遲 海，張鳳姣

（1.中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110044；2.沈陽(yáng)三洋球罐有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110044）

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及現(xiàn)代制造技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)已由繼電器、接觸器硬接線的常規(guī)控制，轉(zhuǎn)向以計(jì)算機(jī)為核心的軟件控制，PLC和CNC系統(tǒng)，是典型的現(xiàn)代電氣控制裝置。PLC的機(jī)型很多，但其基本結(jié)構(gòu)、原理相同，基本功能、指令系統(tǒng)及編程方法類似。因此，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，選擇了當(dāng)今最具特色的西門子840D系統(tǒng)作為背景機(jī)型，使用STEP7??5.6版編程軟件，針對(duì)840D系統(tǒng)工作方式、PLC編程方法及應(yīng)用技巧進(jìn)行研究，并以工程應(yīng)用為實(shí)訓(xùn)目標(biāo)，從硬件的實(shí)際連接到軟件的可編程調(diào)試出發(fā)，結(jié)合實(shí)際工程遇到的故障問(wèn)題，應(yīng)用STEP7軟件加以分析解決。

1 SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

SINUMERIK 840D是西門子公司20世紀(jì)90年代推出的高性能數(shù)控系統(tǒng)，保持西門子前兩代系統(tǒng)SINUMERIK 880和840C的3 CPU結(jié)構(gòu)：人機(jī)通信CPU（MMC—CPU）、數(shù)字控制CPU（NC—CPU）和可編程控制器（PLC—CPU）。

該3部分在功能上，既相互分工又互為支持。NC—CPU和PLC—CPU在物理結(jié)構(gòu)上合為一體，合成在數(shù)字控制單元NCU（Numerical Control Unit）中，但是在邏輯功能上相互獨(dú)立。

相對(duì)于前幾代系統(tǒng)，SINUMERIK840D具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）數(shù)字化驅(qū)動(dòng)。在SINUMERIK 840D中數(shù)控和驅(qū)動(dòng)的接口信號(hào)是數(shù)字量，通過(guò)驅(qū)動(dòng)總線接口掛接各軸驅(qū)動(dòng)模塊。

（2）軸控規(guī)模大。最多可以配31個(gè)軸，其中可配10個(gè)主軸。

（3）可以實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)。SINUMERIK 840D可以實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、A、B五軸的聯(lián)動(dòng)加工，任何三維空間曲面都可以加工。

（4）操作系統(tǒng)視窗化。SINUMERIK 840D采用Windows95作為操作平臺(tái)，使操作簡(jiǎn)單靈活，易掌握。

（5）軟件內(nèi)容豐富、功能強(qiáng)大。SINUMERIK 840D可以實(shí)現(xiàn)加工（Machine）、參數(shù)（Parameter）、服務(wù)（Services）及安裝啟動(dòng)（Start—Up）等幾大軟件功能。

（6）具有遠(yuǎn)程診斷功能。如現(xiàn)場(chǎng)用PC適配器、MODEM卡、通過(guò)電話線實(shí)現(xiàn)SINUMERIK 840D與異域PC機(jī)通信，完成修改PLC程序和監(jiān)控機(jī)床狀態(tài)等遠(yuǎn)程診斷功能。

（7）模塊化設(shè)計(jì)。SINUMERIK 840D的軟硬件系統(tǒng)，根據(jù)功能和作用劃分為不同的功能模塊，使系統(tǒng)連接更加簡(jiǎn)單。

（8）內(nèi)裝大容量的PLC系統(tǒng)。SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝PLC最大可以配2048個(gè)輸入和2048個(gè)輸出，而且采用了Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線和MPI多點(diǎn)接口通信協(xié)議，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)布局。

（9）PC化。SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)基于PC的數(shù)控系統(tǒng)。

2 PLC的工作原理

當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為3個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。完成上述3個(gè)階段，稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述3個(gè)階段。

一般西門子PLC分為S7 200系列、S7 300系列、S7 400系列。本文應(yīng)用西門子S7 300系列。相比較S7 200，S7 300針對(duì)的是中小系統(tǒng)，其模塊可以擴(kuò)展多達(dá)32個(gè)，背板總線也在模塊內(nèi)集成，網(wǎng)絡(luò)連接已比較成熟和流行，有MPI（多點(diǎn)接口）、PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)，使通訊和編程變的簡(jiǎn)單和多選性，并可以借助于HW Config工具可以進(jìn)行組態(tài)和設(shè)置參數(shù)。本文著重介紹S7 300。

