控制、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（SN）和安全抱閘控制（SBR）等。根據 EN 954-1 安全標準和歐盟 CE 認證要求，CNC 數控機床所有的伺服軸必須為安全集成伺服軸，設置 MD36901=41H（旋轉軸）或 43H（進給軸）來激活安全伺服軸功能（參數含義如圖 3 所示，進給軸需使用安全限位 SE 功能）。同時安全伺服軸的參數（如螺距 / 傳動比 / 電機額定轉速和旋轉方向等）也需按雙通道設置，通道 1 為 MD 數控系統伺服軸參數，通道 2 為 S120 伺服驅動參數，這兩者參數的設定值需完全一致，如MD36918/p9518、MD36920/p9520、MD36921/p9521、MD36922/p9522 等。調試人員還需執行 [Copy]/[Confirm]/[Reset] 以及 [Calc.SI Enc. Data] 等操作步驟，否則將會引起系統報警。

全集成功能狀態可在數控系統的診斷畫面里監控和診斷，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前安全速度監控等。當診斷界面中 NCK 伺服軸坐標位置和 Drive 安全編碼器坐標位置存在誤差且超過相關設定公差值后，伺服軸會立即 STOP A 停止，并產生相關安全集成報警（圖 3、4）。