课题三SINUMERIK840D系统的硬件

1、课题三 SINUMERIK 840D系统的硬件西门子公司数控系统发展：3、8、810、820、850、880、805、840C、810D、840D、FM-NC、802S、802C、802D、840Di等系统。经济型数控系统中档数控系统高档数控系统802S/C/D810D、FM-NC840C、840D、840DiSINUMERIK 840D是德国西门子公司上世纪九十年代中期推出的一种数控系统，840D系统的特点是计算机化，驱动的模块化，控制与驱动接口的数字化。一、 系统的特点及主要功能1、控制类型模块化32位微处理器，车、钻、铣、磨，CNC连续路径控制以及集成式功能强大的PLC控制。2、显示功能

2、屏幕文字有多种语言：可在任意两种语言间随时切换（英语、德语、西班牙语、法语、意大利语、中文）；屏幕可显示报警及信息内容；可显示坐标实际值和剩余距离值，并具有屏幕保护功能。3、 操作功能按操作区域划分为MACHINE（加工），PARAMETER（参数），PROGRAM（程序），SERVICES（服务），DIAGNOSIS（诊断），START-UP（启动）；可使用16+4个软键进行软键菜单操作。4、 操作方式操作方式有四种：JOG（手动）方式；TEACH IN（示教）方式；MDA（手动数据输入运行）方式；AUTO（加工程序自动运行）方式。5、 系统高度集成NC和PLC集成在一块NCU板中。6、 控

3、制轴数最多10个方式组（通道用方式组来组织，方式组可分配通道，1个方式组相当于1台机床），10个通道（1个通道是1个插补器，可分配12个轴），31个进给轴/主轴（含12个主轴），每通道最多12轴，可实现12轴插补联动。7、 进给及快进速度最小进给速度：0.001mm/min；最大快进速度：999m/min。8、 PLC采用集成式S7300 PLC，I/O模块可以扩展到2048输入/输出点，STEP7编程语言（WINXP操作系统，V5.3版本）。9、611D伺服驱动装置的数字化接口611D伺服驱动装置通过驱动总线与840D系统数字连接，启动软件安装在840D系统上，可以快速、简单的启动和优化61

4、1D驱动单元。10、 网络功能有以太网接口，可以组建车间内局域网，并可与外网络相接，实现远程诊断。二、 SINUMERIK 840D系统的组成SINUMERIK 840D系统的硬件主要由下列几部分构成：1、 NCU数控单元（Numerical control unit）SINUMERIK 840D 的数控单元被称作NCU单元。根据选用硬件如CPU 芯片等和功能配置的不同，NCU 分为NCU561.4，NCU571.4，NCU572.4 ，NCU573.4（12 轴），NCU573.5（31 轴）等若干种。同样地，NCU 单元中也集成SINUMERIK 840D系统 NC CPU 和SIMATI

5、C PLC CPU 芯片，包括相应的数控软件和PLC 控制软件，并且带有MPI 或Profibus 总线接口，RS232 接口，手轮及测量接口，PCMCIA 卡插槽等。 NCU 单元很薄仅50mm宽，所有的驱动模块均排列在其右侧。2、 OP单元（Operator panel）和PCU（PC unit）OP 单元和PCU建立起SINUMERIK 840D与操作者之间的交互界面。（1）OP（Operator panel）单元一般包括一个10/12/15” TFT 显示屏和一个NC 键盘。根据用户不同的要求，西门子为用户选配不同的OP 单元，如： OP010，OP012，OP015 等。其中OP01

6、0最为常用。对于SINUMERIK 810D / 840D 应用了MPI（Multiple Point Interface）总线技术，传输速率为187.5K/秒， OP 单元为这个总线构成的网络中的一个节点。为提高人机交互的效率，又有OPI（Operator Panel Interface）总线，它的传输速率为1.5M/秒。QWERTY键盘（2）PCU 实际上就是一台计算机。它有自己独立的CPU，还可以带硬盘，带软驱。OP 单元正是这台计算机的显示器，而西门子PCU 的控制软件也在这台计算机中。PCU（PC unit）是专门为配合西门子最新的操作面板OP10，OP10s，OP10c，OP12，

