西门子系统组态与诊断实例

迟 海，张凤姣

（1.中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110044；2.沈阳三洋球罐有限公司，辽宁 沈阳 110044）

近年来，随着计算机技术、自动控制技术及现代制造技术的迅速发展，数控系统已由继电器、接触器硬接线的常规控制，转向以计算机为核心的软件控制，PLC和CNC系统，是典型的现代电气控制装置。PLC的机型很多，但其基本结构、原理相同，基本功能、指令系统及编程方法类似。因此，从实际应用出发，选择了当今最具特色的西门子840D系统作为背景机型，使用STEP7??5.6版编程软件，针对840D系统工作方式、PLC编程方法及应用技巧进行研究，并以工程应用为实训目标，从硬件的实际连接到软件的可编程调试出发，结合实际工程遇到的故障问题，应用STEP7软件加以分析解决。

1 SINUMERIK 840D数控系统简介

SINUMERIK 840D是西门子公司20世纪90年代推出的高性能数控系统，保持西门子前两代系统SINUMERIK 880和840C的3 CPU结构：人机通信CPU（MMC—CPU）、数字控制CPU（NC—CPU）和可编程控制器（PLC—CPU）。

该3部分在功能上，既相互分工又互为支持。NC—CPU和PLC—CPU在物理结构上合为一体，合成在数字控制单元NCU（Numerical Control Unit）中，但是在逻辑功能上相互独立。

相对于前几代系统，SINUMERIK840D具有以下几个特点：

（1）数字化驱动。在SINUMERIK 840D中数控和驱动的接口信号是数字量，通过驱动总线接口挂接各轴驱动模块。

（2）轴控规模大。最多可以配31个轴，其中可配10个主轴。

（3）可以实现五轴联动。SINUMERIK 840D可以实现X、Y、Z、A、B五轴的联动加工，任何三维空间曲面都可以加工。

（4）操作系统视窗化。SINUMERIK 840D采用Windows95作为操作平台，使操作简单灵活，易掌握。

（5）软件内容丰富、功能强大。SINUMERIK 840D可以实现加工（Machine）、参数（Parameter）、服务（Services）及安装启动（Start—Up）等几大软件功能。

（6）具有远程诊断功能。如现场用PC适配器、MODEM卡、通过电话线实现SINUMERIK 840D与异域PC机通信，完成修改PLC程序和监控机床状态等远程诊断功能。

（7）模块化设计。SINUMERIK 840D的软硬件系统，根据功能和作用划分为不同的功能模块，使系统连接更加简单。

（8）内装大容量的PLC系统。SINUMERIK 840D数控系统内装PLC最大可以配2048个输入和2048个输出，而且采用了Profibus现场总线和MPI多点接口通信协议，大大减少了现场布局。

（9）PC化。SINUMERIK 840D数控系统是一个基于PC的数控系统。

2 PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为3个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新阶段。完成上述3个阶段，称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。

一般西门子PLC分为S7 200系列、S7 300系列、S7 400系列。本文应用西门子S7 300系列。相比较S7 200，S7 300针对的是中小系统，其模块可以扩展多达32个，背板总线也在模块内集成，网络连接已比较成熟和流行，有MPI（多点接口）、PROFIBUS和工业以太网，使通讯和编程变的简单和多选性，并可以借助于HW Config工具可以进行组态和设置参数。本文着重介绍S7 300。

3 模块组态与连接

组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过程。

设定组态，包括带有需要模块和相关参数的硬件站。根据设定组态PLC系统被装配起来，在调试的时候，把设定的组态下载到CPU中。

实际组态，指已存在的实际组态和参数分配，一般是在已装配的系统中，从PLC的CPU中读出来的。

3.1 组态过程

插入站。新建一个项目（PROJECT），通过选择菜单Insert→Station→SIMATIC300 Station or SIMATIC 400 Station可以在当前项目下插入一个新站。自动为该站分配一个名称SIMATIC 300（1），以后可以修改。

启动硬件组态。在SIMATIC管理器中选择硬件站双击OPEN即可，我们同时可以打开硬件目录——VIEW-CATALOG，如果选择标准硬件目录库，它会提供所有的机架、模块和接口模块。

产生硬件组态。指的是指定模块如何在机架中摆放，这个指定的组态可以作为设定组态。

（1）机架。在硬件目录中打开一个SIMATIC300站的RACK-300，双击或拖到左边窗口。这样在左边的窗口中就出现两个机架表：上面的部分显示一个简表，下面的部分显示带有定货号、MPI地址和I/O地址的详细信息。

