第5章+逻辑控制（PLC）项目设计.1

Page1《数控机床数字孪生设计与仿真验证》

——第5章PLC项目设计Page2目标与导读5.1创建博途（TIA项目）5.5调试数字孪生软件功能5.2配置硬件组态5.3编写PLC程序5.4建立PLC与数字孪生软件的通信2目录1435Page3目标与导读知识

目标1.了解TIA博途软件的使用方法2.掌握SINUMERIKONE硬件组态及PLC程序编写的方法3.掌握TIA博途软件与CMVM软件通信设置的方法4.了解CMVM软件功能调试的步骤能力

目标1.能够掌握TIA博途软件的使用方法2.能够编写机床基本功能PLC程序3.能够结合CMVM软件对机床基本功能PLC程序进行验证素质目标1.培养学生的问题解决能力和创新能力2.培养学生表达能力和团队协作能力3.培养学生工程应用能力4.培养学生自主学习和自我提升的能力素养目标1.通过编写机床PLC程序，提升学生工程应用的创新思维2.通过CMVM软件对机床基本功能PLC程序进行验证，培养学生精益求精的工匠精神教学目标导读Page45.1创建博途（TIA）项目5.1.1.安装SINUMERIKONEPLCToolboxV17STEP.01STEP.02安装步骤与功能SINUMERIKONEPLCToolboxV17是西门子高档数控系统的重要插件，适用于TIAPortalV17，用于安装数控系统的硬件配置和库文件。

安装过程通过Toolbox

DVD上的“Start.exe”启动，选择所有基本程序版本后，所有可用的库版本将自动可用，安装完成后可在TIA

Portal的帮助菜单中查看已安装的版本信息。Page55.1创建博途（TIA）项目5.1.1.安装SINUMERIKONEPLCToolboxV17STEP.02硬件组件集成

安装Toolbox后，硬件目录中会新增SINUMERIKONENCU/NX组件，可通过拖放方式轻松添加到项目中，为后续的硬件组态提供了便利。

这些组件的集成使得在TIA

Portal中进行硬件配置时更加直观和高效，能够快速搭建起数控系统的硬件架构。Page65.1创建博途（TIA）项目5.1.2.安装GSD/GSDML文件文件来源与下载

标准的STEP7V17硬件列表中不包含MCP/MPP、PP72/48等硬件，需要安装PROFIBUS/PROFINET组件的GSD/GSDML文件。

这些文件可通过SIOS技术支持网站下载，下载链接为：https:///cs/document/62332440，确保从官方渠道获取文件，保障文件的完整性和安全性。Page75.1创建博途（TIA）项目5.1.2.安装GSD/GSDML文件安装流程与注意事项

安装GSD/GSDML文件时，需通过TIA的“选项”菜单选择“管理通用站描述文件”，在“源路径”中选择需要的描述文件，导入xml文件后点击“安装”。

安装完成后会有提示，确保安装无误，以便在硬件组态中正确识别和使用这些硬件组件，避免因文件安装问题导致硬件无法正常通信。Page85.1创建博途（TIA）项目5.1.3.创建博途项目

启动TIAV17软件，进入“Portal”视图，在启动页面中选择“创建新项目”，在右侧页面中输入项目名称、路径等信息，点击“创建”按钮完成项目创建。项目创建是PLC项目设计的第一步，正确的项目名称和路径设置有助于后续的文件管理和项目维护，确保项目结构清晰、易于查找和操作。项目创建流程01Page95.1创建博途（TIA）项目5.1.4.开始块编译时仿真功能打开项目视图，右键点击项目文件选择“属性”，点击“保护”，将“块编译时支持仿真”勾选，点击确定。此功能的开启对于程序的调试和验证至关重要，若不设置，则无法将程序下载至CMVM中，影响后续的虚拟调试和功能验证工作。块编译时仿真功能设置02Page105.2配置硬件组态5.2.1.组态NCU数控系统添加NCU1740设备

在TIAV17中双击“添加新设备”，依次选择“控制器”→“SINUMERIKONE”→“NCU”，选择所需的NCU，注意右侧“版本”需与实际系统软件版本一致，点击“确定”完成添加。NCU添加完成后，项目树和主画面会显示相应的设备信息，为后续的组态操作提供了基础，确保设备版本匹配是避免兼容性问题的关键。Page115.2配置硬件组态5.2.1.组态NCU数控系统组态NCU1740设备

