SIEMENS系统的故障诊断与维修.doc

蚆羇肃莀薂羆膅膃蒈羅袅莈蒄羄肇芁螃羄腿蒇虿羃节艿薅羂羁蒅蒁羁肄芈螀肀膆蒃蚆聿芈芆薂肈羈蒁薇蚅膀莄蒃蚄芃薀螂蚃羂莃蚈蚂肄薈薄蚂膇莁蒀螁艿膄蝿螀罿荿蚅蝿肁膂蚁螈芃蒇薇螇羃芀蒃螆肅蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃袄羀芇葿袃肂蒂莅袂芄芅螄袁羄薁蚀袀肆莃薆袀腿蕿蒂衿芁莂螀袈羀膅蚆羇肃莀薂羆膅膃蒈羅袅莈蒄羄肇芁螃羄腿蒇虿羃节艿薅羂羁蒅蒁羁肄芈螀肀膆蒃蚆聿芈芆薂肈羈蒁薇蚅膀莄蒃蚄芃薀螂蚃羂莃蚈蚂肄薈薄蚂膇莁蒀螁艿膄蝿螀罿荿蚅蝿肁膂蚁螈芃蒇薇螇羃芀蒃螆肅蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃袄羀芇葿袃肂蒂莅袂芄芅螄袁羄薁蚀袀肆莃薆袀腿蕿蒂衿芁莂螀袈羀膅蚆羇肃莀薂羆膅膃蒈羅袅莈蒄羄肇芁螃羄腿蒇虿羃节艿薅羂羁蒅蒁羁肄芈螀肀膆蒃蚆聿芈芆薂肈羈蒁薇蚅膀莄蒃蚄芃薀螂蚃羂莃蚈蚂肄薈薄蚂膇莁蒀螁艿膄蝿螀罿荿蚅蝿肁膂蚁螈芃蒇薇螇羃芀蒃螆肅蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃袄羀芇葿袃肂蒂莅袂芄芅螄袁羄薁蚀袀肆莃薆袀腿蕿蒂衿芁莂螀袈羀膅蚆羇肃莀薂羆膅膃蒈羅袅莈蒄羄肇芁螃羄腿蒇虿羃节艿薅羂羁蒅蒁羁肄芈螀肀膆 SIEMENS系统的故障诊断与维修3.2.1 硬件故障的诊断 SIEMENS系统的硬件特点是模块少、整体结构简单，用户一般无需调整，硬件的可靠性较高。系统硬件故障时，通常情况下，需要对模块进行检测与维修，且应具备一定的测试条件、工装和相应的维修器件。因此，现场维修时，一般只要求能够根据模块的功能结合故障现象，判断、查找出发生故障的模块，进行备件替换。当CPU或存储器等模块更换后，还需要重新进行数据的输入和系统的初始化调整，使系统恢复正常工作。 以810/820系统为例，硬件故障的一般检查方法如下，其他系统的故障诊断方法与此类似。 1电源模块的故障诊断 SIEMENS 810与820系统电源模块的区别仅在于输入电压不同，模块的输出电压及外部接口一致。810系统电源模块采用的是直流24V输入，显示器电源为直流15V；820采用交流220V输入，显示器为交流220V。电源模块的输出直流电压有+5V，-5V，+12V，-12V，+15V等，具有过电流、短路等保护功能。测量、控制端有+5V电压测量孔、电源正常(POWERSUPPLY OK)信号输出端子、系统启动(NC-ON)信号输入端子及复位按钮(RESET)等。电源模块的工作过程如下： 1)外部直流24V或交流220V电压加入； 2)通过短时接通系统启动(NC-ON)信号，接通系统电源； 3)若控制电路正常，直流输出线路中无过电流，“电源正常”输出触点信号闭合；否则输出信号断开。电源模块的故障通常可以通过对+5V测量孔的电压测量进行判断，若接通NC-ON信号后，+5V测量孔有+5V电压输出，则表明电源模块工作正常。 若无+5V电压输出，则表明电源模块可能损坏。维修时可取下电源模块，检查各电子元器件的外观与电源输入熔丝是否熔断；在此基础上，再根据原理图逐一检查各元器件。 当系统出现开机时有+5V电压输出，但几秒钟后+5V电压又断开的故障时。一般情况下，电源模块本身无损坏，故障是由于系统内部电源过载引起的。维修时可以将电源模块拔出，使其与负载断开，再通过接通NC-ON正常上电，若这种情况下+5V电压输出正常且电源正常信号输出触点闭合，则证明电源模块本身工作正常，故障原因属于系统内部电源过载。这时可以逐一取下系统各组成模块，进一步检查判断故障范围。若电源模块取下后，无+5V输出或仍然只有几秒的+5V电压输出，可能是电源模块本身存在过载或内部元器件损坏，可根据原理图进行进一步的检查。 