西门子数控系统调试编程和维修概要.docx

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西门子数控系统调试编程和维修概要

西门子数控系统调试,编程和维修概要

作者：

唐寅喜

西门子数控系统调试,编程和维修概要

概述

西门子公司数控系统产品结构

数控系统的基本构成

第一讲西门子数控系统的基本构成

一．西门子840D系统的组成

SINUMERIK840D是由数控及驱动单元（CCU或NCU），MMC,PLC模块三部分组成，由于在集成系统时，总是将SIMODRIVE611D驱动和数控单元（CCU或NCU）并排放在一起，并用设备总线互相连接，因此在说明时将二者划归一处。

l人机界面

人机交换界面负责NC数据的输入和显示,它由MMC和OP组成

MMC（ManMachineCommunication）包括：

OP（Operationpanel）单元，MMC,MCP

（MachineControlPanel）三部分。

MMC实际上就是一台计算机，有自己独立的CPU,还可以带硬盘，带软驱；OP单元正是这台计算机的显示器，而西门子MMC的控制软件也在这台计算机中。

1.MMC

我们最常用的MMC有两种：

MMCC100.2和MMC103,其中MMC100.2的CPU为486,不能带硬盘；而MMC103的CPU为奔腾，可以带硬盘，一般的，用户为SINUMERIK810D配MMC100.2,而为SINUMERIK840D配MMC103.

※PCU（PCUNIT）是专门为配合西门子最新的操作面板OP10、OP10S、OP10C、OP12、

OP15等而开发的MMC模块，目前有三种PCU模块--PCU20、PCU50、PCU70,PCU20对应于MMC100.2，不带硬盘，但可以带软驱；PCU50、PCU70对应于MMC103,可以带硬盘，与MMC不同的是：

PCU50的软件是基于WINDOWSNT的。

PCU的软件被称作HMI,

HMI有分为两种：

嵌入式HMI和高级HMI。

一般标准供货时，PCU20装载的是嵌入式HMI,而PCU50和PCU70则装载高级HMI.

2.OP

OP单元一般包括一个10.4〞TFT显示屏和一个NC键盘。

根据用户不同的要求，西门子为用户选配不同的OP单元，如：

OP030,OP031,OP032,OP032S等，其中OP031最为常用。

3.MCP

MCP是专门为数控机床而配置的，它也是OPI上的一个节点，根据应用场合不同，其布局也不同，目前，有车床版MCP和铣床版MCP两种。

对810D和840D，MCP的MPI地址分别为14和6，用MCP后面的S3开关设定。

对于SINUMERIK840D应用了MPI（MultiplePointInterface）总线技术，传输速率为187.5k/秒，OP单元为这个总线构成的网络中的一个节点。

为提高人机交互的效率，又有OPI（OperatorPanelInterface）总线，它的传输速率为1.5M/秒。

l数控及驱动单元

1.NCU数控单元

SINUMERIK840D的数控单元被称为NCU（NumenricalControlunit）单元：

中央控制单元,负责NC所有的功能,机床的逻辑控制,还有和MMC的通讯它由一个COMCPU板.一个PLCCPU板和一个DRIVE板组成.

根据选用硬件如CPU芯片等和功能配置的不同，NCU分为NCU561.2,NCU571.2,

NCU572.2,NCU573.2（12轴），NCU573.2（31轴）等若干种，同样，NCU单元中也集成SINUMERIK840D数控CPU和SIMATICPLCCPU芯片，包括相应的数控软件和PLC控制软件，并且带有MPI或Profibus借口，RS232借口，手轮及测量接口，PCMCIA卡插槽等，所不同的是NCU单元很薄，所有的驱动模块均排列在其右侧。