PLC模块组态时，需设置PROFINET接口[X150]的以太网地址，在“设备视图”中点击NCU的PLC部分，在底部点击“属性”页面，选择“PROFINET接口[X150]”→“以太网地址”项，在右侧画面以太网地址中点击“添加新子网”，勾选“在项目中设置IP地址”，取消勾选“在设备中直接设定PROFINET设备名称”。

在“设备视图”中点击NCU的PLC部分，在底部点击“属性”页面，再选择“系统和时钟存储器”项，在右侧画面中勾选启用系统存储器字节和启用时钟存储器字节两个功能及对应的M字节地址，如系统存储器字节的地址设为1，即MB1为系统存储器。Page125.2配置硬件组态5.2.1.组态NCU数控系统CP模块组态

CP模块组态时，设置PROFINET接口[X130]的以太网地址，在“设备视图”中点击NCU的CP部分，在底部点击“属性”页面，选择“PROFINET接口[X130]”→“以太网地址”项，在右侧画面以太网地址中点击“添加新子网”，勾选“在项目中设置IP地址”，此处IP地址需与本机IP地址设置一致，取消勾选“在设备中直接设定PROFINET设备名称”。

注：需与本机IP地址设置一致，若与Create

MyVirtualMachine软件安装在同一电脑，可直接使用本地虚拟IP：，简化通信配置。Page135.2配置硬件组态5.2.1.组态NCU数控系统NCK模块硬件中断设置对于NCK到PLC的事件控制信号，如NC程序中的M代码、方式组信号等，需要通过PLC的硬件中断OB40调用FC3来处理。

在“设备视图”中点击NCU的NCK部分，选择“事件”项，在“硬件中断”项中点击“…”，点击“确定”创建OB40硬件中断组织块，并自动关联到NCK的事件控制硬件中断，确保事件能够被及时处理。Page145.2配置硬件组态5.2.2.PP72/48模块组态前提是已导入PP72/48PN模块的GSDML文件，从硬件目录树中“其他现场设备”→“PROFINETIO”→“I/O”→“SIEMENSAG”→“SINUMERIK”目录，选择“PP72/48”模块，并拖拽插入到网络视图中。正确导入GSDML文件是添加PP72/48模块的前提，确保模块能够在硬件目录中被正确识别和选择，为后续的组态操作奠定基础。添加PP72/48模块Page155.2配置硬件组态5.2.2.PP72/48模块组态1.将PP72/48模块连接到X150网络。2.双击模块指定模块类型，点击“硬件目录”，将模块中的“72DI/48DO”、“Option2AI/2AO”、“Optiondiagnostic16DI”依次拖拽至PP72/48设备概览模块中。组态PP72/48模块Page165.2配置硬件组态5.2.2.PP72/48模块组态为防止与CMVM中MCP面板地址冲突，需要修改PP72/48模块IO输入输出地址，起始地址可设定为I256、Q256，确保地址的唯一性，避免通信冲突。由于PP72/48模块设备名称与硬件地址开关对应，需要双击PP72/48模块，点击“常规”，选择“以太网地址”，在“PROFINET”项目里取消勾选“自动生成PROFINET设备名称”，取消勾选后则可以更改PROFINET设备名称，而与模块名称无关，灵活设置设备名称有助于项目管理和维护。组态PP72/48模块Page175.2配置硬件组态5.2.3.编译硬件当硬件组态配置完成之后，需进行编译，右键点击项目树中的NCU，依次选择“编译”，“硬件（完全重建）”。

编译过程是对硬件组态的全面检查，确保所有硬件配置正确无误，能够正常工作。硬件编译操作

若编译后没有出现错误提示，则代表硬件组态成功，若有错误提示，根据错误导航修改硬件，修改后再次进行硬件编译。仔细查看编译错误信息，按照提示进行针对性的修改，是确保硬件组态无误的关键步骤，反复编译直至无误，为后续的程序编写和调试提供可靠的硬件基础。编译结果处理Page185.3编写PLC程序5.3.1.PLC程序结构重新启动（OB100）

