丁健生

摘 要：本文針對數(shù)控機床功率在線監(jiān)控的需求，提出了一種基于西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的機床功率監(jiān)控解決方案，并開發(fā)了功率在線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過840D系統(tǒng)的內部PLC以及AD數(shù)據采集卡，實現(xiàn)了對數(shù)控機床功率數(shù)據的實時采集，進而實現(xiàn)了機床功率在線監(jiān)控功能。

關鍵詞：840D；數(shù)據采集；在線監(jiān)控

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A

0.引言

隨著計算機以及信息技術的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造行業(yè)正在逐步向信息化、智能化發(fā)展，而制造業(yè)信息化的關鍵支撐要素之一是生產設備的實時狀態(tài)數(shù)據。數(shù)控機床作為一種重要的生產設備，其功率數(shù)據可以用于監(jiān)控機床的運行狀態(tài)，分析機床的加工過程，統(tǒng)計機床的利用率等，對于生產自動化有著十分重要的意義。

由于數(shù)控系統(tǒng)的多樣性，不同廠家提供的機床通信接口和協(xié)議各不相同，由此產生了各種不同的機床功率數(shù)據采集方案。本文的研究對象西門子840D數(shù)控系統(tǒng)是一種先進的開放的數(shù)控系統(tǒng)，目前對其功率采集主要有兩種方案，一是基于硬件接線方式的電氣法，另一種是基于數(shù)字通信方式的通信法。

通信法是利用840D數(shù)控系統(tǒng)的開放性，通過數(shù)控系統(tǒng)提供的接口來讀取數(shù)控系統(tǒng)內部變量的采集方法。相比于硬件接線的電氣法，通信法具有硬件改動小、安全性高、數(shù)據精度高等優(yōu)點。本文所研究的機床功率在線監(jiān)控方法即基于通信法實現(xiàn)。

1.系統(tǒng)方案設計

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)由NCK+PLC+ PC三級結構組成。其中NCK（Numeric Control Kernel）是數(shù)控加工的核心模塊，包括聯(lián)動、插補等核心功能，實時性最高。PLC負責外圍控制功能，如刀庫、切削液等輔助功能的控制，實時性較高。PC部分是基于Windows操作系統(tǒng)的工控機，主要負責前面板的顯示和操作，用于人機交互功能，實時性較低。3個部分通過MPI總線連接，實現(xiàn)數(shù)據交互。

作為數(shù)控系統(tǒng)的核心，840D的NCK部分是封閉的，用戶無法直接與其通信，但通過PLC可以訪問到NCK中的狀態(tài)變量。因此可以通過在PLC上編程來獲得機床的功率數(shù)據，再通過某種方式將讀取到的數(shù)據傳遞給監(jiān)控系統(tǒng)。本文中的功率數(shù)據采集方案即是基于此原理。

在PLC獲取了功率數(shù)據以后，還需要將其傳遞給監(jiān)控系統(tǒng)。此時又有兩種方案，第一種是通過數(shù)字通信接口將PLC中的功率數(shù)據發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)的工控機，但需要在PLC上加裝額外的通信模塊。第二種是通過PLC自帶的模擬量輸出接口將功率數(shù)據以模擬信號輸出，再在工控機一側通過AD采集卡將其轉換為數(shù)字信號。由于筆者所面臨的數(shù)控系統(tǒng)PLC上并沒有現(xiàn)成的數(shù)字通信模塊，故此采用了方案二。整個系統(tǒng)的原理結構如圖1所示。

2.系統(tǒng)實現(xiàn)

（1）PLC端實現(xiàn)

840D系統(tǒng)中NCK與PLC之間的數(shù)據交互是通過數(shù)據塊DB進行的，包括機床功率數(shù)據在內的NC變量都存儲在NCK數(shù)據塊，840D系統(tǒng)提供了讀取NC變量的功能塊FB2。FB2是PLC基本用戶功能塊，用于從NCK讀取NC變量。具體方式是：用FB2讀出以下變量，再用模擬量模塊輸出。讀變量需要設置$MA_DRIVE_SIGNAL_TRACKING=1。

$AA_LOAD[axis] Load；負載百分比

$AA_TORQUE[axis]；力矩

$AA_POWER[axis] ；功率

$AA_CURR[axis]；電流

（2）上位機端實現(xiàn)

上位機為一臺工業(yè)控制計算機，為了能夠從PLC中讀取到模擬電壓形式的功率數(shù)據，在上位機安裝了A/D采集卡。采集卡型號為ADLink公司的DAQ-2000數(shù)據采集卡，通過PCI總線與PC機實現(xiàn)高速數(shù)據交互。采集卡提供了配套的驅動程序以及開發(fā)軟件包，并且提供SDK（Software Development Kit）函數(shù)接口，通過按一定的順序調用這些函數(shù)接口，即可實現(xiàn)將模擬量輸入轉化為數(shù)字量輸出功能。表1中列出了部分關鍵函數(shù)及其說明。

通過周期性調用采集函數(shù)，并將采集到的電壓值轉換為對應的功率值，可獲得數(shù)控機床的實時功率數(shù)據。

3.試驗驗證

為了讓用戶直觀地觀察到機床功率變化規(guī)律，本文開發(fā)了可視化的功率監(jiān)控系統(tǒng)，以功率曲線的形式實時顯示機床功率數(shù)據。為了驗證機床功率監(jiān)控系統(tǒng)的功能，本文選取了一組典型的深孔加工工況進行試驗，圖2是該過程的功率變化曲線。其中橫軸代表采樣時間序列，縱軸代表機床主軸電流，功率可由電流換算得出。

從圖2中可以直觀地看出，功率曲線表現(xiàn)為較為規(guī)律的波峰和波谷，而機床此時正在進行啄孔式加工，即鉆一定深度后退刀再下鉆，如此反復直至鉆透。理論上當鉆頭尚未與工件接觸時，機床輸出功率較低，曲線應表現(xiàn)為波谷；當鉆頭與工件接觸后，主軸負載增大，轉矩增加，機床輸出功率較高，曲線應表現(xiàn)為波峰。通過目測，機床的鉆孔動作與功率曲線的波動變化能夠吻合。通過分析數(shù)控加工程序代碼，發(fā)現(xiàn)數(shù)控程序也與功率曲線步調同步，再一次驗證功率監(jiān)控的實時性與準確性。

結論

本文研究了一種基于840D數(shù)控系統(tǒng)的機床功率采集方法，利用840D系統(tǒng)的開放性，通過數(shù)控系統(tǒng)內部PLC采集機床功率數(shù)據，再通過數(shù)字→模擬→數(shù)字的轉換過程實現(xiàn)計算機對機床功率數(shù)據的實時采集。在此基礎上開發(fā)了機床功率在線監(jiān)控系統(tǒng)，并通過深孔加工試驗驗證了系統(tǒng)的實時性與準確性。

參考文獻

[1]張高尉.基于西門子840D的數(shù)控機床生產過程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].天津大學，2014.