于海洋，周麗麗，潘凱，李永剛，付臘梅，龐東平

（國機鑄鍛機械有限公司，山東 濟南 250306）

0 引言

當前對加工效率的要求越來越高，而效率提升與設備的機電協(xié)同設計密不可分。對于新研發(fā)的裝備，機械設計可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)，改進工藝動作，選擇新材料等方法提升機械特性，同時選擇更大型號的執(zhí)行元件提高動作效率，電氣設計可以優(yōu)化邏輯，選擇合適的驅(qū)動來提高程序的執(zhí)行效率。但是對于舊設備改造，在機械部分不能大改而新的設備越來越復雜，PLC 執(zhí)行掃描時間增加的情況下，如何深挖系統(tǒng)潛能，提高程序執(zhí)行效率，從而達到提升加工效率的目標是一個研究的方向。

以一臺基于840Dsl 系統(tǒng)的數(shù)控加工設備為例，系統(tǒng)的NC 執(zhí)行部分根據(jù)加工工藝執(zhí)行不同的程序，在NC 程序中經(jīng)過邏輯運算指令到達位置后，判斷PLC 發(fā)出的就緒信號，然后NC 再發(fā)出M功能代碼指令PLC 做出控制動作。在整個工藝動作程序執(zhí)行中，關鍵的動作承接要依靠PLC 和NC 不斷的交互信號，而外圍的I/O 信號經(jīng)過PLC 的映像寄存器輸入采樣，輸出寄存器刷新輸出等4 個步驟，PLC 周期性地循環(huán)執(zhí)行每一個步驟，一次循環(huán)就是一個掃描周期，通常PLC 的掃描周期在5ms～30ms，根據(jù)程序量大小不同，有的PLC 掃描周期還要更大。NC 的掃描周期最大是2ms，關鍵信號通過這樣的掃描周期在交互到NC 層面執(zhí)行，損失了程序的執(zhí)行效率。另外，840Dsl 系統(tǒng)只備了NCU 板載的4 路數(shù)字量高速輸入和4 路數(shù)字量高速輸出，對于NC 需求的快速I/O 不夠情況下，可以采購高速模塊，通過組態(tài)設置成外部的高速輸入和輸出。本文基于西門子840Dsl系統(tǒng)，提出了通過一種快速I/O 的使用，通過內(nèi)部快速I/O 和外部快速I/O 的配置和使用，提高了程序的執(zhí)行效率，從而提高了設備的加工效率。

1 西門子快速I/O 的使用

840Dsl 系統(tǒng)總共有36路數(shù)字量高速輸入和36路數(shù)字量高速輸出，通過快速輸入和輸出，可以刪除定位軸的剩余行程，在程序段末尾進行快速程序跳轉(zhuǎn)，編寫讀取禁止，在一個程序段內(nèi)編寫多個進給率值，程序啟動等功能。

1.1 內(nèi)部快速I/O 的配置

NCU 的X142 口配置了板載的4 路數(shù)字量高速輸入和4 路數(shù)字量高速輸出，可以通過$A_IN[1…4]和$A_OUT[1…4]訪問。在應用快速I/O 時，需要對參數(shù)進行設置，否則當程序訪問未定義的輸入輸出，系統(tǒng)會輸出相應的報警。相應的參數(shù)設置如下：MD10350$MN_FASTIO_DIG_NUM_INPUTS//有效數(shù)字量NCK 輸入字節(jié)的數(shù)量，最多5 個字節(jié)，此處設置為5，共40 個輸入。MD10360 $MN_FASTIO_DIG_NUM_OUTPUTS// 有效數(shù)字量NCK 輸入字節(jié)的數(shù)量，最多5 個字節(jié)，此處設置為5，共40 個輸出。

1.2 外部快速I/O 的配置

實際應用中，由于系統(tǒng)自帶數(shù)字量高速輸入與輸出數(shù)量有限，對于高速信號的使用就存在一定的限制。如果需要更多的數(shù)字量高速輸入與輸出，可以通過基于PROFIBUS 或者PROFINET 通訊的高速數(shù)字量I/O 模塊，分別連接840Dsl NCU 上的X126 接口和X150 接口進行擴展。本例以基于PROFINET 通訊的高速數(shù)字量I/O 模塊進行配置。

PROFINET 通訊的接口模塊選擇高速類型的，例如IM155-6PNHS，必須支持等時通訊模式，高速輸入模塊選擇2 個DI 8x24VDC HS，高速輸入模塊選擇2 個DQ 4x24VDC/2A HS。

1.2.1 博圖平臺組態(tài)快速I/O 的步驟

（1）組態(tài)高速I/O 模塊并與PLC 進行拓撲連接

在拓撲界面將高速I/O 模塊與PLC 進行連接，組態(tài)和拓撲界面如圖1 所示，組態(tài)過程注意以下幾點：①在做硬件組態(tài)時，PROFINET 網(wǎng)絡中如果有未設置IRT 模式的從站必須接在IRT 從站之后，也就是說高速I/O 模塊必須在網(wǎng)絡的首端；②如果高速模塊要接在交換機上，交換機必須支持IRT 模式。另外，高速I/O 模塊需要與系統(tǒng)進行硬件拓撲；③高速模塊掛的I/O 如果既有高性能的也有普通的，需要將高性能的I/O 放在最前面。

圖1 高速I/O 拓撲圖

（2）對PLC 屬性中X150 和中斷進行參數(shù)設定

在PLC 屬性中選擇常規(guī)選項，點擊X150，展開實時設定窗口，在同步欄選擇同步主站，在I/O 通信欄的發(fā)送時鐘選擇2ms，這個時間不要隨意更改，因為NCU 使用的所有I/O 系統(tǒng)都必須具有相同的數(shù)據(jù)循環(huán)時間。繼續(xù)點擊中斷按鈕，展開定時同步模式中斷，在過程映像分區(qū)的NCK 選項中的分布式I/O 選擇PROFINETIO-SYSTEM（100），過程映像分區(qū)PIP自動設置為2。參數(shù)設定如圖2 所示。