OB100是一个特殊的组织块，通常被称为启动组织块或初始化组织块，用于处理CPU的启动事件。当PLC上电或进行重启时，会调用OB100，需要调用PLC基本程序块LBP_ConfigBP[FC1]。FC1功能块是PLC基本程序中的启动部分，负责初始化PLC的基本功能和参数设置，为后续程序的运行做好准备，确保PLC能够在启动时正确加载和配置必要的功能块和数据块。循环处理（OB1）OB1是PLC程序的主入口点，当PLC处于运行状态（RUN）时，OB1会不断地循环执行，需要调用PLC基本程序块LBP_MainBP[FC2]，也需要根据需求调用PLC用户程序块。FC2功能块是处理基本程序中的循环部分，负责执行PLC的核心控制逻辑和任务调度，用户程序块的调用使得OB1能够根据实际应用需求灵活扩展功能，实现多样化的控制任务。过程报警（OB40）OB40用于处理由外部设备（如传感器、执行器等）产生的硬件中断，需要调用PLC基本程序块LBP_NCKProcessIRT[FC3]。FC3功能块是处理基本程序的块同步部分，确保在硬件中断发生时，PLC能够及时响应并处理中断事件，保障系统的稳定运行和实时性要求。Page195.3编写PLC程序5.3.1.PLC程序结构OB组织程序块是CPU的操作系统与用户程序之间的接口，用于执行特定的程序段。这些组织块按照已分配的优先级来执行，并且可以在不同的条件下被触发，如OB1负责主程序循环，OB100处理启动事件，OB40处理硬件中断等。

不同的OB组织块具有明确的功能定位和触发条件，合理使用这些组织块能够实现高效的程序结构和任务调度，满足不同场景下的控制需求。系统功能块（OB组织块）Page205.3编写PLC程序5.3.1.PLC程序结构FC功能块是西门子PLC编程中用于实现特定控制逻辑或算法的程序块，如FC6用于刀具管理，FC18用于控制轴和主轴，FC10用于生成操作软件的错误与提示信息等。

这些功能块涵盖了机床控制中的各种常见功能，通过调用这些功能块，用户可以快速实现复杂的控制逻辑，提高编程效率和程序的可维护性。用户功能块（FC功能块）Page215.3编写PLC程序5.3.1.PLC程序结构FB功能块提供了比QB更复杂的功能，允许处理多任务、嵌套结构以及更高级的逻辑操作。它支持更多数据类型（如字符串、日期时间）和高级功能块（如循环、条件分支），这使得开发更加复杂的HMI界面成为可能。

基于Field的控制：与QB（基于Query）的不同，FB专注于Field（字段），更适合用于系统控制和实时数据处理。这使得在HMI开发中，能够更有效地控制设备和显示实时数据。存储功能块（FB功能块）Page225.3编写PLC程序5.3.1.PLC程序结构

DB功能块支持用户定义自己的数据类型和存储结构。这对于集成特定的应用需求非常重要，确保界面的显示与实际需要一致，并方便与外部设备的数据交换。

博途DB功能块为HMI界面开发提供了强大的数据处理和存储能力，支持复杂的逻辑操作、嵌套结构以及多任务处理，并且具有良好的可维护性和扩展性。掌握DB功能块的操作和应用，对于提高系统的效率和功能至关重要。存储功能块（DB功能块）Page235.3编写PLC程序5.3.2.插入PLC基本程序、ONEPLC子程序库1.打开全局库，将“SINUMERIKONEPLCBasicProgramV”中的“SINUMERIKONEPLCBP”整体拖拽至项目树的“程序块”目录中，同时将“SINUMERIKONEPLCBPdatatypes”拖拽至“PLC数据类型”目录中。

插入ONEPLC子程序库时，将“Sinumerik_PLC_Lib_v3.1_V17_Encrypt”中的“02_MagConf_ToolCh_Prog”、“03_PLCvariabletable”、“04_PLCDatatype”分别拖拽至对应的目录中。插入基本程序和子程序库是PLC程序编写的基础，这些库文件包含了实现机床控制所需的各种功能块和数据类型，为后续的程序编写提供了丰富的资源。Page245.3编写PLC程序5.3.3.PLC程序块分组与定义MCPI/O