7、OP15 等而开发的PCU模块，目前有三种PCU 模块PCU20，PCU50，PCU70，PCU20 对应于PCU50，不带硬盘，但可以带软驱；PCU50，PCU70 对应于PCU20，可以带硬盘。PCU 的软件被称作HMI（人机界面），HMI 又分为两种：即嵌入式HMI和高级HMI。一般标准供货时，PCU20 装载的是嵌入式HMI，而PCU50和PCU70则装载高级HMI。PCU20板：可以通过标准全键盘使用操作键盘的特殊功能。下列表格指示水平/垂直软键和用于操作面板的特殊按键位于哪些键上：（3）MCP（Machine Control Panel）是专门为数控机床而配置的，它也是OPI 上的

8、一个节点，根据应用场合不同，其布局也不同。目前，有车床版MCP和铣床版MCP 两种。（见图1-4） 对810D和840D，MCP 的MPI地址分别为14和6。铣床MCP 正面图车床MCP 正面图3、 PLC（Programmable Logic Controller）模块SINUMERIK 840D 系统的PLC 部分使用的是西门子SIMATIC S7-300 的软件及模块，在同一条导轨上从左到右依次为电源模块（Power Supply），接口模块（Interface Module）及信号模块（signal Module）。PLC 的CPU 与NC 的CPU 是集成在NCU 中的，并通过接口模

9、块IM361扩展外部的I/O模块。电源模块（PS）是为PLC 和NC 提供电源的+24V 和+5V。接口模块（IM）是用于级之间互连的。信号模块（SM）是用于机床PLC 输入/输出的模块，有输入型(SM321)和输出型(SM322)两种。PLC接口模块图4、 驱动装置SIN840D系统可采用全数字伺服驱动装置SIMODRIVE611D，配以1FT6、1FK6系列进给电机和1PH7系列的主轴电机。611D包括两部分即：电源模块 + 驱动模块（由功率模块和控制板组成）。（1）电源模块:主要功能是产生直流母线电压（600V），供给主轴模块和进给伺服模块，同时产生供各个模块内部使用的+24v和+5v电

10、压。（2）主轴驱动模块：接受CNC来的控制信号和控制指令，将电源模块提供的600V直流电压转换成三相交流电压，驱动主轴电机。（3）进给伺服模块：接受CNC来的控制指令和控制信号，将电源模块产生的600V直流电压逆变成三相交流电压，驱动进给伺服电机。三、SIN840D系统的硬件安装SIN840D系统各模块在安装排列时，最左侧通常为电源模块，其后为NCU控制板，MSD主轴驱动模块，FDD进给驱动模块。通常，驱动模块遵循功率越大的模块越靠近左侧。四、NCU数控装置1、NCU的接口840D NCU模块控制和显示元素表元素类型含义复位（S1） 按钮触发一个硬件复位，控制和驱动复位后完整重起。NMI（S2

11、） 按钮对处理器发出触发和NMI 请求。NMI非屏蔽中断。S3旋转开关NCK 启动开关。位置0：正常运行。位置1：启动位置。（缺省值启动）位置27：预留。S4旋转开关PLC 模式选择开关位置0：PLC 运行位置1：PLC 运行P，PLC程序只读位置2：PLC 停止位置3：模块复位位置47：预留元素类型含义灯色H1（左列）显示灯NC显示灯+5V：电源电压在容差范围内时亮。绿灯NF：NCK 启动过程中，其监控器被触发时，此灯亮。红灯CF：当COM 监控器输出一个报警时，此灯亮。红灯CB：通过OPI 接口进行数据传输，此灯亮。黄灯CP：通过PC 的MPI 接口进行数据传输时，此灯亮。黄灯H2（右列）

12、显示灯PLC显示灯PR：PLC 运行状态。绿灯PS：PLC 停止状态。红灯PF：当PLC 监控器输出一个报警时，此灯亮。当PLC 监控器输出一个报警时，所有4 个灯都亮。红灯PFO：PLC 强制状态。黄灯-：NCU 571-573未用，复位时短暂亮黄灯NCU 573.2：PLC DP 状态在CPU 315 2DP 上此灯有“BUSF”的标记。 灯灭：DP 未配置或者DP 配置了但所有的从站未找到。 灯闪：DP 配置了，但一个或一个以上的从站丢失。 灯亮：错误（例如：总线近路无令牌通行）。H3 7-段数码管软件支持输出的测试和诊断信息。启动完成后，正常状态显示为“6”。五、PCU50的接口PCU