2．数字驱动

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数字伺服：

运动控制的执行部分,由611D伺服驱动和1FT6（1FK6）电机组成

SINUMERIK840D配置的驱动一般都采用SIMODRIVE611D.它包括两部分：

电源模块+驱动模块（功率模块）。

电源模块：

主要为NC和给驱动装置提供控制和动力电源，产生母线电压，同时监测电源和模块状态。

根据容量不同，凡小于15KW均不带馈入装置，极为U/E电源模块；凡大于15KW均需带馈入装置，记为I/RF电源模块，通过模块上的订货号或标记可识别。

611D数字驱动:

是新一代数字控制总线驱动的交流驱动，它分为双轴模块和单轴模块两种，相应的进给伺服电机可采用1FT6或者1FK6系列，编码器信号为1Vpp正弦波，可实现全闭环控制。

主轴伺服电机为1PH7系列。

lPLC模块

SINUMERIK810D/840D系统的PLC部分使用的是西门子SIMATICS7-300的软件及模块，在同一条导轨上从左到右依次为电源模块（PowerSupply），接口模块（InterfaceModule）机信号模块（SignalModule）。

的CPU与NC的CPU是集成在CCU或NCU中的。

最多8个SM模块

最多四级

电源模块（PS）是为PLC和NC提供电源的+24V和+5V。

接口模块（IM）是用于级之间互连的。

信号模块（SM）使用与机床PLC输入/输出的模块，有输入型和输出型两种。

二．硬件的接口

一．840D系统的接口

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840D系统的MMC，HHU，MCP都通过一根MPI电缆挂在NCU上面，MPI是西门子PLC的一个多点通讯协议，因而该协议具有开放性，而OPI是840D系统针对NC部分的部件的一个特殊的通讯协议，是MPI的一个特例，不具有开放性，它比传统的MPI通讯速度要快，MPI的通讯速度是187.5K波特率，而OPI是1.5M。

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NCU上面除了一个OPI端口外，还有一个MPI，一个Profibus接口，Profibus接口可以接所有的具有Profibus通讯能力的设备。

Profibus的通讯电缆和MPI的电缆一样，都是一根双芯的屏蔽电缆。

X101操作面板接口（OPI）

X102PROFIBUS接口

X112预留接口（NCU与NCU通讯）

X111SIMATIC接口（IM361）

X122PCMPI接口（MPI）

X121I/O接口（电缆分配盒）

H1/H2错误和状态灯

H3　　７段显示

S1/S2复位／NMI按钮

S3　　NCK启动开关

S4　　PLC启动开关

X130ASIMODRIVE611D接口

X130B数字模块I/O扩展接口（仅限于NCU573）

X172　　设备总线接口

X173　PCMCIA插槽（X173）

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在MPI，OPI和Profibus的通讯电缆两端都要接终端电阻，阻值是220欧，所有如果要检测电缆的好坏情况，可以在NCU端打开插座的封盖，量A，B两线间的电阻，正常情况下应该为110欧。

二．611系列驱动的组成与接口

1．611系列的驱动分成模拟611A，数字611D和通用型611U。

都是模块化结构，主要有以下几个模块组成：

o电源模块电源模块是提供驱动和数控系统的电源，包括维持系统正常工作的弱电和供给功率模块用的600V直流电压。

根据直流电压控制方式，它又分为开环控制的UE模块和闭环控制的I/R模块，UE模块没有电源的回馈系统，其直流电压正常时为570V左右，而当制动能量大时，电压可高达640多伏。

I/R模块的电压一直维持在600V左右

o控制模块控制模块实现对伺服轴的速度环和电流环的闭环控制

o功率模块对伺服电机提供频率和电压可变的交流电源

o监控模块主要是对电源模块弱电供电能力的补充。

o滤波模块对电源进行滤波作用。

o电抗对电压起到平稳作用。

2．611电源模块的接口信号

611模块的接口信号有以下几组：

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（1）电源接口

U1V1W1主控制回路三相电输入端口

X181工作电源的输入端口，使用时常常与主电源短接，有的系统为了让机床在断电后驱动还能正常工作一段时间，把600V的电压端子与P500M500端子短接，这样由于600V电压不能马上放电完毕，还能维持驱动控制板的正常工作一段时间。