在项目树中，右键点击程序块，选择新增组选项，创建PLC程序分组，命名为“PLCProgram”。在项目树中，点击“PLC变量”添加新变量表，命名为MCP，创建“MCPIN”变量，地址为“I0.0”，创建“MCPOUT”变量，地址为“Q0.0”，数据类型选择与实际MCP面板对应的数据类型，如MCP483Milling，定义MCP输入与输出接口。

程序块分组有助于组织和管理程序结构，使程序更加清晰易懂；MCPI/O的定义则确保了PLC与机床控制面板之间的正确通信Page255.3编写PLC程序5.3.4.编写PLC用户程序在OB100中调用FC1设置机床控制面板参数，初始化组织块只执行一次，确保机床控制面板正常工作。在OB1中编写、调用用户PLC程序块，如调用PLC基本程序FC2、控制面板M483程序FC19、全局数据处理功能块FC800、系统功能程序FB809、斗笠式刀库程序FB840等，实现机床的各种控制功能。用户程序的编写是PLC程序的核心部分，通过合理调用各种功能块和编写自定义程序，实现机床的自动化控制，满足实际生产中的各种工艺要求。（1）调用PLC基本程序FC2（2）调用控制面板M483程序FC19Page265.3编写PLC程序5.3.4.编写PLC用户程序（3）调用PLC程序库中全局功能（开始）程序FC800打开全局库→“Sinumerik_PLC_Lib_v3.1_V17_Encrypt”→“模板副本”→“01_ONEPLCProgram”，将“02_Fct_GlobalFunction(800)”整体拖拽至项目树的“ONEPLCProgram”目录中。调用全局数据处理功能块FC800程序，全局程序块的主要功能是统一在项目中经常使用的变量，例如时钟信号、常位信号、急停信号等，以便项目的团队配合、调试、移植以及HMI开发等等。所有变量均使用DB800中的接口进行交互，例如，访问如DB7、DB11等数据块。（4）编写模式组复位、急停程序Page275.3编写PLC程序5.3.4.编写PLC用户程序（5）编写伺服轴、倍率、使能程序（6）编写通道倍率程序（7）编写MCS/WCS坐标系切换程序，MCS为机床坐标坐标系，WCS为工件坐标系，定义PLCM100.0、M100.1数据类型为BOOL，地址为M2.0、M2.1。Page285.3编写PLC程序5.3.4.编写PLC用户程序（8）调用PLC程序库中系统功能程序打开全局库→“Sinumerik_PLC_Lib_v3.1_V17_Encrypt”→“模板副本”→“01_ONEPLCProgram”，将“03_Fct_SysFunction(801～809)”整体拖拽至项目树的“ONEPLCProgram”目录中。调用系统功能程序FB809,选择背景数据块DB809Page295.3编写PLC程序5.3.4.编写PLC用户程序（9）调用PLC程序库中斗笠式刀库程序

打开全局库→“Sinumerik_PLC_Lib_v3.1_V17_Encrypt”→“模板副本”→“01_ONEPLCProgram”，将“06_Fct_MagLib(840～849)”整体拖拽至项目树的“ONEPLCProgram”目录中。

打开程序“06_Fct_MagLib(840～849)”→“00_Example_TM(FB840)”其中“00_TM_Disk”为斗笠式刀库示例程序，为防止编译时出现FB命名重复错误出现，将其余种类刀库示例程序删除。调用斗笠式刀库程序FB840，创建背景数据块DB62

Page305.3编写PLC程序5.3.4.编写PLC用户程序（10）调用全局数据处理功能块FC900，如图5-19所示。与GBFunct840D_B功能相呼应，在FC10之前调用，处理单PLC周期信号。（11）调用故障消息和运行消息处理程序FC10Page315.3编写PLC程序5.3.4.编写PLC用户程序（12）编写报警信息显示功能程序，示例程序为700000液压系统故障信息显示Page325.3编写PLC程序5.3.4.编写PLC用户程序Page335.3编写PLC程序5.3.4.编写PLC用户程序

在SINUMERIKONE中，用户自定义数据需要用户自行创建，根据NC机床数据MD14504/MD14506/MD14508设定的数据个数，创建对应大小的DB存储空间。例如：在NC中设定数据个数均为32

