西門子系統安全集成報警故障分析與處理

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）：