某車銑中心系統(tǒng)死機(jī)故障的分析與維修

宓方瑋 黃賢超 王志鵬 董春強(qiáng)

(中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

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

1 故障現(xiàn)象

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

2 故障檢查及分析

2.1 機(jī)床配置說明

該車銑中心采用SINUMERIK840D 數(shù)控系統(tǒng)、SIMODRIVE611D 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、NCU573.46FC5357-0BB34-0AE0。其數(shù)控系統(tǒng)軟硬件配置見表1。

表1 數(shù)控系統(tǒng)軟硬件配置表

數(shù)控系統(tǒng)第一通道控制X、Y、Z、B、SP、C 等加工運(yùn)動(dòng)軸，第三通道控制Q1、Q2、Q3、Z1 等刀庫(kù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軸。

2.2 故障檢查與分析

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

上述報(bào)警是通訊網(wǎng)絡(luò)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(duì)MMC103 專用電源、+24 V 電源的檢查，上述電源無論是空載和帶負(fù)載的條件下工作都正常，電壓波動(dòng)在允許范圍內(nèi)，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(tái)沒有顯示器的計(jì)算機(jī)，配有硬盤，采用Windows95 操作系統(tǒng)，內(nèi)置操作軟件。MMC103 作為OPI上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過MPI 總線與NCU 交換信息。啟動(dòng)后自檢正常，進(jìn)入Windows 以及840D 系統(tǒng)的過程完整，沒有報(bào)警信息和中斷情況發(fā)生，LED 數(shù)碼管顯示數(shù)字為8，可以判斷MMC103 沒有故障。

第三，檢查NCU573.4:是SINUMERIK840D 的數(shù)控單元，NCU573.4 最大可控軸數(shù)為12，內(nèi)部集成了SINUMERIK840D 數(shù)控CPU 和SIMATIC PLC CPU 芯片，包括相應(yīng)的數(shù)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(dòng);檢查X101 所接的MCP、MMC、HHU、Distributor box、PLC、NCK、通訊電纜、電源模塊的設(shè)備總線、屏蔽線、OPI 網(wǎng)絡(luò)連接單元的終端電阻設(shè)置(始/終端單元終端電阻開關(guān)必須設(shè)置為ON，中間單元終端電阻開關(guān)設(shè)置為OFF)，沒有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤;PCMCIA 存儲(chǔ)卡與插槽連接正常;S3、S4 旋轉(zhuǎn)開關(guān)位置選擇均為“0“，正常;七段顯示H3 顯示數(shù)字為”6“正常;錯(cuò)誤和狀態(tài)顯示燈H1/H2 均為“+5 V”、“PR”綠燈點(diǎn)亮，正常;但是不能排除軟硬件存在故障的可能性，需進(jìn)一步檢查。

第四，檢查設(shè)置:當(dāng)MMC 中MPI/OPI 的地址設(shè)置與NCU 中的設(shè)置不一致時(shí)會(huì)導(dǎo)致MMC/NCU 之間的通訊無法建立。

由圖1 和圖2 的設(shè)置界面可以看出MPI/OPI 的地址設(shè)置與NCU 中的設(shè)置一致，其中機(jī)床廠家的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為2。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證通訊設(shè)置，將NCK 的地址設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)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(shí)PLC 地址就可以進(jìn)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(shè)置是正確的，改回原設(shè)置。

第五，檢查PLC 數(shù)據(jù):上面的檢查已經(jīng)證明硬件連接和地址設(shè)置沒有問題，現(xiàn)在要做的是驗(yàn)證是否由于PLC 程序部分損壞造成通訊失敗。

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

按下急停按鈕，通過NCU 上的S4 開關(guān)進(jìn)行PLC總清:將S4 開關(guān)由正常的0 位置撥至2，這時(shí)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(nèi)快速執(zhí)行下述操作2→3→2，這時(shí)PS 燈快閃;等PS 燈快閃結(jié)束，將S4 撥回0 位置，完成PLC總清。

PLC 總清后，進(jìn)行PLC 系列備份文件的回裝。但是安裝過程中出現(xiàn)“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(shù)據(jù):PLC 數(shù)據(jù)無法回裝，有可能NCK 數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題，需要對(duì)NCK 數(shù)據(jù)進(jìn)行重新安裝。(NCK 數(shù)據(jù)重裝后會(huì)導(dǎo)致機(jī)床伺服軸零點(diǎn)位置、換刀位置發(fā)生變化，今后需要對(duì)機(jī)床進(jìn)行初始化調(diào)試，恢復(fù)過程非常麻煩。)