打开“02_Fct_GlobalFunction(800)”→“PLCUserData”通过修改数据类型来设定数据的个数，根据NC参数设置定义同样结构的数据块，如图5-24所示，其中Hex类型的数据定义为二维数组，方便在编程时直接访问其中某一个Bit。

在OB100的FC1中指定参数输出的DB块。Page345.4建立PC与数字孪生的通信5.4.1.通信设置2.TIAPotal程序下载虚拟调试软件通信配置

在电脑“控制面板”中，打开“CommunicationSettings”软件，指定访问点S7ONLINE通信网卡，确保网卡处于激活状态。如果虚拟调试软件分布式安装，必须设置自定义IP地址，如设置Create

MyVirtualMachine客户端IP地址为15，TIAPortal客户端本地IP地址要求与Create

MyVirtualMachine客户端在同一网段，例如16。虚拟调试软件通信配置是实现PLC程序与数字孪生软件之间通信的关键步骤，正确的网卡设置和IP地址配置能够确保数据的稳定传输和交互，为后续的虚拟调试提供可靠的通信基础。TIAPortal程序下载

在下载TIA

Portal项目前，首先检查Create

MyVirtual

Machine客户端通信网卡设置，在控制面板CommunicationSettings查看“访问点”中“S7ONLINE”与“SINUMERIK”设置的通信网卡。选中NCU1740设备，点击TIA菜单栏中“下载”选项，在TIAPortal项目下载对话框中选择PG/PC接口类型为“PN/IE”，选择PG/PC接口为“SiemensPLCSIMVirtualEthernetAdapter”，选择接口/子网络的连接为插槽“2×130”处的方向，然后选择“显示地址相同的设备”，输入本地虚拟IP地址进行搜索，首次下载，目标设备为“CPUcommon”，选择目标设备，点击下载。TIAPortal程序下载是将编辑好的PLC程序传输到CMVM软件中的重要环节，通过正确的下载操作，确保程序能够在虚拟环境中运行，为后续的调试和功能验证提供支持。Page355.5调试数字孪生软件功能5.5.1.PLC程序装载调试TIA博途PLC程序下载至CMVM软件成功后，将NCU切换至RUN模式，重启项目，项目重启后，观察HMI与MCP面板，确认PLC运行状态，PLC正常运行。通过观察HMI界面和MCP面板的显示信息，可以直观地判断PLC程序是否正确装载和运行，及时发现并解决可能出现的问题，确保系统处于正常工作状态。壹5.5.2.虚拟调试与基础功能验证对机床的基础功能进行测试，如急停功能、进给轴控制功能、MDA功能、MCS/WCS坐标系切换功能、报警信息显示功能等。急停功能测试：设置好的虚拟机床能够实现急停功能，当按下急停按钮之后，系统HMI界面出现“3000急停”文字，急停按钮的灯点亮，设备停止所有动作；松开急停开关并按下机床操作面板复位按钮，机床HMI界面上报警信息消除，急停灯熄灭，消除急停功能。进给轴控制功能测试：数控铣床通过控制操作面板的手动操作，可以完成进给运动、主轴旋转等动作。进给运动操作可分为连续进给和点动进给，两者区别在于连续进给时部件持续运动，点动进给时部件只移动一个预先设定的距离。主轴操作在手动方式下，可完成主轴正转、主轴反转等动作。MDA功能测试：按下“MDA”按键，激活MDA方式，机床控制面板上的MDA按键指示灯点亮，在MDA方式下编写程序段到HMI界面上，按下“CYCLESTART”按键，机床开始自动执行编写的程序，进给倍率开关和主轴倍率开关可以分别调节进给速度和主轴速度。MCS/WCS坐标系切换功能测试：通过MCP操作面板上的MCS/WCS按键或HMI上的MCS/WCS按键，可实现机床坐标系和工件坐标系的切换。报警信息显示功能测试：触发MCP操作面板的T1按键后，系统触发“700000液压系统故障”，T1按键上方指示灯以1HZ频率闪烁，报警字体为红色字体；触发MCP操作面板的T2按键并按下复位键后，“700000液压系统故障”报警信息解除，T1按键上方指示灯熄灭。通过全面