3 模塊組態(tài)與連接

組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法、完成工程中某一具體任務(wù)的過(guò)程。

設(shè)定組態(tài)，包括帶有需要模塊和相關(guān)參數(shù)的硬件站。根據(jù)設(shè)定組態(tài)PLC系統(tǒng)被裝配起來(lái)，在調(diào)試的時(shí)候，把設(shè)定的組態(tài)下載到CPU中。

實(shí)際組態(tài)，指已存在的實(shí)際組態(tài)和參數(shù)分配，一般是在已裝配的系統(tǒng)中，從PLC的CPU中讀出來(lái)的。

3.1 組態(tài)過(guò)程

插入站。新建一個(gè)項(xiàng)目（PROJECT），通過(guò)選擇菜單Insert→Station→SIMATIC300 Station or SIMATIC 400 Station可以在當(dāng)前項(xiàng)目下插入一個(gè)新站。自動(dòng)為該站分配一個(gè)名稱SIMATIC 300（1），以后可以修改。

啟動(dòng)硬件組態(tài)。在SIMATIC管理器中選擇硬件站雙擊OPEN即可，我們同時(shí)可以打開硬件目錄——VIEW-CATALOG，如果選擇標(biāo)準(zhǔn)硬件目錄庫(kù)，它會(huì)提供所有的機(jī)架、模塊和接口模塊。

產(chǎn)生硬件組態(tài)。指的是指定模塊如何在機(jī)架中擺放，這個(gè)指定的組態(tài)可以作為設(shè)定組態(tài)。

（1）機(jī)架。在硬件目錄中打開一個(gè)SIMATIC300站的RACK-300，雙擊或拖到左邊窗口。這樣在左邊的窗口中就出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)架表：上面的部分顯示一個(gè)簡(jiǎn)表，下面的部分顯示帶有定貨號(hào)、MPI地址和I/O地址的詳細(xì)信息。

（2）電源。如果需要裝入電源，雙擊或拖拉目錄中的“PS-300”模塊，放到表中的1號(hào)槽位上。

（3）CPU。從“CPU-300”的目錄中選擇CPU，把它出入2號(hào)槽位。

（4）3號(hào)槽。3號(hào)槽位為接口模塊保留。在實(shí)際配置中，如果這個(gè)位置要保留以后安裝接口模塊，在安裝時(shí)就必須插入1個(gè)占位模塊DM370。

（5）信號(hào)模塊。從4號(hào)槽位開始可以插入最多8個(gè)信號(hào)模塊（SM）、通訊處理器（CP）或功能模塊（FM）。選擇槽位，然后雙擊目錄中需要插入的模塊，可以把模塊插入表中。利用拖拉可以在表中任何位置插入模塊。

3.2 分配參數(shù)

CPU屬性包括：

（1）通用屬性General。主要提供模塊的類型，位置和MPI地址—如果要把數(shù)個(gè)PLC通過(guò)MPI接口組成網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)CPU分配不同的MPI地址。

（2）啟動(dòng)項(xiàng)目START UP。

3.3 保存組態(tài)

在以上硬件組態(tài)和參數(shù)分配好后，對(duì)編輯好的組態(tài)進(jìn)行保存。

保存操作——選擇菜單Station→Save，保存當(dāng)前項(xiàng)目的當(dāng)前組態(tài)（不產(chǎn)生系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊）。

4 應(yīng)用Step 7診斷機(jī)床故障

4.1 故障實(shí)例1

浙江日發(fā)RF1700數(shù)控銑床，系統(tǒng)為西門子840D，機(jī)床一次上電后，機(jī)床控制面板上所有的燈一直在閃爍，系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)入操作界面。

