某車銑中心系統死機故障的分析與維修

宓方瑋 黃賢超 王志鵬 董春強

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

成都某公司2002 年進口某車銑中心，2014 年4 月1 日在加工過程中出現顯示屏亂顯、鍵盤燈閃爍的故障，系統死機。筆者在接到該公司的維修請求后，通過對機床狀態(tài)和技術資料的深入分析，在較短時間內查明故障原因，并恢復了機床功能，受到使用單位高度好評。

1 故障現象

機床在加工過程中出現顯示屏亂顯、鍵盤燈閃爍的故障，系統死機，機床重啟后操作面板鍵盤燈恢復正常顯示，但是報警有120202“wait for connection to NC/PLC”以及“PLC 通訊失敗”等信息，機床無法操作。

2 故障檢查及分析

2.1 機床配置說明

該車銑中心采用SINUMERIK840D 數控系統、SIMODRIVE611D 驅動系統、NCU573.46FC5357-0BB34-0AE0。其數控系統軟硬件配置見表1。

表1 數控系統軟硬件配置表

數控系統第一通道控制X、Y、Z、B、SP、C 等加工運動軸，第三通道控制Q1、Q2、Q3、Z1 等刀庫系統運動軸。

2.2 故障檢查與分析

從報警信息看主要有急停報警、120202 報警和PLC 通訊失敗等，其他報警屬于附帶報警可以不考慮。查看PLC 輸入輸出狀態(tài)時的顯示都是“#”號，這就表明PLC 沒有通訊。

上述報警是通訊網絡的故障，排除過程涉及軟硬件，需要逐一梳理。

第一，檢查工作電源:通過對MMC103 專用電源、+24 V 電源的檢查，上述電源無論是空載和帶負載的條件下工作都正常，電壓波動在允許范圍內，可以判斷工作電源沒有故障。

第二，檢查MMC103:MMC103 操作面板控制單元是一臺沒有顯示器的計算機，配有硬盤，采用Windows95 操作系統，內置操作軟件。MMC103 作為OPI上的一個節(jié)點，通過MPI 總線與NCU 交換信息。啟動后自檢正常，進入Windows 以及840D 系統的過程完整，沒有報警信息和中斷情況發(fā)生，LED 數碼管顯示數字為8，可以判斷MMC103 沒有故障。

第三，檢查NCU573.4:是SINUMERIK840D 的數控單元，NCU573.4 最大可控軸數為12，內部集成了SINUMERIK840D 數控CPU 和SIMATIC PLC CPU 芯片，包括相應的數控軟件和PLC 控制軟件。檢查X101、X102、X111、X121、X122、X103A、X172 等電纜插頭，連接正常，沒有松動;檢查X101 所接的MCP、MMC、HHU、Distributor box、PLC、NCK、通訊電纜、電源模塊的設備總線、屏蔽線、OPI 網絡連接單元的終端電阻設置(始/終端單元終端電阻開關必須設置為ON，中間單元終端電阻開關設置為OFF)，沒有發(fā)現錯誤;PCMCIA 存儲卡與插槽連接正常;S3、S4 旋轉開關位置選擇均為“0“，正常;七段顯示H3 顯示數字為”6“正常;錯誤和狀態(tài)顯示燈H1/H2 均為“+5 V”、“PR”綠燈點亮，正常;但是不能排除軟硬件存在故障的可能性，需進一步檢查。

第四，檢查設置:當MMC 中MPI/OPI 的地址設置與NCU 中的設置不一致時會導致MMC/NCU 之間的通訊無法建立。

由圖1 和圖2 的設置界面可以看出MPI/OPI 的地址設置與NCU 中的設置一致，其中機床廠家的標準設置為2。

為了進一步驗證通訊設置，將NCK 的地址設置為標準地址13，重啟后故障依舊;再將圖1 中的BUS 改為MPI(波特率為187.5 kbit/s)，NCK 地址改為2，這時PLC 地址就可以進行更改了，改為3，圖2 中的NCK地址改為2，重啟后還是無法建立通訊。

這就說明原來的通訊設置是正確的，改回原設置。

第五，檢查PLC 數據:上面的檢查已經證明硬件連接和地址設置沒有問題，現在要做的是驗證是否由于PLC 程序部分損壞造成通訊失敗。

從NCU 錯誤和狀態(tài)顯示燈H1/H2 均為“+5V”、“PR”綠燈點亮，以及鍵盤燈正常顯示的現象來看NCK 能夠通訊，PLC 處于運行狀態(tài)，基本程序成功調用了FC19 模塊，MCP 可以使用。

