張贊 龔雪飛
【摘要】歐洲地區的進口設備,通常需要符合歐盟EN ISO 13849-1以及國際電工IEC 61508中的相關安全標準方可使用。西門子數控系統內置的安全集成功能(Safety Integrated,簡稱SI)可滿足上述安全要求,因而被廣泛使用。本文通過實際案例,對西門子安全集成功能的工作原理進行簡要分析。
【關鍵詞】進口機設備;安全集成功能;工作原理;
一、安全集成功能的原理
840D系統SI功能通過NCK和PLC兩個通道,分別獨立的采集兩路信號,然后按照各自的SPL功能進行運算,實時交叉比較兩個通道的信號狀態。當兩個通道中的變量比較結果出現不一致時,系統根據參數設定觸發STOPs功能, 使機床根據不同的安全故障采用不同的停止響應等級,最后控制機床安全的停下來。
二、840D系統安全集成的信號流程
安全集成功能是歐盟針對所有機械設備強制安裝的安全控制功能。第一代安全信號采集方式是通過DMP模塊送到NCK,來實現安全信號的快速輸入輸出。安全集成信號流程如下:
NCK外圍輸入(DMP模塊)->MD10390($A_INSE)->NCK SPL-> MD36970-36979 ($A_OUTSI)->SGE
SGA->MD36980-36990($A_INSI)->NCK SPL->MD10392($A_OUTSE) ->NCK I/O 外圍輸出(DMP模塊)
三、PL(Safe programmable logic)功能簡介
SPL(Safe programmable logic)就是可編程的安全邏輯,SPL包括NCK SPL和PLC SPL兩個部分。NCK 和PLC的SPL通過NCK和PLC各自獨立的CPU進行運算,兩個SPL實現相同的功能,通過循環交叉檢查、比較、監控安全相關的內部狀態信號,如$A_INSE[P]、$A_OUTSI[P]、$A_INSI[P]、$A_OUTSE[P]、$A_MARKERSI[P]等。
四、案例分析
設備在啟動后,按“reset”鍵系統執行“test stop”測試,隨后機床報警,如下:
27090:error in check NCK-PLC, DMP31. 0 bit05 =$A_INSE(22). NCK:0
27090:error in check NCK-PLC,$A_OUTSE(3),NCK:1
27090:error in check NCK-PLC,$A_INSI(7),NCK:1
27090:error in check NCK-PLC,$A_OUTSI(9),NCK:0
27021:AXIS X/Y/Z/A/B/C stop D triggered
機床無法通過安全測試,無法使用,通過報警可以初步判斷,該報警是安全集成系統故障產生。
首先,在HMI界面“診斷”--“服務顯示”窗口發現,第5和8軸的脈沖使能(663驅動準備)亮黃燈,驅動準備亮黃燈。大致確定是B軸和E2軸共用的雙軸控制模塊或者伺服模塊等相關部件有問題導致的故障。通過查找安全集成手冊和機床電氣圖確認,DMP31.02 bit 05對應的是DMP模塊輸入點2E6,線號是40305,為B軸軸控板X431插頭的AS1觸點。OUTSE(3)對應的是DMP模塊輸出點1A3,線號60103,為B軸軸控板X431插頭的663點,控制軸控板內部線圈。
由于機床設計有特殊的A/B/C三個機器人軸,冒然更換軸控板可能會丟失三個軸的坐標位置,影響三個軸的機械零點狀態。穩妥起見,在做好系統備份以后,先更換B/E2軸伺服模塊,但是試機后故障依舊。
過查看NC與PLC安全信號地址對照表,可知報警中幾個點位與PLC的接口信號對應關系如下:
INSE(22)--INSEP(22)--DB18.DBX40.5
OUTSI(9)--OUTSIP(9)--DB18.DBX63.0
OUTSE(3)--OUTSEP(3)--DB18.DBX46.2
INSI(7) --INSIP(3)-- DB18.DBX54.6
然后查看PLC.SPL程序如下:
A? DB35.DBX108.2??? B軸刪除nck脈沖
A? DB38.DBX108.2??? E2軸刪除nck脈沖
=“SPL”.INSEP22??? DB18. DBX40.5?? 取消B軸AS1/2使能
=“SPL”.OUTSIP9??? DB18.DBX63.0???? 刪除B軸脈沖使能
NOT
=“SPL”.OUTSEP3??? DB18.DBX46.2???? 取消B軸663使能
=“SPL”.INSIP7???? DB18.DBX54.6???? 取消B軸脈沖使能
查看NCK.SPL程序如下:
DEFINE IMP_DIS_AS1_2_A56?? AS ?$A_INSE(22)定義AS1觸點
DEFINE ABIL_IMP_A56??????? AS? $A_OUTSE(3)定義663使能
DEFINE IMP_CANC_56???????? AS? $A_INSI(7) 定義B軸使能
DEFINE IMP_DIS_A56???????? AS? $A_OUTSI(9)定義B軸脈沖
N74 IDS=24 DO ABIL_IMP_A56 = IMP_CANC_56
N75 IDS=25 DO IMP_DIS_A56 = IMP_DIS_AS1_2_A56
通過研究PLC.SPL和NCK.SPL的邏輯可以發現,機床報警的原因是由于B/E2軸的NCK內部信號DBX108.2狀態錯誤導致。
通過HMI界面“診斷”--“PLC狀態”監控B/E2軸的DBX108.2信號發現該信號一直為1,其他軸的狀態為0。
通過查看安全集成調試手冊可知DB3*.DBX108.2的定義是:通過外部電路刪除脈沖。因此故障的原因可能是AS1/AS2/663線路接觸不良導致DMP模塊信號輸入輸出錯誤或者軸控板內部故障。
檢查各連線,模塊插頭,確認無異常。于是將B/E2軸與第3/4軸(Z/A軸)的軸控板調換后試機,同樣的故障轉移到了Z/A軸上。將軸控板再換回B/E2軸,故障還原。因此,可以確定故障是軸控板損壞導致。更換新的軸控板后故障解除。
五、小結:
通過這次故障的處理,深入學習了西門子系統安全集成的相關知識,進一步熟悉了安全集成中NCK.SPL與PLC.SPL的編程方法和控制邏輯,對該機床的電氣結構重新梳理了一遍,增加了對機床特性的認識深度。為以后處理類似故障積累了大量的經驗,同時也極大提高該類故障的處理效率。
參考文獻:
【1】西門子. SPL編程[J].SINUMERIK 840D安全集成簡明調試手冊,2013.12 :4.1-5.5;
【2】張立群,張義紅. 西門子840DSL數控系統安全集成的研究與應用[J]. 中國設備工程,2017(07):