按下急停按鈕，通過NCU 上的S3 開關(guān)進(jìn)行NCK總清:將S3 開關(guān)由正常的0 位置撥至1;按一下復(fù)位按鈕S1 或執(zhí)行NCK RESET;待NC 啟動(dòng)成功，7 段顯示碼顯示為6，再將S3 開關(guān)撥回正常的0 位置，這時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)4060 報(bào)警號(hào)“standard machine data loaded”，至此NCK 總清完成。

同時(shí)，再次總清PLC。

重啟后，120202 報(bào)警和PLC 通訊失敗等依然存在，回裝NCK 系列備份數(shù)據(jù)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(yàn)X122 口能否正常進(jìn)行PLC 通訊。啟動(dòng)機(jī)床，再啟動(dòng)STEP7 軟件，這時(shí)可以與NCU 的PLC 建立連接。再次總清PLC，將用STEP7 軟件備份的機(jī)床PLC 備份數(shù)據(jù)DOWN 下去，可以完成安裝，但是出現(xiàn)如下現(xiàn)象:NCU 上右列H2 的PLC 狀態(tài)PS 燈和PF 燈持續(xù)閃爍一段時(shí)間后熄滅，PR 燈開始不停閃爍。機(jī)床故障現(xiàn)象沒有發(fā)生改變。

至此我們判斷NCU 硬件可能出現(xiàn)了故障。

第八，更換NCU，重裝系統(tǒng):安裝上新的NCU 備件，總清NCK 和PLC，這時(shí)出現(xiàn)了如下現(xiàn)象:120202報(bào)警和PLC 通訊失敗消失，只有4060、2001、2140 報(bào)警(見圖3)，現(xiàn)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(shù)據(jù)安裝成功，操作面板鍵盤燈恢復(fù)正常顯示，然后進(jìn)行NCK 系列備份數(shù)據(jù)的回裝，回裝后，機(jī)床恢復(fù)了正常。

彈起急停按鈕，按下機(jī)床啟動(dòng)按鈕，但是機(jī)床啟動(dòng)后再次出現(xiàn)機(jī)床最開始的故障現(xiàn)象?？磥頇C(jī)床還存在其它故障。

第九，檢查OPI 數(shù)據(jù)總線:上述8 個(gè)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(shù)據(jù)總線或許存在問題。重新制作從NCUX101 接口到MMC 的MPI 數(shù)據(jù)總線，斷開原來的MPI 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)后，機(jī)床狀態(tài)與步驟八相同，彈起急停按鈕，按下機(jī)床啟動(dòng)按鈕，機(jī)床恢復(fù)正常狀態(tài)?；謴?fù)正常各電纜接線及機(jī)床正常工作狀態(tài)，反復(fù)多次啟動(dòng)機(jī)床，均沒有出現(xiàn)故障，至此機(jī)床貌似完全恢復(fù)了。

第十，檢查MPI 數(shù)據(jù)總線:第二天重新啟動(dòng)機(jī)床，準(zhǔn)備進(jìn)行初始化調(diào)試時(shí)，故障竟然又再次出現(xiàn)了。這非常令人困惑，一時(shí)間不知如何下手:新更換的OPI 數(shù)據(jù)總線電纜不應(yīng)該損壞，檢查各線纜接頭也沒發(fā)現(xiàn)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(jī)床又能夠正常啟動(dòng)，斷電后再次接上原電纜插頭，故障再次發(fā)生?，F(xiàn)在可以斷定，連接X122 接口的電纜線發(fā)生了短路故障!該機(jī)床的X122 接口的電纜線是連接到機(jī)床操作面板側(cè)面的一個(gè)9 芯插座，相當(dāng)于X122 接口的延長(zhǎng)線，用于連接外部PC 機(jī)進(jìn)行PLC 程序調(diào)試，平時(shí)沒有使用，斷開該接口對(duì)設(shè)備運(yùn)行沒有影響。

第十一，機(jī)床初始化調(diào)試:機(jī)床重裝系統(tǒng)后，由于各伺服軸使用的是絕對(duì)位置編碼器及光柵尺，刀庫(kù)、機(jī)械手、換刀位置、各伺服軸零點(diǎn)都會(huì)發(fā)生變化，機(jī)床安全集成就會(huì)限制各軸的動(dòng)作，必須進(jìn)行初始化設(shè)置和調(diào)試，機(jī)床才能正常使用，這個(gè)過程非常復(fù)雜，且與本次故障修理無關(guān)，本文不做論述。

初始化設(shè)置和調(diào)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(jī)床維修工作。

