西门子840D数控系统安全集成的应用

产品设计时除了要考虑产品的性能以外，还要充分考虑该设备运行时对人和设备可能造成的损害，要采取相应的措施来避免这些潜在的损害。不同的国家和地区对产品的安全性能有不同的要求，其中欧盟要求所有出口到欧盟国家的机械产品要通过CE认证，在认证标准里对安全方面有详细的要求。

• 1CE标准中对于数控机床有关的要求

数控机床要设置可锁定的模式转换开关，一次只能允许一种模式起作用，分加工模式和设定模式两种。在加工模式下，操作者可以自动运行加工程序，在运行中锁定防护门，一旦防护门打开，机床需要安全可靠地停车，保证操作者和设备的安全；设定模式时，操作者可以在防护门打开的情况下调整机床，但进给轴的移动速度不能超过2000mm/min，主轴转速不能超过50r/min。

因此，数控机床要满足安全要求，少需要具有以下功能：模式转换开关，用来转换机床工作模式； 安全停车，当机床出现意外时（如急停、防护门以外打开等），机床要能安全可靠地停车；安全速度监控，在设定模式下，监控各个轴的移动速度，不能超出安全速度。

按CE要求，所有控制都需要双通道，在任何一个通道控制失效时还能保证安全控制功能的正确实现；并且要在适当的间隔时间里，对一些重要的安全功能进行测试。

2840D的安全集成功能调试

       840D在系统集成了安全控制功能，只需附加少量的硬件，就能达到CE认证要求，具体控制原理如图所示。

图1840D控制原理

     与安全控制有关的输入、输出信号，分两路分别进入到NC和PLC里，它们按照相同的控制逻辑来监控驱动，任何一路都能直接停止驱动，这两路的信号随时比较，如果发现有问题，能产生相应的保护动作。对速度监控而言，既可以用双测量系统，也可以单用电机后面的编码器，信号是由两个独立的通道送到NC和驱动CPU中，在两个CPU中分别监控。考虑到编码器本身的质量问题，双编码器比单编码器要更可靠。图1中，NC中的I/O是通过连接在驱动总线上的DMP模块实现，PLC的输入输出信号通过S7-300的I/O模块实现。

3  垂直轴的抱闸回路的安全控制

      传统的抱闸回路是通过单一的PLC输出点来控制，一旦PLC发生问题，会导致抱闸的控制回路也出现问题，不符合安全控制的双通道控制原理。带安全集成的840D系统采用NC侧和PLC侧同时输出一个信号来控制抱闸的打开，这两个信号串联后去松开制动器，因此任何一个回路有问题都会抱紧抱闸，大大增加了垂直轴的安全性。

       在NCK增加了一个变量$VA_DPE[轴名]来表示该轴的脉冲使能状态，可以通过这个变量来控制NCK侧的抱闸控制回路的输出，在SAFE.SPF中增加$A_OUTSE[1]表示抱闸输出的系统变量：

         IDS=5   DO    $A_OUTSE[1]= $VA_DPE[Z1]  AND   EMG

为了提高急停时的反应速度，也可以把急停、STOP A等信号串接到控制回路中去。

在PLC中常用的制动控制逻辑（假设第3轴为Z轴，输出地址为Q32.0）；

A              I 32.0                                 ；  急停是否有效

AN           DB33.DBX108.2               ；  控制脉冲是否被安全取消

A              DB33.DBX93.7                 ；  脉冲是否使能

=               DB18.DBX46.0                 ；  同步      $A_OUTSE[1]信号

A              DB18.DBX46.0

A              DB33.DBX61.5                 ；    位置环是否有效

=               Q 32.0

以上示例只是把抱闸的输出信号送到$A_OUTSE[1]，但送到实际的I/O点还需要参数定义。假设DMP模块采用16点输出模块，前面一个字节的4位已经用于NC的外部脉冲取消信号，后面1个字节可以用参数定义输出系统变量$A_OUTSE[1]- $A_OUTSE[8]

N10392 $MN_SAFE_OUT_HW_ASSIGN[0]='H1050202'，把系统变量$A_OUTSE[1]- 

$A_OUTSE[8]输出到DMP模块的第二个槽的第二个字节。（这里假设DMP模块对应的槽号为5）。

这样就可以通过DMP和PLC上的输出点一起来控制抱闸。

4 安全软限位

当使用西门子的安全集成功能时，可以采用安全软限位代替原来采用硬件开关的硬限位。

安全集成中的软限位是采取双通道同时监控轴的位置信息，其一旦超过设定的限位值，系统会产生一个可以用参数选择的安全停车，信号建议采用STOP C ，能比较快速地停车信号。停车的距离与位置环的控制周期（MD10050，MD10060），安全功能的循环时间（MD10090）、和轴的运行速度以及轴的惯性有关。程序如下：

N36901 $MA_SAFE_FUNCTION_ENABLE[AX1]   Bit7  激活安全软限位功能

N36934 $MA_SAFE_POS_LIMIT_PLUS[0,AX1]  ；和软限位参数一样，有两组值，

N36934 $MA_SAFE_POS_LIMIT_PLUS[1,AX1]  ；通过接口信号（DB31…DBX23.4）来选择

N36935 $MA_SAFE_POS_LIMIT_MINUS[0,AX1]

N36935 $MA_SAFE_POS_LIMIT_MINUS[1,AX1]

N36962 $MA_SAFE_POS_STOP_MODE[1,AX1]   ；定义当轴超出安全软限位时的安全停车方式

                                         默认方式为STOP C

当系统检测到轴的行程位置超出参数设定的安全软限位以后，会选择参数定义的安全停车，但是系统不会给出具体的报警信息。建议把轴的正常软限位值设置成比安全软限位区小一点的值。当报警产生后，先到机床主操作画面里取消“用户协议”，即取消轴的安全回参考点标志，这时安全软限位功能暂时失效，用户要保证按相反的方向把轴开到一个正常的位置，重新选择“用户协议”生效后，安全软限位开关功能又被重新激活。

5  结语

介绍840D的安全集成主要功能，在实际的机床设计时，要根据具体机床的危险程度采取不同的安全规划方案，避免发生机床和人身安全事故。

收稿日期：2013-8-18

作者简介：张建伟（1963-），电气工程师，从事机床电气装配质控文件编制工作，并对装配现场电气安装检验工作提供技术支持。