1746-NI4 詳細了解

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一般數控機床標配有主軸，司服軸，PLC軸也即是輔助軸。而與之相應的控制系統是CNC，PLC，變頻器，伺服和電機。所以講到PLC在數控機床上的應用就不得不聯系到CNC，變頻器，伺服和電機。他們是一個系統工程，一個有機的整體。
 

　　一.隨著工業控制的需要及技術的發展傳統的PLC(可編程可編程邏輯控制器)正在發生質的變化，有將PLC與CNC合二為一的PAC(programmableautomutoncotrollor)的方向發展。使PLC不僅具有邏輯運算，算術運算，定時，計數及順序控制，還可以提供數據傳送，矩陣處理，PID調節、SSAII碼操作、遠程I/O、運動控制、網絡通信等高級功能，還可以使用高級語言(C語言、BASIC語言)編寫子程序嵌入PLC程序中運行。實質上是一種專業控制計算機。通過PLC提供的宏參數和CNC系統參數可在PLC和零件加工程序之間傳遞信息，???以完成某些特定功能。即PLC已經滲透到零件加工程序的編輯中去。
 

　　單獨的PLC已經可以完成全部的CNC功能，這已經成為現實。但就目前而言，PLC主要還是在數控系統配置機床上時起一個“接口”作用，包括MST功能，診斷功能等，這種功能正在不斷擴大。
 

　　PLC在數控系統的實現目前也有好幾種方案：
 

　　方案一：通用PLC帶數控功能
 

　　這對于需要邏輯控制又需要相對簡單的位置控制的用戶來說是一個很好的選擇，無論是成本和開發都有很多優勢，不過通用型的PLC大多沒有聯動和插補指令(部分產品有)，并且不支持G代碼，無法與CAD軟件進行接口。
 

　　方案二：的數控系統
 

　　這種系統有很多使用PLC的平臺加DSP加FPGA實現，高檔的這種系統可以與CAD軟件無縫聯接，從CAD導出來的G代碼在經過編緝或者不需要編緝下載到控制器內就可以做出各種對應的動作出來。該種系統對于多軸聯動控制和插補G代碼均有很強的支撐能力，同時一般帶有顯示，可以在運行時同步在顯示屏上顯示運動的軌跡。
 

　　方案三：IPC+數控板卡
 

　　這是國內數控廠商的主要形態，有靈活性高的優點，但很多系統不支持標準的G代碼，而是要用戶使用C、C++語言或者VC去編寫對應的控制程序，由板卡廠商提供函數庫。當然目前大多數情況下是由數控廠商代用戶完成這一部分的編程。
 

　　這種開發方式的優點是顯而易見的，廠商的開發成本低，靈活度高，但是需要廠商提供相當多的技術支持，如果客戶數量大后很難有足夠的支持能力，所以這類廠商大多都在開發通用的數控平臺，并仍然使用IPC平臺在上面開發通用型的數控系統。
 

　　在中、高檔數控機床中，PLC是CNC裝置的重要組成部分。其作用是：接收來看零件加工程序的開關功能信息(輔助功能M、主軸轉速功能S、*功能T)、機床操作面板上的開關量信號及機床側的開關量信號，進行邏輯處理，完成輸出控制功能，實現各功能及操作方式的聯鎖。
 

　　PLC有兩種類型，即內裝型和獨立型。
 

　　PLC除了在CNC中使用外，還廣泛用于治金、機械、石油化工、能源交通乃至娛樂等各行業。
 

　　1.PLC的應用類型
 

　　(1)順序控制和開關邏輯控制類型。這是基本控制方式，已取代了傳統的繼電器邏輯控制，用于單機、多機群控和生產自動線。它首先對輸入的開關量或模擬量進行采樣，然后按用戶編制的順序控制程序進行運算，再通過輸出電路去驅動執行機構實現順序控制。
 

　　(2)一個具有PID(比例、微分、積分)控制能力的PLC可用于過程控制，把變量保持在設定值上。
 

　　(3)組合數字控制類型。在機械加工中，將具有數據處理功能的PLC和CNC組成一體，實現數字控制。
 

　　(4)組成多級控制系統類型。在分層分布式控制的全自動化系統，如PMC、FMS、CIMS中，基層由中小型PLC和CNC等控制設備組成，中層由大型PLC進行單元控制與監督，上層由上位計算機做總體管理。PLC之間、PLC與上級計算機之間采用快速光纖數字通信。為適應多任務、多微處理器并進處理，實現實時控制，協調梯形圖和BASIC程序之間的相互關系，以及位、字處理和I/O中斷處理，還增設有聯機文件管理和對執行出錯的恢復等功能。
 

