遲 海,張鳳姣
(1.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110044;2.沈陽三洋球罐有限公司,遼寧 沈陽 110044)
近年來,隨著計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(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題,應(yīng)用STEP7軟件加以分析解決。
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。
相對于前幾代系統(tǒng),SINUMERIK840D具有以下幾個特點(diǎn):
(1)數(shù)字化驅(qū)動。在SINUMERIK 840D中數(shù)控和驅(qū)動的接口信號是數(shù)字量,通過驅(qū)動總線接口掛接各軸驅(qū)動模塊。
(2)軸控規(guī)模大。最多可以配31個軸,其中可配10個主軸。
(3)可以實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動。SINUMERIK 840D可以實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、A、B五軸的聯(lián)動加工,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,使操作簡單靈活,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(Start—Up)等幾大軟件功能。
(6)具有遠(yuǎn)程診斷功能。如現(xiàn)場用PC適配器、MODEM卡、通過電話線實(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。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個輸入和2048個輸出,而且采用了Profibus現(xiàn)場總線和MPI多點(diǎn)接口通信協(xié)議,大大減少了現(xiàn)場布局。
(9)PC化。SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)是一個基于PC的數(shù)控系統(tǒng)。
當(dāng)PLC投入運(yùn)行后,其工作過程一般分為3個階段,即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。完成上述3個階段,稱作一個掃描周期。在整個運(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針對的是中小系統(tǒng),其模塊可以擴(kuò)展多達(dá)32個,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。
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,在調(diào)試的時候,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中讀出來的。
3.1 組態(tài)過程
插入站。新建一個項目(PROJECT),通過選擇菜單Insert→Station→SIMATIC300 Station or SIMATIC 400 Station可以在當(dāng)前項目下插入一個新站。自動為該站分配一個名稱SIMATIC 300(1),以后可以修改。
啟動硬件組態(tài)。在SIMATIC管理器中選擇硬件站雙擊OPEN即可,我們同時可以打開硬件目錄——VIEW-CATALOG,如果選擇標(biāo)準(zhǔn)硬件目錄庫,它會提供所有的機(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)兩個機(jī)架表:上面的部分顯示一個簡表,下面的部分顯示帶有定貨號、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號槽位上。
(3)CPU。從“CPU-300”的目錄中選擇CPU,把它出入2號槽位。
(4)3號槽。3號槽位為接口模塊保留。在實(shí)際配置中,如果這個位置要保留以后安裝接口模塊,在安裝時就必須插入1個占位模塊DM370。
(5)信號模塊。從4號槽位開始可以插入最多8個信號模塊(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PLC通過MPI接口組成網(wǎng)絡(luò),每個CPU分配不同的MPI地址。
(2)啟動項目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)前項目的當(dāng)前組態(tài)(不產(chǎn)生系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊)。
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)無法進(jìn)入操作界面。
針對上述故障現(xiàn)象,將PG連接到機(jī)床上,啟動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)。用這個菜單來診斷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,用原來的備份將其恢復(fù)后,啟動機(jī)床,故障現(xiàn)象依舊。為了查找原因,使用PG將另一臺同型號機(jī)床中PLC程序拷貝出來,與該機(jī)床的PLC程序內(nèi)容進(jìn)行比較,通過STEP 7診斷提示,這臺機(jī)床PLC程序里FC30中,缺少DB35塊,導(dǎo)致了PLC不能啟動。將同型號的機(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PLC,PLC正常啟動,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,會導(dǎo)致在機(jī)床斷電后PLC程序丟失。這種情況下,機(jī)床會產(chǎn)生相應(yīng)的電池電壓低報警,出現(xiàn)這樣報警時,就要及時更換PLC電池。
(2)機(jī)床在加工過程中突然斷電,導(dǎo)致PLC程序在瞬間丟失。這種情況也很常見,所以就要正確地開關(guān)機(jī)床。
4.2 故障實(shí)例2
310DK數(shù)控蠕動磨床,西門子FM-NC(840D簡化版),機(jī)床在加工工件時,突然黑屏,PLC停止工作。
針對上述故障現(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,PLC中斷。這個程序調(diào)用了西門子內(nèi)部的“SFC46功能”,其程序源代碼保密,所以無法分析“SFC46”功能內(nèi)部程序。不過,我們可以改變“SYS STOP”這個子程序,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,故障排除。
故障產(chǎn)生原因分析:這個機(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,對于查找方面維修方面帶來很多困難。編寫PLC的編程人員故意將編寫了“SYS STOP”程序來鎖定系統(tǒng),不讓機(jī)床正常啟動。這不但需要通過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,才能解決問題。
本文從數(shù)控設(shè)備的組態(tài)出發(fā),對西門子PLC-S7300的硬件模塊結(jié)構(gòu)作了淺顯的介紹,對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)對數(shù)控機(jī)床PLC監(jiān)控的過程。在維修機(jī)床時能夠更加方便、快捷對硬件模塊工作狀態(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.
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[3]王愛玲.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.