本书第4章第4.1节，测绘了810M电源模块的部分电路并列举了维修实例，可供维修人员参考。 2显示系统的故障诊断810/820系统显示控制主要由CRT、视频板等部件组成。CRT的作用是将视频信号转换为图像进行显示；视频板的作用是将字符及图像点阵转换为视频信号进行输出。 CRT故障时一般有以下几种现象： 1)屏幕无任何显示，系统无法启动。当按住系统面板上的诊断键(带有“眼睛”标记的键)接通系统电源启动，在系统启动时，面板上方的4个指示灯闪烁：2)屏幕显示一条水平或垂直的亮线；3)屏幕左右图像变形；4)屏幕上下线性不一致，或被压缩，或被扩展；5)屏幕图像发生倾斜或抖动。以上故障一般为显示驱动线路的不良引起的，维修时应重点针对显示驱动线路进行检查。 视频板故障时一般有以下几种现象： 1)屏幕无任何显示，系统无法启动。当按住系统面板上的诊断键(带有“眼睛”标记的键)接通系统电源启动，在系统启动时，面板上方的4个指示灯闪烁； 2)屏幕图像不完整； 3)显示器有光栅，但屏幕无图像。3CPU板的故障诊断CPU板是整个系统的核心，它包括了PLC、CNC的控制、处理线路。CPU板上主要安装有80186处理器、插补器、RAM、EPROM、通信接口、总线等部件。系统软件固化在EPROM中。PLC程序、NC程序、机床数据可通过两个V.24口用编程器或计算机进行编辑、传输；同时，NC程序、机床数据亦可通过V.24接口进行输入/输出操作。在系统内部，CPU板通过系统总线与存储板、接口板、视频板、位置控制板进行数据传输，实现对这些部件的控制。 当CPU板故障时，一般有如下现象： 1)屏幕无任何显示，系统无法启动，CPU板上的报警指示红灯亮； 2)系统不能通过自检，屏幕有图像显示，但不能进入CNC正常画面； 3)屏幕有图像显示，能进入CNC画面，但不响应键盘的任何按键： 4)通信不能进行。 当CPU板故障时，一般情况下只能更换新的CPU备件板。4接口板的故障诊断 810/820接口板上主要安装有系统软件子程序模块、两个数字测头的信号输入端、PLC输入/输出模块的接口部件等。 接口板故障时，一般有如下几种现象： 1)系统死机，无法启动； 2)接口板上系统软件与CPU板上系统软件不匹配，导致系统死机或报警；3)PLC输入/输出无效；4)电子手轮无法正常工作。此板发生故障时，通常应更换一块新的备件板。5存储器板的故障诊断810/820存储器板上安装有UMS用户存储子模块、系统存储器子模块等，其中UMS可以是固化用户WS800A开发软件的用户程序子模块，或是西门子提供的固定循环子模块，或是RAM子模块。 存储器板故障时，一般有如下几种现象： 1)系统死机，无法启动：2)存储器上的软件与CPU板上系统软件不匹配，导致系统死机或报警。存储器板发生故障时，若通过更换软件仍然不能排除故障，一般应更换一块新的备件板。6位置控制板的故障诊断 位置控制板是CNC的重要组成部分，它由位置控制、编码器接口、光栅尺的前置放大(EXE)等部件组成。 位置测量系统板故障时，一般有如下现象：1)CNC不能执行回参考点动作，或每次回参考点位置不一致；2)坐标轴、主轴的运动速度不稳定或不可调；3)加工尺寸不稳定；4)出现测量系统或接口电路硬件故障报警；5)在驱动器正常的情况下，坐标轴不运动或定位不正确。位置控制板发生故障时，一般应先检查测量系统的接口电路，包括编码器输入信号的接口电路、位置给定输出的D/A转换器回路等，在现场不能修理的情况下，一般应更换一块新的备件板。3.2.2 软件维修 SIEMENS系统的软件设计较复杂，功能也较强，通常都要用编程器、计算机进行安装与调试。而且在有的系统中(如：810/820)，包括PLC程序在内的大量数据都是存储在电池供电的RAM之中，这些数据一旦丢失，必须对机床进行重新调整，甚至于需要重新编制PLC程序，因此必须重视对系统软件及数据的保护。 