　　(5)控制機器人的類型。選用PLC可對具有3-6個自由度的機器人進行控制。
 

　　2.PLC在位置控制中的應用。PLC制造廠商提供驅動步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸位置控制模塊。用戶只需通過PLC向位置控制模塊設置參數及發出某種命令，位置控制模塊即可根據來自現場的監測信號和PLC的命令來調整控制輸出，移動一軸或數軸到達目標位置，實現準確定位。當每個軸移動時，位置控制模塊能使其保持適當的速度和加速度，確保運動平滑。
 

　　位置運動的編程可用PLC語言完成，通過編程器輸入。用程序設定速度和加速度參數，控制系統可自動實現階梯式加減速。可多點定位，并有原點補償和間隙補償功能，提高定位精度。可進行手動操作，實現高速點動、低速點動或微動。
 

　　PLC的位置控制，特別適用于機床的點位直線伺服控制，常稱為輔助坐標運動控制
 

　　CNC、PLC、機床之間的信號處理過程
 

　　CNC裝置和機床之間的信號傳送處理兩個過程：
 

　　(一)、CNC裝置→機床：
 

　　CNC裝置®CNC裝置的RAM®PLC的RAM中。
 

　　PLC軟件對其RAM中的數據進行邏輯運算處理。
 

　　處理后的數據仍在PLC的RAM中，
 

　　對內裝型PLC，PLC將已處理好的數據通過CNC的輸出接口送至機床；
 

　　對獨立型PLC，其RAM中已處理好的數據通過PLC的輸出接口送至機床。
 

　　(二)、機床→CNC裝置
 

　　對于內裝型PLC，信號傳送處理如下：
 

　　從機床輸入開關量數據®CNC裝置的RAM®PLC的RAM。
 

　　PLC的軟件進行邏輯運算處理。
 

　　處理后的數據仍在PLC的RAM中，同時傳送到CNC裝置的RAM中。
 

　　CNC裝置軟件讀取RAM中數據。
 

　　對于獨立型PLC，輸入的*步，數據通過PLC的輸入接口送到PLC的RAM中，然后進行上述的第2步，以下均相同
 

　　二．接下來是運動過程控制
 

　　伺服或者變頻器接受CNC，PLC命令，分別控制電壓進而控制轉速，控制頻率來控制轉速。
 

　　聯系到主軸驅動系統和進給伺服系統及執行元件電機等。
 

　　1，比較一下變頻主軸和伺服主軸的區別。伺服主軸的起停性能好，低速扭矩大，在進行很好的速度控制還能進行較準確的主軸停止位置的控制(主軸定位)，但價格較高。
 

　　而一般的變頻主軸只能進行主軸的旋轉速度的控制，且它的低速度扭矩小，電機不能在較低的速度下進行工作，如需要進行低速加工則要通過減速箱來實現，起停時間一般都較長。
 

　　這是兩種不同的控制系統,前者是隨動系統,后者是調速系統。
 

　　還有一般的數控機床大多會用變頻主軸,一是因為相對而言價格較低,二是容易實現高速和大功率.當然,也滿足大多數加工要求.
 

　　另變頻主軸也可進行對主軸的定位控制,剛性功絲等也可實現.主要是看所選主軸電機及變頻器.主軸電機帶編碼器,變頻器加PG反饋脈沖卡就可實現.當然效果肯定是沒有伺服主軸來得好.國內中心機大多這樣做。
 

　　2.變頻技術：簡單的變頻器只能調節交流電機的速度，這時可以開環也可以閉環要視控制方式和變頻器而定，這就是傳統意義上的V/F控制方式。現在很多的變頻已經通過數學模型的建立，將交流電機的定子磁場UVW3相轉化為可以控制電機轉速和轉矩的兩個電流的分量，現在大多數能進行力矩控制的品牌的變頻器都是采用這樣方式控制力矩，UVW每相的輸出要加摩爾效應的電流檢測裝置，采樣反饋后構成閉環負反饋的電流環的PID調節；這樣可以既控制電機的速度也可控制電機的力矩，而且速度的控制精度優于v/f控制，編碼器反饋也可加可不加，加的時候控制精度和響應特性要好很多。
 

