可編程控制器在機(jī)床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

摘要：隨著科技的快速發(fā)展，社會(huì)生產(chǎn)力也在逐步提高，人們對(duì)機(jī)床控制系統(tǒng)也提出了較高要求，因而應(yīng)重點(diǎn)分析可編程控制器在機(jī)床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。文章概述了可編程控制器的特點(diǎn)、在機(jī)床控制系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題，并提出了針對(duì)性的改進(jìn)意見。

關(guān)鍵詞：可編程控制器；機(jī)床控制系統(tǒng)；PLC；電氣控制系統(tǒng)；控制電路 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG502 文章編號(hào)：1009-2374（2016）10-0045-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.10.022

PLC（可編程控制器）誕生于20世紀(jì)，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，其各項(xiàng)性能均已得到極大的提高，同時(shí)還具備了便于維修、組態(tài)靈活、抗干擾力強(qiáng)、可靠性和擴(kuò)展性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。然而“接觸器-繼電器”這一控制系統(tǒng)仍被廣泛地使用于一些較為落后的地區(qū)。因?yàn)椤敖佑|器-繼電器”機(jī)床控制系統(tǒng)的工作效率和精確度相對(duì)較低，同時(shí)在運(yùn)用過程中極易出現(xiàn)難于維修、事故頻發(fā)等問題，它們的自動(dòng)化程度已經(jīng)無法滿足目前的實(shí)際生產(chǎn)需求，并限制了工業(yè)生產(chǎn)的順利發(fā)展，因而應(yīng)逐步借助可編程控制器來改造機(jī)床控制系統(tǒng)。

1 電氣控制系統(tǒng)和機(jī)床組成概述

機(jī)床一般可以分為組合機(jī)床、鉆床、車床等，它通常由如下部件組成：變速結(jié)構(gòu)：可以改變機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的實(shí)際速度；支撐部件：支撐、安裝其他工件和部件，還可承受它們的切削力及重量，例如立柱和機(jī)床床身；執(zhí)行機(jī)構(gòu)：完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者直線運(yùn)動(dòng)的重要驅(qū)動(dòng)裝置；進(jìn)給機(jī)構(gòu)：可以改變機(jī)床的進(jìn)給量。

控制電路和主電路共同構(gòu)成機(jī)床控制系統(tǒng)，前者用于測(cè)量、調(diào)節(jié)、控制和監(jiān)測(cè)主電路中接觸器的主要觸點(diǎn)和各參數(shù)的實(shí)際工作狀態(tài)；后者用于控制任務(wù)電路或者直接負(fù)責(zé)電能交換?？刂齐娐泛椭麟娐肪且罁?jù)機(jī)床加工零件的真實(shí)工作過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，并據(jù)此控制機(jī)床中每個(gè)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、制動(dòng)以及啟動(dòng)等環(huán)節(jié)，此外還能控制機(jī)床的照明、冷卻等情況。

2 PLC的優(yōu)點(diǎn)

2.1 重量輕、體積小

超小型的可編程控制器的重量低于150g，底部尺寸小于100mm，實(shí)際功耗僅達(dá)數(shù)瓦；超小型PLC體積較小，容易裝在機(jī)械內(nèi)，利于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。

2.2 具備普遍實(shí)用性

除了基礎(chǔ)的邏輯處理能力之外，可編程控制器還能用于各類機(jī)床控制場(chǎng)合。目前，多數(shù)PLC被用在數(shù)控領(lǐng)域，用于數(shù)據(jù)計(jì)算。近些年，可編程控制器已被普遍運(yùn)用到溫度控制、CNC以及位置控制等諸多領(lǐng)域中。

2.3 具有較強(qiáng)的抗干擾力

可編程控制器運(yùn)用了大規(guī)模的、現(xiàn)代化的集成電路技術(shù)，在生產(chǎn)工藝以及內(nèi)部電路等方面均運(yùn)用了新型抗干擾技術(shù)，其可靠性較高。此外，可編程控制器還有自動(dòng)檢測(cè)硬件故障的功能，當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)會(huì)主動(dòng)報(bào)警，使用者在運(yùn)用該軟件過程中可將外圍器件故障診斷程序編入該軟件中，使系統(tǒng)得到自我保護(hù)功能。

2.4 使用簡便

可編程控制器是一種面向企業(yè)的重要工控設(shè)備，具備接口容易、工程人員易于理解編程語言等優(yōu)點(diǎn)，特別是其表達(dá)方式、梯形圖語言及圖形符號(hào)類似于繼電器的電路圖，僅需可編程控制器的開關(guān)邏輯指令來實(shí)現(xiàn)機(jī)床電氣控制工作。