P600M600是600V直流电压输出端子。

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（2）控制接口

64控制使能输入，该信号同时对所有连接的模块有效，该信号取消时，所有的轴的速度给定电压为零，轴以最大的加速度停车。

延迟一定的时间后，取消脉冲使能

63脉冲使能输入，该信号同时对所有连接的模块有效，该信号取消后，所有的轴的电源取消，轴以自由运动的形式停车。

48主回路继电器，该信号断开时，主控制回路电源主继电器断开。

112调试或标准方式，该信号一般用在传输线的调试中，一般情况接到系统的24V上。

X121模块准备好信号和模块的过热信号。

准备号信号与模块的拨码开关的设置有关，当S1.2=ON时，模块有故障时，准备好信号取消，而S1.2=OFF时，模块有故障和使能（63,64）信号取消时，都会取消准备好信号，因此在更换该模块的时候要检查模块顶部的拨码开关的设置，否则模块可能会工作不正常。

所有的模块过载和连接的电机过热都会触发过热报警输出。

NS1/NS2主继电器闭合使能，只有该信号为高电平时，主继电器才可能得电。

该信号常用来作主继电器闭合的连锁条件。

AS1/AS2主继电器状态，该信号反映主继电器的闭合状态，主继电器闭合时为高电平。

9/19/R9是24V输出电压，19是24V的地，R为模块的报警复位信号。

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（3）其它辅助接口

X351设备总线，为后面连接的模块供电用。

X141电压检测端子，供诊断和其它用途用。

"7：

P24，＋24V"45：

P15，＋15V"44：

N15，－15V

"10：

N24，－24V"15：

M，0V

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电源模块上面有6个指示灯，分别指示模块的故障和工作状态。

一般正常情况下绿灯亮表示使能信号丢失（63和64），黄灯亮表示模块准备好信号，这时600V直流电压已经达到系统正常工作的允许值。

电源模块正常工作的使能条件：

48，112，63，64接高电平，NS1和NS2短接，显示为一个黄灯亮，其它灯都不亮。

直流母线电压应在600V左右.

3．611驱动控制模块接口信号

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（1）611D驱动控制模块接口信号

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611D控制模块与数控系统主要是通过一根数据总线相连，基本没有太多的接口信号。

X431：

轴脉冲使能，该信号为低电平时，该轴的电源撤消，一般这个信号直接与24V短接

X432：

BERO端子，该接口用作BERO开关信号的输入口。

X34，X35模拟输出口，其中有两个模拟口（X1，X2）用作模块诊断测试用，它可以用来跟踪一些数字量，比如转速，电压和电流等并把它转换成0到5V的模拟电压输出，具体的输出信号可以通过数控系统选择，Ir模拟输出口是固定输出电机R相的电流的模拟值。

X411：

电机编码器接口，输入电机的编码器信号，还有电机的热敏电阻，其中电机的热敏电阻值是通过该插座的13和25脚输入，该热敏电阻在常温下为580欧，155度时大于1200欧，这时控制板关断电机电源并产生电机过热报警。

（1PH7电机温度检测信号连接同1FT6/1FK6电机）

X411：

直接测量系统输入口，输入直接位置测量信号，一般为正余弦电压信号

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*611D的控制板的速度环和电流环的参数设置在NCK里面，故更换控制板后不需要重新设置参数。

（2）611A控制模块接口信号

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611A控制模块与1FT5电机构成伺服驱动机构，完成速度环和电流环的控制，其速度环和电流环的参数都保存在控制板上，故更换该板要注意参数的设置。

接口信号如下：

X311：

电机反馈接口，电机的速度实际值和电机的热敏电阻值都通过它输入到控制板里，1FT5电机的速度检测是通过一个测速发电机来实现的，而电机转子的位置是通过18个霍而元件来检测的。

