西門子系統組態與診斷實例

遲 海，張鳳姣

（1.中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110044；2.沈陽三洋球罐有限公司，遼寧 沈陽 110044）

近年來，隨著計算機技術、自動控制技術及現代制造技術的迅速發展，數控系統已由繼電器、接觸器硬接線的常規控制，轉向以計算機為核心的軟件控制，PLC和CNC系統，是典型的現代電氣控制裝置。PLC的機型很多，但其基本結構、原理相同，基本功能、指令系統及編程方法類似。因此，從實際應用出發，選擇了當今最具特色的西門子840D系統作為背景機型，使用STEP7??5.6版編程軟件，針對840D系統工作方式、PLC編程方法及應用技巧進行研究，并以工程應用為實訓目標，從硬件的實際連接到軟件的可編程調試出發，結合實際工程遇到的故障問題，應用STEP7軟件加以分析解決。

1 SINUMERIK 840D數控系統簡介

SINUMERIK 840D是西門子公司20世紀90年代推出的高性能數控系統，保持西門子前兩代系統SINUMERIK 880和840C的3 CPU結構：人機通信CPU（MMC—CPU）、數字控制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在物理結構上合為一體，合成在數字控制單元NCU（Numerical Control Unit）中，但是在邏輯功能上相互獨立。

相對于前幾代系統，SINUMERIK840D具有以下幾個特點：

（1）數字化驅動。在SINUMERIK 840D中數控和驅動的接口信號是數字量，通過驅動總線接口掛接各軸驅動模塊。

（2）軸控規模大。最多可以配31個軸，其中可配10個主軸。

（3）可以實現五軸聯動。SINUMERIK 840D可以實現X、Y、Z、A、B五軸的聯動加工，任何三維空間曲面都可以加工。

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

（5）軟件內容豐富、功能強大。SINUMERIK 840D可以實現加工（Machine）、參數（Parameter）、服務（Services）及安裝啟動（Start—Up）等幾大軟件功能。

（6）具有遠程診斷功能。如現場用PC適配器、MODEM卡、通過電話線實現SINUMERIK 840D與異域PC機通信，完成修改PLC程序和監控機床狀態等遠程診斷功能。

（7）模塊化設計。SINUMERIK 840D的軟硬件系統，根據功能和作用劃分為不同的功能模塊，使系統連接更加簡單。

（8）內裝大容量的PLC系統。SINUMERIK 840D數控系統內裝PLC最大可以配2048個輸入和2048個輸出，而且采用了Profibus現場總線和MPI多點接口通信協議，大大減少了現場布局。

（9）PC化。SINUMERIK 840D數控系統是一個基于PC的數控系統。

2 PLC的工作原理

當PLC投入運行后，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。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行上述3個階段。

一般西門子PLC分為S7 200系列、S7 300系列、S7 400系列。本文應用西門子S7 300系列。相比較S7 200，S7 300針對的是中小系統，其模塊可以擴展多達32個，背板總線也在模塊內集成，網絡連接已比較成熟和流行，有MPI（多點接口）、PROFIBUS和工業以太網，使通訊和編程變的簡單和多選性，并可以借助于HW Config工具可以進行組態和設置參數。本文著重介紹S7 300。

3 模塊組態與連接

組態就是用應用軟件中提供的工具、方法、完成工程中某一具體任務的過程。

設定組態，包括帶有需要模塊和相關參數的硬件站。根據設定組態PLC系統被裝配起來，在調試的時候，把設定的組態下載到CPU中。

實際組態，指已存在的實際組態和參數分配，一般是在已裝配的系統中，從PLC的CPU中讀出來的。

3.1 組態過程

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。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，如果選擇標準硬件目錄庫，它會提供所有的機架、模塊和接口模塊。

產生硬件組態。指的是指定模塊如何在機架中擺放，這個指定的組態可以作為設定組態。

（1）機架。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兩個機架表：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

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—如果要把數個PLC通過MPI接口組成網絡，每個CPU分配不同的MPI地址。

（2）啟動項目START UP。

3.3 保存組態

在以上硬件組態和參數分配好后，對編輯好的組態進行保存。

保存操作——選擇菜單Station→Save，保存當前項目的當前組態（不產生系統數據塊）。

4 應用Step 7診斷機床故障

4.1 故障實例1

浙江日發RF1700數控銑床，系統為西門子840D，機床一次上電后，機床控制面板上所有的燈一直在閃爍，系統無法進入操作界面。

針對上述故障現象，將PG連接到機床上，啟動PG、機床，然后在PG上運行STEP7軟件，上載機床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運行狀態。發現PLC中CPU處于停機狀態，然后，檢查PLC程序中OB1塊是空的，用原來的備份將其恢復后，啟動機床，故障現象依舊。為了查找原因，使用PG將另一臺同型號機床中PLC程序拷貝出來，與該機床的PLC程序內容進行比較，通過STEP 7診斷提示，這臺機床PLC程序里FC30中，缺少DB35塊，導致了PLC不能啟動。將同型號的機床PLC程序里FC30中的DB35塊，拷貝并下載到此機床PLC程序中后，再次啟動PLC，PLC正常啟動，此故障排除。

故障產生原因分析：

（1）數控機床中的PLC程序，經常是由電池保存，如果電池不足，會導致在機床斷電后PLC程序丟失。這種情況下，機床會產生相應的電池電壓低報警，出現這樣報警時，就要及時更換PLC電池。

（2）機床在加工過程中突然斷電，導致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機床。

4.2 故障實例2

310DK數控蠕動磨床，西門子FM-NC（840D簡化版），機床在加工工件時，突然黑屏，PLC停止工作。

針對上述故障現象，將PG連接到機床上面，然后在STEP7軟件主菜單選擇PLC中的module information菜單，從中發現PLC中的CPU狀態已停止。在診斷方式下，檢查到PLC中“FC49功能”出現問題，導致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，發現當PLC運行到一段“SYS STOP”的子程序時，PLC中斷。這個程序調用了西門子內部的“SFC46功能”，其程序源代碼保密，所以無法分析“SFC46”功能內部程序。不過，我們可以改變“SYS STOP”這個子程序，使其程序中不再調“SFC46功能”，然后將修改的PLC程序下載到PLC中。重新啟PLC，機床正常啟動，故障排除。

故障產生原因分析：這個機床的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，不讓機床正常啟動。這不但需要通過PG應用STEP7軟件從中分析，還需要維修人員細致查找，耐心分析，大膽修改，才能解決問題。

5 結束語

本文從數控設備的組態出發，對西門子PLC-S7300的硬件模塊結構作了淺顯的介紹，對編程器的概念及其與數控機床的連接方式作了概括性表述。對組態相關概念和組態軟件在實際工作中的使用方法作了重點講解。組態與連接是實際維修排故的基礎。將編程器連接到機床后，使用STEP7組態軟件創建、編輯組態，再將編輯好的組態下載到數控機床中，在此基礎上，STEP7還可以實現對數控機床PLC監控的過程。在維修機床時能夠更加方便、快捷對硬件模塊工作狀態和連接情況進行觀察，以便作出正確的判斷。

[1]鄭曉峰.數控技術及應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]王愛玲.數控機床操作技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3]王愛玲.數控原理及數控系統[M].北京：機械工業出版社，2006.