13、50：带硬盘驱动的透视图PCU50俯视图PCU 50 右侧接口图PCU 50 左侧第一个外部软驱口视图六、MMC板（Man machine communication，人机通讯）的接口七、NC 和PLC 总清由于是第一次通电，启动，所以有必要对系统作一次总清或总复位。1、NC 总清NC 总清操作步骤如下：（1）将NC 启动开关 S3 “1”；（2）启动NC，如NC 已启动，可按一下复位按钮S1；（3）待NC 启动成功，七段显示器显示“6”，将S3 “0”；NC 总清执行完成。NC 总清后，SRAM 内存中的内容被全部清掉，所有机器数据（Machine Data）被预置为缺省值。2、PLC 总清

14、PLC 总清操作步骤如下： （1）将PLC 启动开关S4 “2”；=> PS 灯会亮。（2）S4 “3”并保持约3 秒直等到PS 灯再次亮；=> PS 灯灭了又再亮。（3）在3 秒之内，快速地执行下述操作S4：“2” “3” “2”；=> PS 灯先闪，后又亮，PF 灯亮。（有时PF 灯不亮）（4）等PS 和PF 灯亮了，S4 “0”； => PS 和PF 灯灭，而PR 灯亮。PLC 总清执行完成。PLC 总清后，PLC 程序可通过STEP 7 软件下传至系统。如PLC 总清后屏幕上有报警可作一次NCK 复位（热启动）。八、SIMODRIVE 611D伺服驱动装置的结构

15、及工作原理611D数字控制模块用于控制1FT61FK61FN11FW1和1PH电机的运动。611D结构有两种：单轴模块和双轴模块。611D的驱动软件存储在SINUMERIK840C或840D的存储器里。当系统启动或复位时，611D的驱动软件从SINUMERIK840C840D控制系统中通过驱动总线下载到611D驱动单元中。611D包括两部分即：电源模块 + 驱动模块（由功率模块和控制板组成）。1、电源模块电源模块根据功率大小分开环控制馈入（UI）电源模块（5KW、10KW、28KW）和闭环控制馈入再生反馈（I/RF）电源模块（16KW、36KW、55KW、80KW、120KW）。开环控制馈入电

16、源模块包含整流电抗器和一个脉冲电阻。脉冲电阻用于将驱动模块的制动能量转化为热量消耗掉。闭环控制馈入再生反馈电源模块在制动时将过盛的直流母线能量反馈到供电系统，减少工作能量的消耗。（1）电源模块S1开关的设置说明：（2）电源模块工作控制流程图： POWER OFFNS1和NS2必须被跨接 POWER ON 完成预充电绿灯亮 启动端子48被使能 脉冲使能端子63被使能 绿灯亮所有功率部件 的晶体管脉冲 驱动使能端子64被使能 绿灯亮使能，并将进 给模块预充电 直流母线预充电完成，预充电接触器打开，主开关通电并发出内部使能信号，所有使能OK 黄灯亮，绿灯灭进给模块被使能 无故障发生 主轴模块被使能准

17、备端子7273.1闭合，准备信号OK（3） 电源模块通断电波形图在编制PLC程序时，应对电源模块的使能端子T48、T63、T64进行控制，时序关系如下：上电时的顺序：端子T48与T9接通、然后T63与T9接通、最后T64和T9接通。关电时的顺序：端子T64和T9断开、然后T63与T9断开、最后T48与T9断开。各端子接通与断开的延时时间大约为100ms左右。 电源模块 power off time power on time T64 T63 T48如果端子T48被占用，端子T63和端子T64可直接连接到端子T9。(4) 在ER模块上有一组发光二极管监视该模块的状态1， 红色指示，±15V电源故障2， 红色指示，+5V电源损坏3， 绿色指示，电源不准备（未出现外部使能），4， 黄色指示，单元准备好（直流母线充电）5， 红色指示，电源故障6，红色指示，直流母线过电压 2、驱动模块驱动模块由控制板和功率模块组成，控制板完成与数控系统及控制电路的信号连接，并对功率板进行控制，功率板主要由大功率三极管组成，其作用是将直流电逆变成交流电，控制交流伺服电机的运转。611D驱动模块分为单轴和双轴模块。611D信号说明：（1）、X431的端子T9： 24V使能电压端子。（2）、X431的端子T663： 脉冲使能端子，当T663端子断电时，驱动选通脉冲禁止，电机进