以810/820系统为例，表3-1列出了系统的数据组成与存储方式。从表中可以看出，第、两类由于其存储方式或者数据来源，决定了现场恢复相对较容易。但第类数据(包括PLC用户程序、报警文本、NC与PC机床数据)是机床制造厂编制并经过调整、优化得到的数据，它是数控机床的关键，而且存储于用电池供电的RAM存储器子模块中，因此清除和修改都很容易；一旦这些内容被改写或丢失，整台机床就不能正常工作，因此，类软件和数据的保护问题在810/820系统中十分突出，应采取以下措施，保护这些软件和数据：1)将系统软件和数据通过PC IN软件进行备份，存储于磁盘(或光盘)中，最好还能打印成文字的形式，以便进行校对与手动输入。在机床交货时，机床制造厂家应作为机床必须具备的资料向使用者提供。 2)由于系统软件和数据可以通过操作清除和修改，这样虽然给机床调整带来了方便，但如果管理不善，也会造成人为的故障。特别是系统的初始化操作，极有可能删除系统软件和数据，因此，应通过设置密码与制定相应的制度，防止误操作。此外，修改机床数据、进行初始化调整工作，最好通过维修人员进行，以防止人为故障。 3)810/820系统有多种规格，各种规格的软件自成体系。早期的软件(GAl、GA2版本)存在一些缺陷，使用中如果操作不当，容易引起一些故障，维修时可以通过初始化，重新建立正常的工作状态。后期的软件(GA3版本后)已相当完善，一般不会再发生此类问题。不同版本的软件对启动芯片有特定的要求，软件不能混合使用，否则系统将不能正常启动。此外，不同版本的软件对机床数据的定义、调整方法，甚至工作状态和显示画面的配置也有差异。维修人员处理故障时，应针对不同的软件版本，进行相应的处理。表3-1 810/820系统软件及数据组成一览表 3.2.3 参数调整机床参数的调整是使系统与机床的电气控制部分、伺服驱动部分(驱动单元与位置反馈回路)、机床机械部分以及外部设备连接、匹配的前提条件。设置和优化有关的参数，是机床调试的重要工作之一。虽然机床交付用户时已经过出厂调整和现场的安装、调整，但由于加工要求或者控制要求的改变，或者是环境条件的改变，还可能对机床提出一些新的要求，需在维修中加以解决。因此，维修人员应对系统的生产厂家编制的软件和设定的数据有相当的了解，才能进行深入的维修。 以810/820系统为例，机床参数包括： (1)NC数据(NCMD) NC数据是使系统与具体机床相匹配所设置的有关数据，其中包括： 1)通用数据(NC-MDl156)：这些数据一般直接使用系统生产厂的出厂数据，机床厂、用户一般不做调整。2)进给轴专用数据(NC-MD200*396*)(*=轴号，可为0、1、2、3、4分别表示5个进给轴)。在这些参数中，坐标轴的漂移补偿、传动间隙补偿、复合增益、位置环增益(Kv)、速度/加速度、夹紧允差以及与轮廓监控有关的数据，在维修中都有可能进行调整。 3)主轴专用数据(NC-MD4000-4590)：这是对主轴在不同传动级(变速档)下的特性加以调整的参数，在维修中都有可能进行调整。4)通用位参数(NC-MD50005050)：这是设置系统操作和功能的参数，在维修时可以根据需要作某些改变。5)主轴的专用位参数(NC-MD5200-5210)：这是对主轴控制功能进行选择的参数，在维修时可以根据需要作某些改变。6)通道专用位参数(NC-MD540*558*)(二通道号，可以是1、2；这是对系统功能的选择参数)：在机床交付使用后，一般不再做调整。7)进给轴专用位参数(NC-MD560*576*)(*=轴号，同前；这是对主轴控制功能进行选择的参数)：在维修时可以根据需要作某些改变。