圖2 PLC 屬性中相關參數(shù)的設定

（3）對ET200SP 分站接口模塊進行參數(shù)設定

首先對ET200SP 接口模塊參數(shù)進行設定，在接口模塊的常規(guī)屬性中依次點擊PROFINET 接口，高級選項，等時同步模式，如圖3 接口模塊參數(shù)設定所示，勾選等時同步模式，在下方的消息信息概覽里將對應的高速模塊同樣勾選等時同步模式，這樣接口模塊的參數(shù)設定完成。接下來對高速模塊的I/O 進行參數(shù)設置，如圖4 高速模塊I/O 的參數(shù)設置所示，在I/O 地址側(cè)，將I/O 地址的過程映像修改為PIP2。

圖3 接口模塊參數(shù)設定

圖4 高速I/O 的參數(shù)設置

1.2.2 外部快速I/O 的機床參數(shù)設置

840Dsl 可以通過系統(tǒng)變量對PROFINET I/O 模塊上的NCK 快速I/O 進行讀寫，讀寫時需要結(jié)合PLC 的硬件組態(tài)修改機床數(shù)據(jù)進行配置。根據(jù)圖5高速模塊I/O 地址所示，修改如下機床數(shù)據(jù)。MD10366 $MN_HW_ASSIGN_DIG_FASTIN[0]外部數(shù)字量輸入，$A_IN[9…16]對應的PROFINET 硬件模塊的槽地址，此處修改為5000096H。MD10366 $MN_HW_ASSIGN_DIG_FASTIN[1]外部數(shù)字量輸入，$A_IN[17…24]對應的PROFINET 硬件模塊的槽地址，此處修改為5000097H。MD10368 $MN_HW_ASSIGN_DIG_FASTOUT[0]外部數(shù)字量輸出，$A_OUT[9…16]對應的PROFINET 硬件模塊的槽地址，此處修改為50001F4H。MD10368 $MN_HW_ASSIGN_DIG_FASTOUT[1]外部數(shù)字量輸出，$A_OUT[17…24]對應的PROFINET 硬件模塊的槽地址，此處修改為50001F5H。

圖5 高速模塊I/O 地址

2 接口信號對應表

快速輸入與輸出的接口對應表如表1、表2 所示。

表1 快速輸入接口對應表

表2 快速輸出接口對應表

數(shù)字量輸入實際值的地址是NCK 將硬件數(shù)字量輸入的信號狀態(tài)發(fā)送至PLC，實際值反映了硬件輸入的真實信號狀態(tài)；數(shù)字量輸入禁用的地址是指可以通過PLC 禁用各個NCK 的數(shù)字量輸入；通過PLC 設定值的地址是指通過PLC 置位NCK 的數(shù)字量輸入，注意此信號置為1 時，硬件輸入上的信號及輸入禁用立即失效。

若通過PLC 寫NCK 值，需要用改值位的地址和PLC 設置值的地址結(jié)合使用；PLC 讀取值的地址是NCK 數(shù)字量輸出的設定值。

3 應用

3.1 程序改進

840Dsl 系統(tǒng)的快速I/O 是NCK 與PLC 信息交互的紐帶，根據(jù)前文的輸入輸出接口信號對應表，結(jié)合本例的工藝過程，在加工中系統(tǒng)要判斷安全位置，及時的做出避讓，根據(jù)避讓情況啟動程序執(zhí)行，程序編程中快速I/O 信號沒有采用硬件輸入，是通過PLC對信號進行置位，完成的NC 和PLC 的信號交互。在PLC 在編程如下。

在NC 中編程如下所示：

關鍵的輸入信號來自于外部信號，而且輸出信號用M 代碼執(zhí)行，經(jīng)過PLC 掃描，延長了系統(tǒng)的程序執(zhí)行時間。改進的方案是采用帶硬件的快速I/O 信號替代PLC 設定值和輸出值，由于該項目的程序執(zhí)行中需要較多的關鍵信號進行工藝動作和程序切換，方案選擇了高速模塊通過等時同步設置，創(chuàng)建了16 個高速輸入和8 個高速輸出，改造后的程序如下：PUC1:

由于高速輸出信號替代M功能的執(zhí)行，如果需要手動觸發(fā)高速輸出時，需要在PLC 程序做寫值的程序，如下所示：

3.2 效果分析

通過使用高速數(shù)字量輸入和輸出信號，關鍵信號可以無需經(jīng)過PLC 掃描周期，從而非?？斓赜|發(fā)一些操作，提高了程序執(zhí)行效率，在本例中使用高速信號進行要求快速處理的工藝動作和切換程序段，對不同型號的產(chǎn)品加工進行節(jié)拍的測算，加工時間平均縮短了10%左右。

4 總結(jié)

本文首先介紹西門子快速I/O 的原理，說明了系統(tǒng)內(nèi)部快速I/O 的分布以及外部快速I/O 的選型，其次分別說明了內(nèi)部快速I/O 和外部快速I/O 涉及的機床數(shù)據(jù)以及配置方法，再次說明了快速I/O 與PLC之間的數(shù)據(jù)對應關系，最后依據(jù)快速I/O 的對應關系，以實際應用展示了快速I/O 的使用方法，經(jīng)過程序測試也驗證了使用快速I/O 能夠提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率。通過以上的方法改善數(shù)控機械的加工效率能夠提高制造業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)效益。