电机内的热敏电阻值是通过该插座的11和12脚信号输入,在常温下小于250欧，当电机内部温度达到155度时电阻大约是1000欧，控制板这时关断电源，并发出报警信号。

X321：

设定端子，速度的给定值通过该端子的56和14输入，一般来讲，给定值是正负0到10V的电压。

X331：

使能端子：

相应模块的使能信号输入，663是脉冲使能，与电源模块的63作用差不多，只是它仅作用于单个的轴模块。

65是控制使能，常常把它和NC侧给定信号的控制使能相连。

X341：

模块状态输出接口，输出模块的状态信息，如模块准备好信号，报警等。

第二讲系统的调试与操作

一．840D系统操作

lSINUMERIK840D/810D或SINUMERIKFM-NC是机床的CNC控制系统，可以通过CNC控制系统的操作面板执行下列基本功能：

·开发和修改零件程序

·执行零件程序

·手动控制

·读入/读出零件程序和数据

·编辑程序数据

·报警显示和取消报警

·编辑机床数据

·在一个MMC或几个MMC之间或一个NC或几个NC之间建立通信链接（M:

N,m-MMC装置和n-NCK/PLC装置）

用户接口包括：

·显示元件，如监测器，LED等；

·操作元件，如键，开关，手伦等。

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l840D系统具有数控机床具有的自动、手动、编程、回参考点、手动数据输入等功能。

·手动:

手动主要用来调整机床,手动有连续手动和步进手动,有时为了需要走特定长度时,可以选择变量INC方式,输入要运行的长度即可.

·自动:

840D的程序一般来讲是在NCK的RAM里执行,所以对MMC103或PCU50来讲,需要先把程序装载到NCK里,但对于特别长的程序,可以选择在硬盘里执行,具体操作方法为:

选择加工,程序概要,用光标选择要执行的程序,选择从硬盘执行既可.在自动方式下,如果MMC装有SINDNC软件,还可以从网络硬盘上执行程序.

·MDA:

MDA跟自动方式差不多,只是它的程序可以逐段输入,不一定是一个完整的程序,它存在NCK里面一个固定的MDA缓冲区里,可以把MDA缓冲区的程序存放在程序目录里,也可以从程序区里调程序到MDA缓冲区来.

·REPOS:

重定位功能,有时在程序自动执行时需要停下来把刀具移开检测工件,然后接着执行程序,需要重定位功能,操作方法是在自动方式下暂停程序执行,转到手动,移开相应的轴,要重新执行程序时,转到重定位方式,按相应的轴移动按钮,回到程序中断点,按启动键程序继续执行.注意在这个过程中不能按复位键.

·程序模拟:

840D支持在程序正式运行前进行图形模拟,以减少程序的故障率,但由于MMC系统的不同,模拟的方法不一样,在MMC103上,程序模拟完全在MMC上执行,故模拟中不会对NCK产生影响,但在MMC100.2上,程序模拟在NCK里面执行,与程序实际执行情况一样,因此在模拟前务必要选择程序测试,如果还要提高模拟速度,还可以选择空运行.

二．系统的连接与调试

（一）硬件的连接

1.SINUMERIK810D/840D系统的硬件连接从两方面入手：

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其一，根据各自的接口要求，先将数控与驱动单元，MMC，PLC三部分分别连接正确：

