张赞 龚雪飞

【摘要】欧洲地区的进口设备，通常需要符合欧盟EN ISO 13849-1以及国际电工IEC 61508中的相关安全标准方可使用。西门子数控系统内置的安全集成功能（Safety Integrated，简称SI）可满足上述安全要求，因而被广泛使用。本文通过实际案例，对西门子安全集成功能的工作原理进行简要分析。

【关键词】进口机设备;安全集成功能;工作原理;

一、安全集成功能的原理

840D系统SI功能通过NCK和PLC两个通道，分别独立的采集两路信号，然后按照各自的SPL功能进行运算，实时交叉比较两个通道的信号状态。当两个通道中的变量比较结果出现不一致时，系统根据参数设定触发STOPs功能， 使机床根据不同的安全故障采用不同的停止响应等级，最后控制机床安全的停下来。

二、840D系统安全集成的信号流程

安全集成功能是欧盟针对所有机械设备强制安装的安全控制功能。第一代安全信号采集方式是通过DMP模块送到NCK，来实现安全信号的快速输入输出。安全集成信号流程如下：

NCK外圍输入（DMP模块）->MD10390（$A_INSE）->NCK SPL-> MD36970-36979 （$A_OUTSI）->SGE

SGA->MD36980-36990（$A_INSI）->NCK SPL->MD10392（$A_OUTSE） ->NCK I/O 外围输出（DMP模块）

三、PL（Safe programmable logic）功能简介

SPL（Safe programmable logic）就是可编程的安全逻辑，SPL包括NCK SPL和PLC SPL两个部分。NCK 和PLC的SPL通过NCK和PLC各自独立的CPU进行运算，两个SPL实现相同的功能，通过循环交叉检查、比较、监控安全相关的内部状态信号，如$A_INSE[P]、$A_OUTSI[P]、$A_INSI[P]、$A_OUTSE[P]、$A_MARKERSI[P]等。

四、案例分析

设备在启动后，按“reset”键系统执行“test stop”测试，随后机床报警，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

机床无法通过安全测试，无法使用，通过报警可以初步判断，该报警是安全集成系统故障产生。

首先，在HMI界面“诊断”--“服务显示”窗口发现，第5和8轴的脉冲使能（663驱动准备）亮黄灯，驱动准备亮黄灯。大致确定是B轴和E2轴共用的双轴控制模块或者伺服模块等相关部件有问题导致的故障。通过查找安全集成手册和机床电气图确认，DMP31.02 bit 05对应的是DMP模块输入点2E6，线号是40305，为B轴轴控板X431插头的AS1触点。OUTSE（3）对应的是DMP模块输出点1A3，线号60103，为B轴轴控板X431插头的663点，控制轴控板内部线圈。

由于机床设计有特殊的A/B/C三个机器人轴，冒然更换轴控板可能会丢失三个轴的坐标位置，影响三个轴的机械零点状态。稳妥起见，在做好系统备份以后，先更换B/E2轴伺服模块，但是试机后故障依旧。

过查看NC与PLC安全信号地址对照表，可知报警中几个点位与PLC的接口信号对应关系如下：

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轴删除nck脉冲

A  DB38.DBX108.2    E2轴删除nck脉冲

=“SPL”.INSEP22    DB18. DBX40.5   取消B轴AS1/2使能

=“SPL”.OUTSIP9    DB18.DBX63.0     删除B轴脉冲使能

NOT

=“SPL”.OUTSEP3    DB18.DBX46.2     取消B轴663使能

=“SPL”.INSIP7     DB18.DBX54.6     取消B轴脉冲使能

查看NCK.SPL程序如下：

DEFINE IMP_DIS_AS1_2_A56   AS  $A_INSE（22）定义AS1触点

DEFINE ABIL_IMP_A56        AS  $A_OUTSE（3）定义663使能

DEFINE IMP_CANC_56         AS  $A_INSI（7） 定义B轴使能

DEFINE IMP_DIS_A56         AS  $A_OUTSI（9）定义B轴脉冲

N74 IDS=24 DO ABIL_IMP_A56 = IMP_CANC_56

N75 IDS=25 DO IMP_DIS_A56 = IMP_DIS_AS1_2_A56

通过研究PLC.SPL和NCK.SPL的逻辑可以发现，机床报警的原因是由于B/E2轴的NCK内部信号DBX108.2状态错误导致。

通过HMI界面“诊断”--“PLC状态”监控B/E2轴的DBX108.2信号发现该信号一直为1，其他轴的状态为0。

通过查看安全集成调试手册可知DB3*.DBX108.2的定义是：通过外部电路删除脉冲。因此故障的原因可能是AS1/AS2/663线路接触不良导致DMP模块信号输入输出错误或者轴控板内部故障。

检查各连线，模块插头，确认无异常。于是将B/E2轴与第3/4轴（Z/A轴）的轴控板调换后试机，同样的故障转移到了Z/A轴上。将轴控板再换回B/E2轴，故障还原。因此，可以确定故障是轴控板损坏导致。更换新的轴控板后故障解除。

五、小结：

通过这次故障的处理，深入学习了西门子系统安全集成的相关知识，进一步熟悉了安全集成中NCK.SPL与PLC.SPL的编程方法和控制逻辑，对该机床的电气结构重新梳理了一遍，增加了对机床特性的认识深度。为以后处理类似故障积累了大量的经验，同时也极大提高该类故障的处理效率。

参考文献：

【1】西门子. SPL编程[J].SINUMERIK 840D安全集成简明调试手册，2013.12 ：4.1-5.5;

【2】张立群，张义红. 西门子840DSL数控系统安全集成的研究与应用[J]. 中国设备工程，2017（07）：