3 故障原因分析

3.1 OPI/MPI 總線原理簡(jiǎn)介

在SINUMERIK840D 數(shù)控系統(tǒng)中，各個(gè)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(diǎn)接口總線。OPI 總線接口與MPI 多點(diǎn)接口一樣，都屬于MPI 接口協(xié)議。只不過OPI 總線接口傳輸波特率為1.5 Mbit/s，最大電纜長(zhǎng)度200 m，而MPI 總線接口傳輸波特率為187.5 kbit/s，最大電纜長(zhǎng)度1000 m。在一個(gè)OPI/MPI 總線網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)操作部件都有一個(gè)節(jié)點(diǎn)地址，如本機(jī)床MMC 的地址就設(shè)定為2，這個(gè)節(jié)點(diǎn)地址通常不能修改，否則就會(huì)通訊失聯(lián)。

3.2 導(dǎo)致故障的原因

本次故障維修我們查到了3 個(gè)故障點(diǎn):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(xiàn)由于機(jī)床已經(jīng)使用了12 年，長(zhǎng)期經(jīng)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(xiàn)硬化和破損，在個(gè)別位置時(shí)裸露的銅線會(huì)接觸到坦克鏈外壁，出現(xiàn)局部短路，從而破壞了PLC通訊連接;機(jī)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(chǎn)生的沖擊破壞了系統(tǒng)的機(jī)床數(shù)據(jù)和PLC 數(shù)據(jù)，進(jìn)而造成NCU 內(nèi)部PLC 局部硬件電路的損壞。

3.3 故障的難點(diǎn)分析

故障的難點(diǎn)之一是NCU 的故障判斷:NCU 啟動(dòng)后的各項(xiàng)顯示燈均呈現(xiàn)為正常工作狀態(tài)，而目前NCU573.46FC5357-0BB34-0AA0 早已停產(chǎn)，購(gòu)買價(jià)格接近10 萬元，所以要慎重處理。

故障的難點(diǎn)之二是NCU 能夠通訊而PLC 通訊失敗，涉及軟硬件，故障時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，狀態(tài)時(shí)好時(shí)壞，給排查工作造成很大困難，也走了不少?gòu)澛贰?/p>

3.4 維修小技巧

在進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)操作時(shí)一定要把NCU 上的S4 開關(guān)撥至2 位置，使PLC 處于停止?fàn)顟B(tài)，否則容易出現(xiàn)安裝錯(cuò)誤。例如，在此次維修中就發(fā)現(xiàn)S4 開關(guān)處于正常運(yùn)行位置0，在進(jìn)行NCK 系列備份回裝時(shí)，會(huì)出現(xiàn)回裝到某個(gè)文件時(shí)出現(xiàn)中斷的現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)恢復(fù)操作的失敗。而S4 開關(guān)在2 位置上再進(jìn)行NCK 系列備份回裝操作就不會(huì)出現(xiàn)問題。這在SINUMERIK840D數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)資料中是查不到的。當(dāng)然這也不是絕對(duì)的，我們?cè)趯?duì)其它采用SINUMERIK840D 數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床進(jìn)行數(shù)據(jù)回裝時(shí)，S4 開關(guān)在0 位置上，沒有出現(xiàn)問題。

NCU 上的S4 開關(guān)撥至2 位置，使PLC 處于停止?fàn)顟B(tài)，目的是避免某些狀況下特別是控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)控設(shè)備，在數(shù)據(jù)回裝時(shí)PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用而導(dǎo)致的安裝錯(cuò)誤。

4 結(jié)語(yǔ)

該車銑中心系統(tǒng)死機(jī)故障這一維修案例為我們提供了如下的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn):對(duì)于這種隱藏很深的故障，在維修時(shí)，如果不注重對(duì)技術(shù)資料的研究和對(duì)技術(shù)原理進(jìn)行認(rèn)真理解和分析，只是通過表面現(xiàn)象去處理問題，很容易把自己陷入誤區(qū)，做費(fèi)很多無用功;另外一個(gè)方面說明該設(shè)備的布線工藝存在一定的問題，今后維護(hù)中需要引起足夠的注意。

此次維修我們從原理和實(shí)際現(xiàn)狀方面出發(fā)，逐條梳理可能導(dǎo)致故障的各種原因，熟練掌握了數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)回裝的方法以及機(jī)床初始化調(diào)試的技術(shù)手段，對(duì)這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)有了深入的了解。

［1］機(jī)床操作說明書［Z］.

［2］機(jī)床維修說明書［Z］.

［3］SINUMERIK840D 數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)說明書［Z］.