按下急停按鈕，通過NCU 上的S4 開關進行PLC總清:將S4 開關由正常的0 位置撥至2，這時PS 燈亮;然后再撥至3，保持3 s，等待PS 燈慢閃2 次;在3 s內快速執(zhí)行下述操作2→3→2，這時PS 燈快閃;等PS 燈快閃結束，將S4 撥回0 位置，完成PLC總清。

PLC 總清后，進行PLC 系列備份文件的回裝。但是安裝過程中出現“NO PLC MEMORY ENOUGH”的信息，回裝失敗。依然建立不了通訊，鍵盤燈閃爍。

第六，檢查NCK 數據:PLC 數據無法回裝，有可能NCK 數據出現問題，需要對NCK 數據進行重新安裝。(NCK 數據重裝后會導致機床伺服軸零點位置、換刀位置發(fā)生變化，今后需要對機床進行初始化調試，恢復過程非常麻煩。)

按下急停按鈕，通過NCU 上的S3 開關進行NCK總清:將S3 開關由正常的0 位置撥至1;按一下復位按鈕S1 或執(zhí)行NCK RESET;待NC 啟動成功，7 段顯示碼顯示為6，再將S3 開關撥回正常的0 位置，這時系統出現4060 報警號“standard machine data loaded”，至此NCK 總清完成。

同時，再次總清PLC。

重啟后，120202 報警和PLC 通訊失敗等依然存在，回裝NCK 系列備份數據成功，但PLC 系列備份文件的回裝依然失敗。

第七，用STEP7 軟件檢查NCU:斷開原X122 電纜接頭，使用筆記本電腦，通過X122 接口與NCU 連接，這樣做的目的是利用SEOP7 軟件檢驗X122 口能否正常進行PLC 通訊。啟動機床，再啟動STEP7 軟件，這時可以與NCU 的PLC 建立連接。再次總清PLC，將用STEP7 軟件備份的機床PLC 備份數據DOWN 下去，可以完成安裝，但是出現如下現象:NCU 上右列H2 的PLC 狀態(tài)PS 燈和PF 燈持續(xù)閃爍一段時間后熄滅，PR 燈開始不停閃爍。機床故障現象沒有發(fā)生改變。

至此我們判斷NCU 硬件可能出現了故障。

第八，更換NCU，重裝系統:安裝上新的NCU 備件，總清NCK 和PLC，這時出現了如下現象:120202報警和PLC 通訊失敗消失，只有4060、2001、2140 報警(見圖3)，現象發(fā)生了變化，這說明我們的判斷是正確的。更換新的NCU 后，MMC 和NCU 建立起了PLC 通訊。重新按照第七步的步驟執(zhí)行，PLC 備份數據安裝成功，操作面板鍵盤燈恢復正常顯示，然后進行NCK 系列備份數據的回裝，回裝后，機床恢復了正常。

彈起急停按鈕，按下機床啟動按鈕，但是機床啟動后再次出現機床最開始的故障現象。看來機床還存在其它故障。

第九，檢查OPI 數據總線:上述8 個步驟的檢查，涉及全部的軟硬件，期間排除了NCU 故障，目前唯一的可能性就只有OPI 數據總線或許存在問題。重新制作從NCUX101 接口到MMC 的MPI 數據總線，斷開原來的MPI 數據總線接頭，接上新線，總清NCK、PLC，重新回裝備份的NCK 和PLC 系列備份數據后，機床狀態(tài)與步驟八相同，彈起急停按鈕，按下機床啟動按鈕，機床恢復正常狀態(tài)。恢復正常各電纜接線及機床正常工作狀態(tài)，反復多次啟動機床，均沒有出現故障，至此機床貌似完全恢復了。

第十，檢查MPI 數據總線:第二天重新啟動機床，準備進行初始化調試時，故障竟然又再次出現了。這非常令人困惑，一時間不知如何下手:新更換的OPI 數據總線電纜不應該損壞，檢查各線纜接頭也沒發(fā)現問題。斷開X122 電纜接頭，接上筆記本電腦，用STEP7檢查PLC 通訊，通電后，機床又能夠正常啟動，斷電后再次接上原電纜插頭，故障再次發(fā)生。現在可以斷定，連接X122 接口的電纜線發(fā)生了短路故障!該機床的X122 接口的電纜線是連接到機床操作面板側面的一個9 芯插座，相當于X122 接口的延長線，用于連接外部PC 機進行PLC 程序調試，平時沒有使用，斷開該接口對設備運行沒有影響。