　　伺服系統：(1)伺服驅動器在發展了變頻技術的前提下，在驅動器內部的電流環，速度環和位置環(變頻器沒有該環)都進行了比一般變頻更精確的控制技術和算法運算，在功能上也比傳統的伺服強大很多，主要的一點可以進行精確的位置控制。通過上位控制器發送的脈沖序列來控制速度和位置(當然也有些伺服內部集成了控制單元或通過總線通訊的方式直接將位置和速度等參數設定在驅動器里)，驅動器內部的算法和更快更精確的計算以及性能更優良的電子器件使之更*于變頻器。(2)電機方面伺服電機的材料、結構和加工工藝要遠遠高于變頻器驅動的交流電機(一般交流電機或恒力矩、恒功率等各類變頻電機)，也就是說當驅動器輸出電流、電壓、頻率變化很快的電源時，伺服電機就能根據電源變化產生響應的動作變化，響應特性和抗過載能力遠遠高于變頻器驅動的交流電機，電機方面的嚴重差異也是兩者性能不同的根本。就是說不是變頻器輸出不了變化那么快的電源信號，而是電機本身就反應不了，所以在變頻的內部算法設定時為了保護電機做了相應的過載設定。當然即使不設定變頻器的輸出能力還是有限的，有些性能優良的變頻器就可以直接驅動伺服電機！
 

　　3.還有交流伺服和交流變頻的區別其實只在于控制指標，包括穩態精度和動態性能。
 

　　但電機大體上與同步電機差不多，只是控制方法不同)，它的特點是同步，就是說，當控制電機定子磁場的強度和矢量方向后，外力是難以改變轉子(動子)的相對位置的，在額定力矩以內，無論外力怎樣變化，轉子都會自動產生一個回歸力，一旦擾動撤消，轉子矢量即回歸原位。變頻器不然，電機轉子對定子的相對位置沒有記憶，擾動后不能回位。即使加裝位置傳感器做位置閉環，變頻器仍不能和伺服相比。原因是，在位置-速度-力矩三閉環中，變頻器實現速度閉環指標比伺服差多了。不過，現在新出來的普通異步電機的伺服控制方案中，采用磁場行波控制，異步電機伺服控制也不是難事，指標也很高。不過驅動器已經不是樓主說的普通變頻器或者矢量變頻器了
 

　　再說動態指標：當伺服系統(通常以速度閉環來舉例)速度環給定一個正弦波信號，則電機的速度也應以正弦規律變化。
 

　　4.還有一點，就是通用伺服與伺服的區別
 

　　數控伺服是一功率后級伺服.伺服驅動的很多部分已和數控系統做成一體,其發出的信號已是PWM信號,裝在外部的驅動部分只是一電源及功率放大器而已.而通用型伺服卻不同,其各種回路(如位置,速度,電流)及運算全做在驅動器里.包括電機的參數.
 

　　實際應用上的區別吧:伺服的參數調試一般是在數控系統里調試,而通用型伺服需要在伺服驅動器上調試.
 

　　型伺服電機部分編碼器反饋是直接接回數控系統的(因外部只是一電源及放大器而已),而通用型伺服卻必需接回驅動器部分.
 

　　型伺服電機編碼器線數很多是上百萬線的,可通用型的卻差遠了,一般也就是2500及17BIT(上百萬用得到嗎？誰能接受得來呀?)
 

　　在高速高精的機床應用場合,非得用型伺服及數控不可,中國臺灣及國產的數控系統加通用型伺服可做不了(至少現在不行).當然便宜多了.東西不在于有多,而在于你應用于什么場合嘛.不過在數控行業,使用型伺服是一種趨勢.
 

　　三．執行元件電機方面
 

　　1.步進電機和交流伺服電機性能比較
 

　　步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯系。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖串和方向信號)，但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。現就二者的使用性能作一比較。
 

　　1.1控制精度不同
 

　　兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產的一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09°；德國百格拉公司(BERGERLAHR)生產的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以松下全數字式交流伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。
 

　　1.2低頻特性不同
 

　　步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。
 

　　交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能(FFT)，可檢測出機械的共振點，便于系統調整。
 

　　1.3矩頻特性不同
 

　　步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速(一般為2000RPM或3000RPM)以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。
 

　　1.4過載能力不同
 

　　步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。
 

　　1.5運行性能不同
 

　　步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。
 

　　1.6速度響應性能不同
 

　　步進電機從靜止加速到工作轉速(一般為每分鐘幾百轉)需要200～400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，以松下MSMA400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。
 