8)螺距误差补偿数据(NC-MD60006249)：这些数据用来进行螺距补偿，通常需要用激光干涉仪测出丝杠螺距误差曲线后才能进行调整，在机床精度恢复时，应作调整。 注意：由于NC机床数据涉及内容广，数量大，因此在修改与优化时，必须弄清数据的确切含义、取值范围和设定方法，才能进行相应的修改。(2)PLC数据 SIEMENS系统PLC用户数据，一般包括PLC机床参数(PLC-MD)、PLC用户程序和PLC报警文本这三部分。PLC机床参数和PLC报警文本都是根据PLC用户程序的要求进行设定和编写的，机床交付使用后，一般不再需要对它们进行修改。但是，维修人员应当掌握机床的PLC用户程序，并可以通过接口信号来检查机床电气控制部分的故障。维修时，通过操作选择“诊断”(DIAGNOS)可以实时检查PLC的全部输入位(IW)、输出位(QW)、标志位(FW)、计时器(T)和计数器(C)的状态，用来进行接口信号的诊断。借助于西门子编程器或编程软件，还可以编辑PLC程序，对PLC进行在线诊断和状态控制，读出中断堆栈、信号状态，进行变量强制以及启、停PLC等操作。SIEMENS系统的基本检查与信号诊断3. 3. 1 I/ O信号的构成根据系统型号的不同，各SIEMENS系统的I/O(输入/输出)信号构成有所区别，对于常用的系统，一般有使用I/O模块与直接使用SIEMENS标准PLC的软、硬件两种结构形式。前者一般用于功能较简单、控制轴数较少的数控系统，如：SIEMENS 810/820/802等：而后者一般用于功能较强、控制轴数较多的数控系统，如：SIEMENS 810D/840D等。 SIEMENS 810/820M/802D是使用I/O模块的结构形式。在SIEMENS 810/820M系统中，I/O信号是通过I/O子模块直接与系统的I/O总线连接的。根据机床的不同要求，I/O模块的数量可以增减，最大为4个I/O模块，每一子模块的I/O点为64/32点(见图3-6)。在SIEMENS802D系统中，I/O信号子模块直接作为系统PROFIBUS总线的外设，因此，称之谓PP(PROFIBUS Peripheral)。根据机床的不同要求，PP模块的数量是1个或2个模块，每一子模块的I/O点为72/48点(见图3-7)。SIEMENS 810D/840D系统是直接使用SIEMENS标准PLC的软、硬件结构形式。系统中的I/O信号子模块直接使用SIMATIC S7-300的软件与硬件，PLC的CPU集成在系统的NCU(或CCU)中，I/O模块与系统间通过SIMATIC S7-300IM连接电缆与系统的I/O总线相连接。在840D中最大可以连接3个SIMATIC S7-300扩展模块框架，每个扩展模块框架最大可以安装8个I/O子模块。SIMATIC S7-300I/O子模块的I/O点数与输入/输出规格要求，可以根据机床的不同要求选配，每个SIMATIC S7-300I/O子模块最多可以有16点输入或16点输出。几乎所有的SIEMENS 802/810/840系统(例外的有SIEMENS PRIMOS等经济型系统)，由于系统都有内部PLC功能，所以各I/O模块上的I/O信号的用途与意义无规定。3.3.2I/O信号状态的显示与输出模拟 (1)I/O信号的状态诊断对于SIEMENS各种常用系统，其I/O信号的诊断操作步骤如下: 1)SIEMENS810/820 根据系统CRT上提示，按菜单键DIAGNOSE，系统显示诊断页面； 按菜单键PLC-STATUS，系统显示PLC状态诊断页面； 根据需要，通过菜单键KIW、QW、FW、T、C选择输入、输出、内部继电器、定时器、计数器、数据字的状态显示； 通过PAGE键、CURSOR(光标移动)键，逐页显示诊断信号的状态； 2)SIEMENS802S 按诊断功能键，进入诊断页面，当无诊断功能键显示时，可以通过操作面板的“区域转换”键，使诊断功能键在显示器上显示；、 按诊断页面的调试功能键，进入调试页面； 按PLC状态功能键，显示PLC状态页面，当页面无PLC状态功能键显示时，可以通过“菜单扩展”键，使PLC状态功能键在页面上显示； 输入需要检测的I/O信号地址字节，如：需要检测I1.0、Q1.0、VB38000000.1时，应输入信号地址字节IB1、QBl、VB38000000等； 按MDI面板上的“输入”键，系统显示对应字节上的8位信号的状态。 