第十一，機床初始化調試:機床重裝系統后，由于各伺服軸使用的是絕對位置編碼器及光柵尺，刀庫、機械手、換刀位置、各伺服軸零點都會發(fā)生變化，機床安全集成就會限制各軸的動作，必須進行初始化設置和調試，機床才能正常使用，這個過程非常復雜，且與本次故障修理無關，本文不做論述。

初始化設置和調試完成后，重新穿線，替換原來的X101 的MPI 電纜線和X122 的PG-MPI 電纜線，至此完成機床維修工作。

3 故障原因分析

3.1 OPI/MPI 總線原理簡介

在SINUMERIK840D 數控系統中，各個操作部件與NCU 的連接可以通過OPI 總線接口，也可以通過MPI 多點接口總線。OPI 總線接口與MPI 多點接口一樣，都屬于MPI 接口協議。只不過OPI 總線接口傳輸波特率為1.5 Mbit/s，最大電纜長度200 m，而MPI 總線接口傳輸波特率為187.5 kbit/s，最大電纜長度1000 m。在一個OPI/MPI 總線網絡中每個操作部件都有一個節(jié)點地址，如本機床MMC 的地址就設定為2，這個節(jié)點地址通常不能修改，否則就會通訊失聯。

3.2 導致故障的原因

本次故障維修我們查到了3 個故障點:NCU 板卡、OPI 電纜線和PG-MPI 電纜線。從替換下來的OPI 電纜線和PG-MPI 電纜線上發(fā)現由于機床已經使用了12 年，長期經受泄漏的油液侵蝕、切屑造成的損傷，拖鏈的擠壓磨損等原因，OPI 電纜線和PG-MPI電纜線均出現硬化和破損，在個別位置時裸露的銅線會接觸到坦克鏈外壁，出現局部短路，從而破壞了PLC通訊連接;機床在正常工作情況下，通訊總線電纜線局部短路造成PLC 通訊的中斷，產生的沖擊破壞了系統的機床數據和PLC 數據，進而造成NCU 內部PLC 局部硬件電路的損壞。

3.3 故障的難點分析

故障的難點之一是NCU 的故障判斷:NCU 啟動后的各項顯示燈均呈現為正常工作狀態(tài)，而目前NCU573.46FC5357-0BB34-0AA0 早已停產，購買價格接近10 萬元，所以要慎重處理。

故障的難點之二是NCU 能夠通訊而PLC 通訊失敗，涉及軟硬件，故障時隱時現，狀態(tài)時好時壞，給排查工作造成很大困難，也走了不少彎路。

3.4 維修小技巧

在進行數據恢復操作時一定要把NCU 上的S4 開關撥至2 位置，使PLC 處于停止狀態(tài)，否則容易出現安裝錯誤。例如，在此次維修中就發(fā)現S4 開關處于正常運行位置0，在進行NCK 系列備份回裝時，會出現回裝到某個文件時出現中斷的現象，導致數據恢復操作的失敗。而S4 開關在2 位置上再進行NCK 系列備份回裝操作就不會出現問題。這在SINUMERIK840D數控系統技術資料中是查不到的。當然這也不是絕對的，我們在對其它采用SINUMERIK840D 數控系統機床進行數據回裝時，S4 開關在0 位置上，沒有出現問題。

NCU 上的S4 開關撥至2 位置，使PLC 處于停止狀態(tài)，目的是避免某些狀況下特別是控制結構復雜的數控設備，在數據回裝時PLC 進行數據調用而導致的安裝錯誤。

4 結語

該車銑中心系統死機故障這一維修案例為我們提供了如下的經驗教訓:對于這種隱藏很深的故障，在維修時，如果不注重對技術資料的研究和對技術原理進行認真理解和分析，只是通過表面現象去處理問題，很容易把自己陷入誤區(qū)，做費很多無用功;另外一個方面說明該設備的布線工藝存在一定的問題，今后維護中需要引起足夠的注意。

此次維修我們從原理和實際現狀方面出發(fā)，逐條梳理可能導致故障的各種原因，熟練掌握了數控系統數據回裝的方法以及機床初始化調試的技術手段，對這種復雜結構數控系統有了深入的了解。

［1］機床操作說明書［Z］.

［2］機床維修說明書［Z］.

［3］SINUMERIK840D 數控系統參數說明書［Z］.