基于840Dsl 系統的快速I/O 配置與應用

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同設計密不可分。對于新研發的裝備，機械設計可以優化結構，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行元件提高動作效率，電氣設計可以優化邏輯，選擇合適的驅動來提高程序的執行效率。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 執行掃描時間增加的情況下，如何深挖系統潛能，提高程序執行效率，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 系統的數控加工設備為例，系統的NC 執行部分根據加工工藝執行不同的程序，在NC 程序中經過邏輯運算指令到達位置后，判斷PLC 發出的就緒信號，然后NC 再發出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 周期性地循環執行每一個步驟，一次循環就是一個掃描周期，通常PLC 的掃描周期在5ms～30ms，根據程序量大小不同，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 層面執行，損失了程序的執行效率。另外，840Dsl 系統只備了NCU 板載的4 路數字量高速輸入和4 路數字量高速輸出，對于NC 需求的快速I/O 不夠情況下，可以采購高速模塊，通過組態設置成外部的高速輸入和輸出。本文基于西門子840Dsl系統，提出了通過一種快速I/O 的使用，通過內部快速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 系統總共有36路數字量高速輸入和36路數字量高速輸出，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，編寫讀取禁止，在一個程序段內編寫多個進給率值，程序啟動等功能。

1.1 內部快速I/O 的配置

NCU 的X142 口配置了板載的4 路數字量高速輸入和4 路數字量高速輸出，可以通過$A_IN[1…4]和$A_OUT[1…4]訪問。在應用快速I/O 時，需要對參數進行設置，否則當程序訪問未定義的輸入輸出，系統會輸出相應的報警。相應的參數設置如下：MD10350$MN_FASTIO_DIG_NUM_INPUTS//有效數字量NCK 輸入字節的數量，最多5 個字節，此處設置為5，共40 個輸入。MD10360 $MN_FASTIO_DIG_NUM_OUTPUTS// 有效數字量NCK 輸入字節的數量，最多5 個字節，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，由于系統自帶數字量高速輸入與輸出數量有限，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 博圖平臺組態快速I/O 的步驟

（1）組態高速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，組態和拓撲界面如圖1 所示，組態過程注意以下幾點：①在做硬件組態時，PROFINET 網絡中如果有未設置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 和中斷進行參數設定

在PLC 屬性中選擇常規選項，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 系統都必須具有相同的數據循環時間。繼續點擊中斷按鈕，展開定時同步模式中斷，在過程映像分區的NCK 選項中的分布式I/O 選擇PROFINETIO-SYSTEM（100），過程映像分區PIP自動設置為2。參數設定如圖2 所示。

圖2 PLC 屬性中相關參數的設定

（3）對ET200SP 分站接口模塊進行參數設定

首先對ET200SP 接口模塊參數進行設定，在接口模塊的常規屬性中依次點擊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設定完成。接下來對高速模塊的I/O 進行參數設置，如圖4 高速模塊I/O 的參數設置所示，在I/O 地址側，將I/O 地址的過程映像修改為PIP2。

圖3 接口模塊參數設定

圖4 高速I/O 的參數設置

1.2.2 外部快速I/O 的機床參數設置

840Dsl 可以通過系統變量對PROFINET I/O 模塊上的NCK 快速I/O 進行讀寫，讀寫時需要結合PLC 的硬件組態修改機床數據進行配置。根據圖5高速模塊I/O 地址所示，修改如下機床數據。MD10366 $MN_HW_ASSIGN_DIG_FASTIN[0]外部數字量輸入，$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

數字量輸入實際值的地址是NCK 將硬件數字量輸入的信號狀態發送至PLC，實際值反映了硬件輸入的真實信號狀態；數字量輸入禁用的地址是指可以通過PLC 禁用各個NCK 的數字量輸入；通過PLC 設定值的地址是指通過PLC 置位NCK 的數字量輸入，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 設置值的地址結合使用；PLC 讀取值的地址是NCK 數字量輸出的設定值。

3 應用

3.1 程序改進

840Dsl 系統的快速I/O 是NCK 與PLC 信息交互的紐帶，根據前文的輸入輸出接口信號對應表，結合本例的工藝過程，在加工中系統要判斷安全位置，及時的做出避讓，根據避讓情況啟動程序執行，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 代碼執行，經過PLC 掃描，延長了系統的程序執行時間。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功能的執行，如果需要手動觸發高速輸出時，需要在PLC 程序做寫值的程序，如下所示：

3.2 效果分析

通過使用高速數字量輸入和輸出信號，關鍵信號可以無需經過PLC 掃描周期，從而非?？斓赜|發一些操作，提高了程序執行效率，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，對不同型號的產品加工進行節拍的測算，加工時間平均縮短了10%左右。

4 總結

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