3)SIEMENS802D 同时按系统操作面板上的“SHIFT”与“SYSTEM”键，进入系统页面： 按PLC功能键，显示PLC页面； 按PLC状态功能键，显示PLC状态页面，当页面无PLC状态功能键显示时可以通过“菜单扩展”键，使PLC状态功能键在页面上显示： 输入需要检测的I/O信号地址字节，如：需要检测I1.0、Q1.0、VB38000000.1时，应输入信号地址字节IBl、QBl、VB38000000等； 按MDI面板上的“输入”键，系统显示对应字节上的8位信号的状态。 4)对于SIEMENS810D/840D系统，输入、输出信号的诊断操作如下： 根据系统CRT上提示，按菜单键DIAGNOSE，系统显示诊断页面； 按菜单键PLC-STATUS，系统显示PLC状态诊断页面； 根据需要，选择I、Q、F、T、C、DB，以选择输入、输出、内部继电器、定时器、计数器、数据字的状态显示； 通过PAGE键，逐页显示诊断信号的状态。 (2)I/O信号的模拟对于SIEMENS各种常用系统，其I/O模拟操作步骤如下： 1)SIEMENS802S/C 按I/O信号状态诊断步骤显示相应的信号； 调节光标到信号状态显示区域；按功能键修改； 输入所需要的模拟值； 按功能键接收，输入的数据传送到PLC中。 2)SIEMENS802D 按I/O信号状态诊断步骤显示相应的信号； 调节光标到信号状态显示区域； 按功能键编辑； 输入所需要的模拟值； 按功能键确认，输入的数据传送到PLC中。 3)SIEMENS810D/840D 根据系统CRT上提示，按菜单键DIAGNOSE，系统显示诊断页面： 按菜单键PLC-STATUS系统显示PLC状态诊断页面； 根据需要，选择I、Q、F、T、C、DB，以选择输入、输出、内部继电器、定时器、计数器、数据字的状态显示； 按菜单键CHANGE，进入修改； 按菜单键OPERRAND+OPERRAND键，可以变换地址： 按菜单键DEFAULTFORMAT可以选择数据格式：B一二进制，H十六进制 D一十进制； 输入需要模拟输出的值，按菜单键ACCEPT，输入值生效。3.3.3 系统自诊断、SIEMENS系统设有较强的自诊断功能，能及时识别NC、PLC和机床中的故障，从而避免发生事故。监控范围包括程序读入、程序格式、系统处理器、串行接口、控制电压、温度、驱动、位置反馈回路及位置传感器、NC与PLC之间的数据传送、加工的轮廓、系统存储器、主轴等多个方面。以810/820系统为例，系统监控主要有以下内容。(1) CPU监控810/820的CPU监控通过CPU模块上的红色发光二极管(LED)指示。正常情况下，接通系统后在67s内LED闪烁，然后熄灭，系统启动完成，进入正常工作状 态。如果LED一直发光无闪烁，则系统不能正常启动，CRT通常无显示，维修时可从以下几个方面查找故障原因：1)CPU模块中有硬件故障； 2)CPU模块中短接端设定错误； 3)EPROM存储器故障； 4)系统总线板损坏； 5)机床参数设定错误； 6)启动芯片安装错误或损坏。 如果在运行过程中LED发光，则表明： 1)模块中出现硬件故障； 2)CPU循环出错。(2)EPROM自诊断810/820的基本系统软件存储于EPROM存储器中，它是系统正常工作的前提。