（2）电源。如果需要装入电源，双击或拖拉目录中的“PS-300”模块，放到表中的1号槽位上。

（3）CPU。从“CPU-300”的目录中选择CPU，把它出入2号槽位。

（4）3号槽。3号槽位为接口模块保留。在实际配置中，如果这个位置要保留以后安装接口模块，在安装时就必须插入1个占位模块DM370。

（5）信号模块。从4号槽位开始可以插入最多8个信号模块（SM）、通讯处理器（CP）或功能模块（FM）。选择槽位，然后双击目录中需要插入的模块，可以把模块插入表中。利用拖拉可以在表中任何位置插入模块。

3.2 分配参数

CPU属性包括：

（1）通用属性General。主要提供模块的类型，位置和MPI地址—如果要把数个PLC通过MPI接口组成网络，每个CPU分配不同的MPI地址。

（2）启动项目START UP。

3.3 保存组态

在以上硬件组态和参数分配好后，对编辑好的组态进行保存。

保存操作——选择菜单Station→Save，保存当前项目的当前组态（不产生系统数据块）。

4 应用Step 7诊断机床故障

4.1 故障实例1

浙江日发RF1700数控铣床，系统为西门子840D，机床一次上电后，机床控制面板上所有的灯一直在闪烁，系统无法进入操作界面。

针对上述故障现象，将PG连接到机床上，启动PG、机床，然后在PG上运行STEP7软件，上载机床PLC程序。在STEP7软件主菜单选择PLC中的module information菜单（诊断菜单）。用这个菜单来诊断PLC运行状态。发现PLC中CPU处于停机状态，然后，检查PLC程序中OB1块是空的，用原来的备份将其恢复后，启动机床，故障现象依旧。为了查找原因，使用PG将另一台同型号机床中PLC程序拷贝出来，与该机床的PLC程序内容进行比较，通过STEP 7诊断提示，这台机床PLC程序里FC30中，缺少DB35块，导致了PLC不能启动。将同型号的机床PLC程序里FC30中的DB35块，拷贝并下载到此机床PLC程序中后，再次启动PLC，PLC正常启动，此故障排除。

故障产生原因分析：

（1）数控机床中的PLC程序，经常是由电池保存，如果电池不足，会导致在机床断电后PLC程序丢失。这种情况下，机床会产生相应的电池电压低报警，出现这样报警时，就要及时更换PLC电池。

（2）机床在加工过程中突然断电，导致PLC程序在瞬间丢失。这种情况也很常见，所以就要正确地开关机床。

4.2 故障实例2

310DK数控蠕动磨床，西门子FM-NC（840D简化版），机床在加工工件时，突然黑屏，PLC停止工作。

针对上述故障现象，将PG连接到机床上面，然后在STEP7软件主菜单选择PLC中的module information菜单，从中发现PLC中的CPU状态已停止。在诊断方式下，检查到PLC中“FC49功能”出现问题，导致CPU停止工作。然后，打开“FC49功能”，查看里面的程序，用STEP 7软件观察，发现当PLC运行到一段“SYS STOP”的子程序时，PLC中断。这个程序调用了西门子内部的“SFC46功能”，其程序源代码保密，所以无法分析“SFC46”功能内部程序。不过，我们可以改变“SYS STOP”这个子程序，使其程序中不再调“SFC46功能”，然后将修改的PLC程序下载到PLC中。重新启PLC，机床正常启动，故障排除。

故障产生原因分析：这个机床的PLC程序是改造后的程序，里面的大部分OB、FC、FB均已上锁，对于查找方面维修方面带来很多困难。编写PLC的编程人员故意将编写了“SYS STOP”程序来锁定系统，不让机床正常启动。这不但需要通过PG应用STEP7软件从中分析，还需要维修人员细致查找，耐心分析，大胆修改，才能解决问题。

5 结束语

本文从数控设备的组态出发，对西门子PLC-S7300的硬件模块结构作了浅显的介绍，对编程器的概念及其与数控机床的连接方式作了概括性表述。对组态相关概念和组态软件在实际工作中的使用方法作了重点讲解。组态与连接是实际维修排故的基础。将编程器连接到机床后，使用STEP7组态软件创建、编辑组态，再将编辑好的组态下载到数控机床中，在此基础上，STEP7还可以实现对数控机床PLC监控的过程。在维修机床时能够更加方便、快捷对硬件模块工作状态和连接情况进行观察，以便作出正确的判断。

[1]郑晓峰.数控技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]王爱玲.数控机床操作技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3]王爱玲.数控原理及数控系统[M].北京：机械工业出版社，2006.