张赞 龚雪飞
【摘要】欧洲地区的进口设备,通常需要符合欧盟EN ISO 13849-1以及国际电工IEC 61508中的相关安全标准方可使用。西门子数控系统内置的安全集成功能(Safety Integrated,简称SI)可满足上述安全要求,因而被广泛使用。本文通过实际案例,对西门子安全集成功能的工作原理进行简要分析。
【关键词】进口机设备;安全集成功能;工作原理;
一、安全集成功能的原理
840D系统SI功能通过NCK和PLC两个通道,分别独立的采集两路信号,然后按照各自的SPL功能进行运算,实时交叉比较两个通道的信号状态。当两个通道中的变量比较结果出现不一致时,系统根据参数设定触发STOPs功能, 使机床根据不同的安全故障采用不同的停止响应等级,最后控制机床安全的停下来。
二、840D系统安全集成的信号流程
安全集成功能是欧盟针对所有机械设备强制安装的安全控制功能。第一代安全信号采集方式是通过DMP模块送到NCK,来实现安全信号的快速输入输出。安全集成信号流程如下:
NCK外圍输入(DMP模块)->MD10390($A_INSE)->NCK SPL-> MD36970-36979 ($A_OUTSI)->SGE
SGA->MD36980-36990($A_INSI)->NCK SPL->MD10392($A_OUTSE) ->NCK I/O 外围输出(DMP模块)
三、PL(Safe programmable logic)功能简介
SPL(Safe programmable logic)就是可编程的安全逻辑,SPL包括NCK SPL和PLC SPL两个部分。NCK 和PLC的SPL通过NCK和PLC各自独立的CPU进行运算,两个SPL实现相同的功能,通过循环交叉检查、比较、监控安全相关的内部状态信号,如$A_INSE[P]、$A_OUTSI[P]、$A_INSI[P]、$A_OUTSE[P]、$A_MARKERSI[P]等。
四、案例分析
设备在启动后,按“reset”键系统执行“test stop”测试,随后机床报警,如下:
27090:error in check NCK-PLC, DMP31. 0 bit05 =$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
机床无法通过安全测试,无法使用,通过报警可以初步判断,该报警是安全集成系统故障产生。
首先,在HMI界面“诊断”--“服务显示”窗口发现,第5和8轴的脉冲使能(663驱动准备)亮黄灯,驱动准备亮黄灯。大致确定是B轴和E2轴共用的双轴控制模块或者伺服模块等相关部件有问题导致的故障。通过查找安全集成手册和机床电气图确认,DMP31.02 bit 05对应的是DMP模块输入点2E6,线号是40305,为B轴轴控板X431插头的AS1触点。OUTSE(3)对应的是DMP模块输出点1A3,线号60103,为B轴轴控板X431插头的663点,控制轴控板内部线圈。
由于机床设计有特殊的A/B/C三个机器人轴,冒然更换轴控板可能会丢失三个轴的坐标位置,影响三个轴的机械零点状态。稳妥起见,在做好系统备份以后,先更换B/E2轴伺服模块,但是试机后故障依旧。
过查看NC与PLC安全信号地址对照表,可知报警中几个点位与PLC的接口信号对应关系如下:
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轴删除nck脉冲
A DB38.DBX108.2 E2轴删除nck脉冲
=“SPL”.INSEP22 DB18. DBX40.5 取消B轴AS1/2使能
=“SPL”.OUTSIP9 DB18.DBX63.0 删除B轴脉冲使能
NOT
=“SPL”.OUTSEP3 DB18.DBX46.2 取消B轴663使能
=“SPL”.INSIP7 DB18.DBX54.6 取消B轴脉冲使能
查看NCK.SPL程序如下:
DEFINE IMP_DIS_AS1_2_A56 AS $A_INSE(22)定义AS1触点
DEFINE ABIL_IMP_A56 AS $A_OUTSE(3)定义663使能
DEFINE IMP_CANC_56 AS $A_INSI(7) 定义B轴使能
DEFINE IMP_DIS_A56 AS $A_OUTSI(9)定义B轴脉冲
N74 IDS=24 DO ABIL_IMP_A56 = IMP_CANC_56
N75 IDS=25 DO IMP_DIS_A56 = IMP_DIS_AS1_2_A56
通过研究PLC.SPL和NCK.SPL的逻辑可以发现,机床报警的原因是由于B/E2轴的NCK内部信号DBX108.2状态错误导致。
通过HMI界面“诊断”--“PLC状态”监控B/E2轴的DBX108.2信号发现该信号一直为1,其他轴的状态为0。
通过查看安全集成调试手册可知DB3*.DBX108.2的定义是:通过外部电路删除脉冲。因此故障的原因可能是AS1/AS2/663线路接触不良导致DMP模块信号输入输出错误或者轴控板内部故障。
检查各连线,模块插头,确认无异常。于是将B/E2轴与第3/4轴(Z/A轴)的轴控板调换后试机,同样的故障转移到了Z/A轴上。将轴控板再换回B/E2轴,故障还原。因此,可以确定故障是轴控板损坏导致。更换新的轴控板后故障解除。
五、小结:
通过这次故障的处理,深入学习了西门子系统安全集成的相关知识,进一步熟悉了安全集成中NCK.SPL与PLC.SPL的编程方法和控制逻辑,对该机床的电气结构重新梳理了一遍,增加了对机床特性的认识深度。为以后处理类似故障积累了大量的经验,同时也极大提高该类故障的处理效率。
参考文献:
【1】西门子. SPL编程[J].SINUMERIK 840D安全集成简明调试手册,2013.12 :4.1-5.5;
【2】张立群,张义红. 西门子840DSL数控系统安全集成的研究与应用[J]. 中国设备工程,2017(07):