1、引言

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

2、西門子802C數(shù)控系統(tǒng)

　　802C系統(tǒng)可控制3個伺服電機進給軸和1個伺服主軸，采用集成式PLC，分離式小尺寸操作面板和機床控制面板；安裝調試方便快捷、操作編程簡單方便，具有可靠性高、穩(wěn)定性強的特點；是一種較先進的經濟型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、進給軸/主軸驅動接口X7、進給軸/主軸編碼器接口X3~X6、電子手輪接口X10等，如圖1所示。進給軸/主軸驅動接口X7提供10V模擬驅動器接口，通常用于驅動1FK7交流伺服電機和1PH7交流主軸電機。802C系統(tǒng)提供16I/16O的DI/O模塊，并可根據(jù)機床配置需求，最多可配置4個同種型號的模塊。

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)軟件包含引導軟件、MMC軟件、NCK軟件、PLC軟件和內裝PLC實例程序。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)電氣結構設計、驅動系統(tǒng)安裝調試、機床參數(shù)設置和PLC參數(shù)設置及其控制程序開發(fā)等。其中，系統(tǒng)電氣結構設計、驅動系統(tǒng)安裝調試、機床參數(shù)設置3個部分具有相應的設計標準或說明，只需根據(jù)機床的實際情況和相關設計要求進行設計和參數(shù)設定。而PLC參數(shù)設置及其程序開發(fā)是數(shù)控系統(tǒng)預留的系統(tǒng)二次開發(fā)的主要技術平臺，具有極大的靈活性和可設計性。在數(shù)控系統(tǒng)滿足基本技術要求的前提下，可根據(jù)機床控制的不同特點，利用此平臺，開發(fā)出相應PLC控制程序，實現(xiàn)機床的各種特殊控制功能。

　　西門子802C系統(tǒng)雖屬中低端標準數(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)相關參數(shù)的設置，可使機床適應不同配置的需求，并使其處于最佳運行狀態(tài)。通過Programming Tool 802編程軟件進行PLC編程，實現(xiàn)機床的邏輯控制，如PLC軸監(jiān)控、診斷、報警等控制功能。

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

圖2 SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)實驗平臺

4、集成PLC開發(fā)

　　802C系統(tǒng)集成PLC為SIMATIC S7-200軟件PLC，作為機床電器邏輯控制裝置，處于CNC裝置和機床之間，實現(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行。在CNC內部，通過數(shù)據(jù)塊((Data Block簡稱DB)與NCK、MCP交換信息，以實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)各部分之間的協(xié)調控制。

　　4.1 輔助功能應用

　　西門子802C數(shù)控系統(tǒng)的NC運動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PLC程序相關控制模塊處理激活相應動作。其中，一般M功能用于激活機床運行中的開關量動作，T功能用于機加工中的換刀控制。部分固定的M功能和T功能機床參數(shù)設置在系統(tǒng)默認的機床數(shù)據(jù)文件中已經存在，可直接在PLC程序中調用；但剩余的M功能和T功能必須經過相應的參數(shù)設定，才能在PLC程序中使用。

　　在進行輔助功能相關的機床參數(shù)設定后，PLC程序可直接調用輔助功能相應的CNC通道輔助功能接口，經PLC內部功能控制模塊邏輯處理，就可實現(xiàn)輔助功能的相關操作，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：調用輔助功能M20直接激活集成PLC中的輸出端子Q0.0。在機床參數(shù)設定后，直接調用輔助功能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激活相應機床控制開關量，如圖5所示。輔助功能T的調用方法與輔助功能M大致相同，只是數(shù)據(jù)類型為DWORD，使用時應加以注意。

　　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實用程序。子程序庫由2個PLC項目文件和相應的說明文件組成。項目文件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)模塊化設計的原則，像搭積木一樣在主程序中調用相應的功能控制子程序。項目文件SAMPLE.PTP是利用SUBR_LIBRARY.PTP的子程序搭建的一個完整的實用程序，并將其預先裝入系統(tǒng)中。對于SAMPLE.PTP控制功能可以覆蓋機床控制功能的數(shù)控機床，只需要設定相應PLC參數(shù)，不必另行編寫PLC程序。當然，如果例程庫不能滿足機床的控制功能要求，可以修改PLC程序，或填加相應的PLC功能控制模塊。