　　綜上所述，交流伺服系統在許多性能方面都優于步進電機。
 

　　2.0交流伺服系統的分類
 

　　交流伺服系統根據其處理信號的方式不同，可以分為模擬式伺服、數字模擬混合式伺服和全數字式伺服；如果按照使用的伺服電動機的種類不同，又可分為兩種：一種是用永磁同步伺服電動機構成的伺服系統，包括方波永磁同步電動機(無刷直流機)伺服系統和正弦波永磁同步電動機伺服系統；另一種是用鼠籠型異步電動機構成的伺服系統。二者的不同之處在于永磁同步電動機伺服系統中需要采用磁極位置傳感器而感應電動機伺服系統中含有滑差頻率計算部分。若采用微處理器軟件實現伺服控制，可以使永磁同步伺服電動機和鼠籠型異步伺服電動機使用同一套伺服放大器。
 

　　2．交流伺服電機與直流司服電機的區別：
 

　　直流司服電機的繞組在轉子上，電流方波進行控制；交流司服電機繞組在定子上，由正玄波控制。但他們都是永磁體提供磁場。交流伺服要好一些，因為是正弦波控制，轉矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單，便宜。
 

　　3．司服電機與普通電機的區別：
 

　　伺服電動機作為自動控制系統中跟隨控制信號的執行元件，因此又稱為“執行電動機”。伺服器對電機的作用就是提供一個電壓大小可控，電壓相位與勵磁電壓相差90度電角度的控制電壓信號。
 

　　伺服電動機與普通異步電機的大區別是轉子電阻比較大，大到使發生大電磁轉矩的轉差率Sm>1。其具體原理如下：
 

　　伺服電動機的結構實際上與普通兩相交流異步電動機沒有什么區別。伺服電動機的定子有兩相相差120度電角度的交流繞組，分別稱為勵磁繞組和控制繞組，其轉子就是普通的籠型異步電動機的鼠籠繞組。使用時，勵磁繞組接單相交流電，在氣隙產生脈振磁場，轉子繞組不產生電磁轉矩，電動機不工作。當控制繞組接上相位與勵磁繞組相差90度電角度的交流電時，電動機的氣隙便有旋轉磁場產生，轉子將產生電磁轉矩轉動。當控制繞組的控制電壓信號撤除后，如果是普通電機，由于轉子電阻較小，(根據雙旋轉理論)脈振磁場分解的兩個旋轉磁場各自產生的機械特性的合成結果是產生的電磁轉矩大于零。因此，電機轉子仍然保持轉動，不能停止。而伺服電動機，由于轉子電阻大，且大到使發生大電磁轉矩的轉差率Sm>1。脈振磁場分解的兩個旋轉磁場各自產生的機械特性的合成結果是產生的電磁轉矩小于零，也就是產生的電磁轉矩是制動轉矩，電機將在這個制動轉矩作用下將很快停止轉動。
 

　　FANUC數控系統PMC功能的妙用
 

　　FANUC數控系統以其高質量、低成本、高性能,得到了廣大用戶的認可,在我公司得到了大量的使用,就其系統本身而言,經受了連續長時間的工作考驗,故障率較低。而故障多發于外圍行程、限位開關等外圍信號檢測電路上。
 

　　在實際工作中,了解和熟悉FANUC系統豐富的操作功能,對外圍故障的判斷和排除有著事半功倍的作用。
 

　　在這里,舉例談一下使用FANUC系統內嵌的強大、易用的PMC功能對外圍故障的快速判斷和排除。
 

　　功能1
 

　　操作方法:按功能鍵|SYSTEM|切換屏幕→按|PMC|軟鍵,再按相應的軟鍵,便可分別進入|PMCLAD|梯形圖程序顯示功能、|PMCDGN|PMC的I/0信號及內部繼電器顯示功能、|PMCPRM|PMC參數和顯示功能。
 