（1）源模块X161种9，112，48的连接；驱动总线和设备总线；最右边模块的终端电阻（数控与驱动单元）。

（2）MMC及MCP的+24V电源千万注意极性（MMC）。

（3）PLC模块注意电源线的连接；同时注意SM的连接。

其二，将硬件的三大部分互相连接，连接时应注意：

（1）PI和OPI总线接线一定要正确。

（2）CU或NCU与S7的IM模块连线。

2．检查

在正确完成所有机械的和电气的安装工作后即可进行通电，调试工作；而首先要做的就是开机准备工作，它可确保控制系统及其组件启动正常，并满足EMC检测条件

全部系统连线完成后需要做一些必要的检查，内容如下：

·屏蔽：

（1）确保所使用的电缆符合西门子提供的接线图中的要求；

（2）确保信号点栏屏蔽两端都与机架或机壳连通。

对于外部设备（如打印机，编程器等），标准的单端屏蔽的电缆也可以用。

但一旦控制系统进行正常运行，则应不接这些外部设备为宜；如一定要接入，则连接电缆应两端屏蔽。

·EMC（ElectromagneticCompatibility）检测条件：

（1）信号线与动力线尽可能分开远一些；

（2）从NC或PLC出发的活到NC或PLC得线缆应使用SIEMENS提供的电缆；

（3）信号线不要太靠近外部强的电磁场（如点机和变压器）；

（4）HC/HV脉冲回路电缆必须完全与其他所有电缆分开敷设；

（5）如果信号线无法与其它电缆分开，则应走屏蔽穿线管（金属）；

（6）下列距离应尽可能小：

--信号线与信号线

--信号线预辅助等电位端

--等电位端和PE（走在一起）

·防护ESD（ElectromaqneticSensitiveDevice）组件检测条件：

（1）处理带静电模块时，应保证其正常接地；

（2）如避免不了接处电子模块，则请不要触摸模块上组件的针脚或其他导电部位；

（3）触摸组件必须保证人体通过放静电装置（腕带或胶鞋）与大地连接；

（4）模块应北方旨在导电表面上（放静电包装材料如导电橡胶等）；

（5）模块不应靠近VDU，监视器或电视机（离屏幕勿近与10cm）；

（6）模块不要与可充电的电绝缘材料接触（如塑料与纤维织物）；

（7）测量的前提条件

--测量仪器接地

--绝缘仪器上的测量头预先放过电

（二）调试

lNC和PLC总清

由于是第一次通电，启动，所以有必要对系统做一次总清或总复位。

1．NC总清

NC总清操作步骤如下：

·将NC启动开关S3―→"1";

·启动NC，如NC已启动，可按一下复位按钮S1;

·待NC启动成功，七端显示器显示"6"，将S3―→"0"；NC总清执行完成

NC总清后，SRAM内存中的内容被全部清掉，所有机器数据（MachineData）被预置为缺省值。

2．PLC总清

PLC总清操作步骤如下：

·将PLC启动开关S4―→"2";=〉PS灯会亮；

·S4―→"3"并保持3秒等到PS等再次亮；=〉PS灯灭了又再亮；

·在3秒之内，快速地执行下述操作S4：

"2"―→"3"―→"2"；=>PS灯先闪，后又亮，PF灯亮（有时PF等不亮）；

·等PS和PF等亮了，S4―→"0";=>PS和PF灯灭，而PR灯亮。

PLC总清执行完成，PLC总清后，PLC程序可通过STEP7软件传至系统，如PLC总清后屏幕上有报警可作一次NCK复位（热启动）。

l开机与启动

第一次启动后，NCU状态显示（一个七段显示器及一个复位按钮S1两列状态显示灯及两个启动开关S3和S4。

（如下图）

在确定S3和S4均设定位"0"，则此时就可以开机启动了，经过大约几十秒钟，当七段显示器显示"6"时，表明NCK上电正常；此时，"+5V"和"SF"灯亮，表明系统正常；但驱动尚未使能，而PLC状态泽"PR"灯亮，表明PLC运行正常。

·MMC:

MMC的启动时通过OP显示来确认的，如果是MMC100.2，在启动的最后，在屏幕的下面会显示一行信息"WaitForNCUConnection：

××Seconds"如MMC与NCU通讯成功，则SINUMERIK810D/840D的基本显示会出现在屏幕上，一般是"机床"操作区，而MMC103,由于它是可以带硬盘的，所以在它的背后也有一个七段显示器，如MMC103启动成功后它会显示一个"8"字。