　　802C系統(tǒng)PLC子程序庫的應用大大減少了二次開發(fā)的工作量，減短了數(shù)控機床的設計開發(fā)周期，但PLC子程序庫的應用也存在一些的弊端。首先，子程序存在一些缺陷，需要細致分析、仔細推敲，并在實際工程應用中不斷檢驗改進。文獻[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）子程序在四個方面存在問題，并進行相應改進。其次，PLC例程庫中的子程序需要適合多種數(shù)控機床實際使用，雖然這樣使其具有一定的通用性，但這將不可避免地導致PLC程序結構冗余，使PLC工作循環(huán)周期延長，影響機床的PLC邏輯控制的實時性。

　　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各項數(shù)據(jù)指標皆低于通用S7-200 PLC。因此，在進行集成PLC開發(fā)時，應仔細閱讀相關手冊，并從實際情況出發(fā)，不可簡單地采用S7-200的例程或相關程序。

5、西門子802C系統(tǒng)循環(huán)周期測試方法

　　802C數(shù)控系統(tǒng)經二次開發(fā)后，NC通道的實時性受二次開發(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)，皆對其邏輯控制實時性產生一定的影響。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)周期進行估計和測量。

　　文獻[5~7]分別從PLC工作原理、掃描周期、輸入輸出延時和程序設計等方面對PLC響應延時誤差進行分析，并且文獻[6]和[7]在理論分析的基礎上，提出相應的限制條件，在滿足這些條件的前提下，就能減少輸入輸出響應時間，防止輸入信號丟失，保證定時器正常工作，提高控制的實時性能。文獻[8]在分析PLC軟件執(zhí)行時序和硬件響應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掃描周期的隨機測試誤差，并且未形成信號閉環(huán)，不符合PLC實際工況。在充分分析文獻[5~7]中響應實時性影響因素的基礎上，鑒于文獻[8]中測試方法的弊端，提出一種符合PLC實際工況的循環(huán)周期測試方法，并針對此種測試方法的不足，提出了相應的改進措施。

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的累加計時器（TONR）的記憶時間功能測量循環(huán)周期時間。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鏈接一個開關量信號，作為周期測試的啟動按鍵。按下測試啟動按鍵，計時器T1開始計時， 同時開關量信號沿信號閉環(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。多次按動啟動按鍵，計時器T1累加記錄多個循環(huán)周期時間。當T1循環(huán)周期累加值大于周期測量設置時間值時，則蜂鳴器鳴叫，同時T1清零復位。從而實現(xiàn)了多個循環(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)周期時間測定PLC程序

　　循環(huán)周期測量結果可采用循環(huán)周期的時間上限Tu和時間下限Td的公式，進行多次測量和均值計算，不斷逼近真實值。循環(huán)周期時間上限Tu和時間下限Td的計算公式如下：

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

　　其中，t為計時器設定時間，n為按鍵次數(shù)。

　　PLC循環(huán)周期測量隨計時器設定時間值t的增大，按鍵次數(shù)n相應提高，所測量出的Tu和Td更接近于PLC的循環(huán)周期，所以時間設定值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，而且測量精度相當高，可達到毫秒量級。

　　5.2 循環(huán)周期測試方法的改進

　　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，導致最終測量結果不正確。為改良這一弊端，可采用中間變量對I0.0和I0.1的信號進行互鎖，并采用計數(shù)器進行循環(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運行監(jiān)視功能讀出計數(shù)器中的周期次數(shù)。經上述循環(huán)周期測量公式計算，即可求出集成PLC的循環(huán)周期。

6、結論

　　1）本文在分析西門子802C數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件結構的基礎上，利用SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)實驗平臺，對802C數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)技術進行系統(tǒng)化研究，并著重分析系統(tǒng)二次開發(fā)技術中的集成PLC的開發(fā)技術的意義。

　　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，指出例程庫在應用中存在的弊端。

　　3）通過相關技術指標的對比，證明802C集成PLC S7-200與普通S7-200存在相當大的性能差異，故在集成PLC程序開發(fā)時須加以注意。

　　4）在分析相關文獻和測試方法的基礎上，提出一種PLC循環(huán)周期的測試方法。此種測試方法簡便，并且計時精度較高；并針對測試方法的弊端，提出了相應的改進措施。

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