針對(duì)上述故障現(xiàn)象，將PG連接到機(jī)床上，啟動(dòng)PG、機(jī)床，然后在PG上運(yùn)行STEP7軟件，上載機(jī)床PLC程序。在STEP7軟件主菜單選擇PLC中的module information菜單（診斷菜單）。用這個(gè)菜單來(lái)診斷PLC運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)PLC中CPU處于停機(jī)狀態(tài)，然后，檢查PLC程序中OB1塊是空的，用原來(lái)的備份將其恢復(fù)后，啟動(dòng)機(jī)床，故障現(xiàn)象依舊。為了查找原因，使用PG將另一臺(tái)同型號(hào)機(jī)床中PLC程序拷貝出來(lái)，與該機(jī)床的PLC程序內(nèi)容進(jìn)行比較，通過(guò)STEP 7診斷提示，這臺(tái)機(jī)床PLC程序里FC30中，缺少DB35塊，導(dǎo)致了PLC不能啟動(dòng)。將同型號(hào)的機(jī)床PLC程序里FC30中的DB35塊，拷貝并下載到此機(jī)床PLC程序中后，再次啟動(dòng)PLC，PLC正常啟動(dòng)，此故障排除。

故障產(chǎn)生原因分析：

（1）數(shù)控機(jī)床中的PLC程序，經(jīng)常是由電池保存，如果電池不足，會(huì)導(dǎo)致在機(jī)床斷電后PLC程序丟失。這種情況下，機(jī)床會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電池電壓低報(bào)警，出現(xiàn)這樣報(bào)警時(shí)，就要及時(shí)更換PLC電池。

（2）機(jī)床在加工過(guò)程中突然斷電，導(dǎo)致PLC程序在瞬間丟失。這種情況也很常見(jiàn)，所以就要正確地開關(guān)機(jī)床。

4.2 故障實(shí)例2

310DK數(shù)控蠕動(dòng)磨床，西門子FM-NC（840D簡(jiǎn)化版），機(jī)床在加工工件時(shí)，突然黑屏，PLC停止工作。

針對(duì)上述故障現(xiàn)象，將PG連接到機(jī)床上面，然后在STEP7軟件主菜單選擇PLC中的module information菜單，從中發(fā)現(xiàn)PLC中的CPU狀態(tài)已停止。在診斷方式下，檢查到PLC中“FC49功能”出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致CPU停止工作。然后，打開“FC49功能”，查看里面的程序，用STEP 7軟件觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PLC運(yùn)行到一段“SYS STOP”的子程序時(shí)，PLC中斷。這個(gè)程序調(diào)用了西門子內(nèi)部的“SFC46功能”，其程序源代碼保密，所以無(wú)法分析“SFC46”功能內(nèi)部程序。不過(guò)，我們可以改變“SYS STOP”這個(gè)子程序，使其程序中不再調(diào)“SFC46功能”，然后將修改的PLC程序下載到PLC中。重新啟PLC，機(jī)床正常啟動(dòng)，故障排除。

故障產(chǎn)生原因分析：這個(gè)機(jī)床的PLC程序是改造后的程序，里面的大部分OB、FC、FB均已上鎖，對(duì)于查找方面維修方面帶來(lái)很多困難。編寫PLC的編程人員故意將編寫了“SYS STOP”程序來(lái)鎖定系統(tǒng)，不讓機(jī)床正常啟動(dòng)。這不但需要通過(guò)PG應(yīng)用STEP7軟件從中分析，還需要維修人員細(xì)致查找，耐心分析，大膽修改，才能解決問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從數(shù)控設(shè)備的組態(tài)出發(fā)，對(duì)西門子PLC-S7300的硬件模塊結(jié)構(gòu)作了淺顯的介紹，對(duì)編程器的概念及其與數(shù)控機(jī)床的連接方式作了概括性表述。對(duì)組態(tài)相關(guān)概念和組態(tài)軟件在實(shí)際工作中的使用方法作了重點(diǎn)講解。組態(tài)與連接是實(shí)際維修排故的基礎(chǔ)。將編程器連接到機(jī)床后，使用STEP7組態(tài)軟件創(chuàng)建、編輯組態(tài)，再將編輯好的組態(tài)下載到數(shù)控機(jī)床中，在此基礎(chǔ)上，STEP7還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床PLC監(jiān)控的過(guò)程。在維修機(jī)床時(shí)能夠更加方便、快捷對(duì)硬件模塊工作狀態(tài)和連接情況進(jìn)行觀察，以便作出正確的判斷。

[1]鄭曉峰.數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]王愛(ài)玲.數(shù)控機(jī)床操作技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3]王愛(ài)玲.數(shù)控原理及數(shù)控系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.