每次启动系统，系统都要自动对存储器的内容进行检查，一旦发现错误，系统可以显示文字报警，并指出出错的芯片号。在维修过程中，EPROM存储器损坏的情况并不多见，引起此类故障的原因一般有：1)存储器模块或EPROM芯片插接不良、安装位置错；2)不同版本、不同型号、不同种类的软件混用。对于以上情况，维修时只要进行纠正，并重新启动系统，故障即可排除。(3)报警的处理系统监控的结果大部分是以报警显示的方式进行指示，对于极大多数故障，系统有固定的报警号和文字显示给予提示。同时，根据故障的情况，系统可以自动撤消NC准备好信号，或者是进入“进给保持”状态。一般来说，大部分报警显示的含义清晰，处理方法也较明了。但也有部分报警的含义较广泛，现将故障可能原因及处理方法列举如下，以供维修人员参考。1) ALMl15报警：它是系统本身的故障，提示的含义较明确，但需要注意以下几点： ALMl报警：提示系统存储器的电池即将用完，应尽快更换电池。更换电池必须在系统通电的情况下进行，否则存储内容会丢失。 ALM6报警：指示数据存储器子模块电池用尽，替换时，应以新的子模块替换。更换必须在系统断电的情况下进行，否则会引起系统故障。子模块调换后，需重新对存储内容进行加载。 ALM3报警：表明PLC处于停止状态，此时，系统的I/O接口信号被封锁，机床不能工作。对于本报警，一般应使用PLC的编程器读出中断堆栈的内容，才能查明故障原因。对于偶然出现的故障，当维修现场无编程器时，可以通过系统初始化的方法，重新启动PLC使机床恢复工作。 2)ALMl648报警：ALMl648报警为RS-232C(V.24)接口报警，810/820系统有两个RS-232C接口，可以通过设定数据SD5010-SD5028，使它与不同外部设备进行数据传输。数据传输与电缆连接、系统与传输设备的状态、数据格式、传输识别符以及传输波特率等有关，1648号报警是对数据传输过程进行监控。 其中，ALM22报警“时间监控生效”，表示系统在60s内没有输出或收到传输字符，它一般与外部设备的状态或设定、电缆连接等因素有关。ALM28报警为“环行存储器溢出”，表明系统不能及时处理读入的字符，可能的原因是传输速度太快，应降低系统与外设的传输波特率等等。 以上报警在排除后，用数据输入/输出操作中的“STOP”功能键即可以清除报警，无须进行关机操作。 3)进给轴专用报警：ALM100*196*(其中*=轴号，为0、1、2、3、4)。这类报警反映机床的位置控制闭环中的某个环节存在故障，是维修中较容易出现的报警。其中： ALMl04*：坐标轴指令值到达了数模转换极限。它表示对应轴要求处理的指令值已高于机床数据268*中规定的数/模转换极限值，系统无法对这样的数字指令值实现数/模转换。应通过降低速度，或检查位置反馈传感器，或检查MD268*的设定，或检查伺服驱动单元等措施解决。 ALMll6*：轮廓监控出错。它表示轴运行速度高于机床数据MD336*规定的轮廓监控速度，且超过了MD332*规定的允差；也有可能是制动时，轴不能在规定时间内达到要求的速度引起的。产生以上故障的原因一般是系统的Kv参数设置不当，维修时应检查MD332*的设定，Kv值(MD252*)的设定，检查伺服系统转速调节器的响应特性，或重新对伺服系统进行优化处理等等。 ALMl32*：位置反馈回路硬件故障。它表示系统检测到的位置反馈信号的错误。维修时应检查测量回路电缆是否断路、脱落；必要时可以通过插上测量回路短路插头，判断位置控制模块是否有故障。通过示波器，可以测量位置反馈信号的波形，进而判断电缆与位置传感器是否存在故障。 ALMl68*：来自PLC用户程序“进给使能”信号被撤消。应根据PLC程序检查PLC程序的逻辑关系，以及有关接口信号的状