　　應用實例:本公司的一臺日本立式加工中心使用FANUC18i系統,報警內容是2086ABNORMALPALLETCONTACT(M/CSIDE),查閱機床說明書,意思是“加工區側托盤著座異常",檢測信號的PMC地址是X6.2。該加工中心的APC機構是雙托盤大轉臺旋轉交換式,觀察加工區內堆積了大量的鋁屑,所以判斷是托盤底部堆積了鋁屑,以至托盤底座氣檢無法通過。但此時報警無法消除,不能對機床作任何的操作。在FANUC系統的梯形圖編程語言中規定,要在屏幕上顯示某一條報警信息,要將對應的信息顯示請求位(A線圈)置為"1",如果置為"0"，則清除相應的信息。也就是說,要消除這個報警,就必須使與之對應的信息顯示請求位(A),置為"0"。按|PMCDGN|→|STATUS|進入信號狀態顯示屏幕,查找為"1"的信息顯示請求位(A)時,查得A10.5為"1"。于是,進入梯形圖程序顯示屏幕|PMCLAD|,查找A10.5置位為"1"的梯形圖回路,發現其置位條件中使用了一個保持繼電器的K9.1常閉點,此時狀態為"0"。查閱機床維修說明書,K9.1的含義是:置"1"為托盤底座檢測無效。
 

　　故障排除過程:在MDI狀態下,用功能鍵|OFFSETSETTING|切換屏幕,按|SETTING|鍵將"參數寫人"設為"1",再回到|PMCPRM|屏幕下,按|KEEPRL|軟鍵進入保持型繼電器屏幕,將K9.1置位為1"。按報警解除按鈕,這時可使A10.5置為"0",便可對機床進行操作。將大轉臺抬起旋轉45度,拆開護板,果然有鋁屑堆積,于是將托盤底部的鋁屑清理干凈。將K9.1和"參數寫人"設回原來的值"0"。多次進行APC操作,再無此報警,故障排除。
 

　　功能2
 

　　在FANUC系統的梯形圖編程語言中,F是來自NC側的輸入信號(NC→PMC),而G是由PMC輸出到NC的信號(PMC→NC)。其中,G130是PMC輸出到NC側的各軸互鎖信號,當其中某一位被置為"1"時,允許對應的伺服軸移動；為"0"時,禁止對應的伺服軸移動。
 

　　應用實例:一國產加工專機使用FANUC21M系統,執行原點返回的NC程序時,當執行到"G91G28GOOZO;"時,Z軸無動作,CNC狀態欄顯示為"MEMSTRTMTN***",即Z軸移動指令已發出。用功能鍵|MESSAGE|切換屏幕,并無報警信息。用功能鍵|SYSTEM|切換屏幕,按“診斷”軟鍵,這時005(INTERLOCK/START-LOCK)為"1",即有伺服軸進入了互鎖狀態。
 

　　故障排除過程:進入梯形圖程序顯示功能屏幕,發現與Z軸對應的互鎖信號G130.0的狀態為"0",即互鎖信號被輸入至NC,檢查其互鎖原因,發現是一傳感器被鋁屑污染。擦拭后,將G130.0置為"1",互鎖解除,重新啟動原點返回的NC程序,動作正常,故障排除。
 

　　功能3
 

　　PMC中的眼蹤功能(TRACE)是一個可檢查信號變化的履歷,記錄信號連續變化的狀態,特別對一些偶發性的、特殊故障的查找、定位起著重要的作用。用功能鍵|SYSTEM|切換屏幕,按|PMC|軟鍵→|PMCDGN|→{TRACE|即可進入信號跟蹤屏幕。
 

　　應用實例:某國產加工中心使用的是FANUCOi系統。在自動加工過程,NC程序偶爾無故停止,上件端托盤已裝夾好的夾爪自動打開(不正常現象),CNC狀態欄顯示MEMSTOP***,此時無任何報警信息,檢查診斷畫面,并未發現異常,按NC啟動便可繼續加工。經觀察,CNC都是在執行M06(換刀)時停止,主要動作是ATC手臂旋轉和主軸(液壓)松開/拉緊*。
 

　　故障排除過程:使用梯形圖顯示功能,追查上件側的托盤夾爪(Y25.1)置為"1"的原因(估計與在自動加工過程,偶爾無故停止故障有關)。經查,懷疑與一加工區側托盤夾緊的檢測液壓壓力開關(X1007.4)有關。于是,使用|TRACE|信號跟蹤功能,在自動加工過程中,監視X1007.4的變化情況。當NC再次在M06執行時停止,在|TRACE|屏幕上,跟蹤到X1007.4在CNC無故停止時的一個采樣周期從原來的狀態"1"跳轉為"0",再變回"1",從而確認該壓力開關有問題。調整此開關動作壓力,但故障依舊。于是將此開關更換,故障排除。事后分析,引起這個故障原因是主軸松開/夾緊工具時,液壓系統壓力有所波動(在合理的波動范圍內),而此壓力開關作出了反應以致造成在自動加工過程中,NC程序偶爾無故停止的故障。