·MCP:

在PLC启动过程中，MCP上的所有灯饰不停闪烁的，一旦PLC成功启动，且基本程序状如则只有在OB1种调用FC19或FC25，那么MCP上的灯不再闪烁，此时MCP即可以使用。

·DRIVESYSTEM:

只有NC,PLC和MMC都正常启动后，最后考虑驱动系统。

首先必须完成驱动的配置，对于MMC100.2，需借助于"SIMODRIVE611D"Start-upTool软件，而MMC103可直接在OP031上做，然后用PLC处理相应信号即可。

这样，系统再启动后，SF灯应灭掉。

元素类型含义

复位S1按钮出发一个硬件复位；控制和驱动复位后完整重起。

NMIS2按钮对处理器发出触发和NMI请求，NMI-非屏蔽中段

S3旋转开关NCK启动开关位置0：

正常启动位置1：

启动位置（缺省值启动）为值2…7：

预留

S4旋转开关PLC模式选择开关位置0：

PLC运行位置1：

PLC运行P位置2：

PLC停止位置3：

模块复位

H1（左列）显示灯显示灯+5V：

电源电压在容差范围内时亮NF:

NCK启动过程中，其监控器被触发时，此灯亮CF：

当COM监控器输出一个报警时，此灯亮CB:

通过OPI接口进行数据传输，此灯亮CP:

通过PC的MPI接口进行数据传输时，此灯亮绿灯红灯红灯黄灯黄灯

H2（右列）显示灯显示灯FR:

PLC运行状态PS:

PLC停止状态FF:

当PLC监控器输出一个报警时：

此灯亮；当PLC监控器输出一个报警时：

所有4个灯都亮FFO:

PLC强制状态-：

NCU571-573未用，复位时短暂亮NCU573.2:

PLCDP状态在CPU3152DP上此灯有"BUSF"的标记·灯灭：

DP未配置或者配置了但所有的从站未找到·灯闪：

DP配置了，但一个或一个以上的从站丢失·灯亮：

错误（例如：

总线近路无令牌通行）绿灯红灯红灯黄灯黄灯

H3七段数码管软件支持输出的测试和诊断信息。

启动完成后，正常状态显示"6"

840DNCU模块控制和显示元素

l数据备份

在进行调试时，为了提高效率不做重复性工作，需对所调试数据适时地做备份。

在机床出厂前，为该机床所有数据留档，也需对数据进行备份。

SINUMERIK810D/840D的数据分为三种：

NCK数据

PLC数据

MMC数据

有两种数据备份的方法：

1.系列备份（SeriesStart-up）:

特点：

（1）用于回装和启动同SW版本的系统

（2）包括数据全面，文件个数少（*.arc）

（3）数据不允许修改，文件都用二进制各式（或称作PC格式）

种的DATA）

特点：

（1）用于回装不同SW版本的系统

（2）文件个数多（一类数据，一个文件）

（3）可以修改，大多数文件用"纸带格式：

即文本格式"

做数据备份需以下辅助工具：

·PCIN软件

·V24电缆（6FX2002-1AA01-0BF0）

·PG740（或更高型号）或PC

※由于MMC103可带软驱，硬盘，NC卡等；它的数据备份更加灵活，可选择不同的存储目标，以其为例介绍具体操作步骤：

·数据备份

（1）在主菜单中选择"Service"操作区；

（2）按扩展件"｝"―→"SeriesStart-up"选择存档内容NC,PLC,MMC并定义存档文件名；

（3）从垂直菜单中，选择一个作为存储目标：

V.24―→指通过V.24电缆船只外部计算机（PC）；

PG―→编程器（PG）；

Disk―→MMC所带的软驱中的软盘；

Archive―→硬盘；

NCCard―→NC卡。

选择其中V.24和PG时，应按"Interface"软件键，设定接口V.24