2.5 便于改造和維護(hù)

接線邏輯替代了可編程控制器的存儲(chǔ)邏輯，減少了設(shè)計(jì)、建造控制系統(tǒng)的時(shí)間和控制設(shè)備的外在接線，便于改變程序、后期維護(hù)，可以很快地改變生產(chǎn)過程。

3 PLC的運(yùn)行原理

3.1 數(shù)據(jù)采樣

可編程控制器能夠全面掃描輸入端的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，并將其保存至寄存器內(nèi)，可以刷新寄存器，然后過渡到執(zhí)行過程，此時(shí)可編程控制器的各類部件和寄存器會(huì)相互隔離，而外界信息變化不會(huì)影響寄存器的信息數(shù)據(jù)；在同一運(yùn)行周期內(nèi)，寄存器中存儲(chǔ)的信息數(shù)據(jù)具有較好的穩(wěn)定性，不會(huì)因外界信息改變而出現(xiàn)差錯(cuò)，這為可編程控制器準(zhǔn)確、高效運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.2 執(zhí)行程序

采集完信息數(shù)據(jù)后，需要依照可編程控制器的運(yùn)行原則全面掃描所有程序，然后進(jìn)入執(zhí)行程序階段。當(dāng)可編程控制器執(zhí)行命令時(shí)常會(huì)出現(xiàn)跳轉(zhuǎn)指令，此時(shí)需要詳細(xì)分析跳轉(zhuǎn)條件，然后進(jìn)行執(zhí)行判斷，跳轉(zhuǎn)地址直接決定該過程；在執(zhí)行程序過程中，假如跳轉(zhuǎn)指令中含有大量的輸出或者輸入信息時(shí)，可編程控制器會(huì)在上一階段自動(dòng)采集其他數(shù)據(jù)信息，然后將端子狀態(tài)輸入到存儲(chǔ)裝置中，進(jìn)而搜尋到相應(yīng)的工作狀態(tài)；當(dāng)可編程控制器尋找到程序當(dāng)前的正常工作狀態(tài)后，便可以執(zhí)行邏輯運(yùn)算，然后把運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)在寄存器內(nèi)；當(dāng)存儲(chǔ)完運(yùn)算結(jié)束后，需要全面分析工作性質(zhì)和狀態(tài)，然后運(yùn)算結(jié)果會(huì)隨著程序的執(zhí)行而產(chǎn)生變化。

3.3 數(shù)據(jù)輸出

采集后的信息數(shù)據(jù)常經(jīng)由程序執(zhí)行階段存儲(chǔ)到寄存器內(nèi)，然后以輸出或者輸入狀態(tài)存至鎖存器中，輸出上述處理結(jié)果，并據(jù)此驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。

4 改造PLC的原則和流程

4.1 明確各控件之間的控制要求

在改造PLC之前，應(yīng)先確定電氣控制系統(tǒng)的有關(guān)要求和各控件之間的控制要求，然后全面、系統(tǒng)地分析待改造機(jī)床的實(shí)際工作流程，進(jìn)而準(zhǔn)確列出機(jī)床控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和功能要求。

4.2 選取合適的硬件設(shè)備和可編程控制器

按照機(jī)床控制系統(tǒng)的實(shí)際要求，詳細(xì)估算可編程控制器的I/O點(diǎn)數(shù)；在購買可編程控制器時(shí)，應(yīng)以實(shí)際點(diǎn)數(shù)為基礎(chǔ)，存留10%～15%的裕量。因?yàn)榭删幊炭刂破饔卸喾N型號(hào)，應(yīng)把I/O點(diǎn)數(shù)當(dāng)成選型的最基本條件，然后充分考慮可編程控制器的特殊功能、數(shù)據(jù)處理速度以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量等，最后選擇性價(jià)比較高、性能優(yōu)良的可編程控制器。在某些控制系統(tǒng)中，還應(yīng)按照“輸入/輸出”這一回路中的信號(hào)要求和種類來選取相應(yīng)的“輸入/輸出”模塊；在最大程度運(yùn)用原有的輸出、輸入設(shè)備的原則上，明確所需的聲光顯示單元、電磁閥、按鈕、接觸器及傳感器等外部設(shè)備。

4.3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)所選的外部設(shè)備和可編程控制器來改造控制電路，并繪制機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的安全圖、電器布置圖以及接線圖等；設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件過程中，應(yīng)把同種類型的輸出點(diǎn)、輸入點(diǎn)集中在一起，并對(duì)其進(jìn)行連續(xù)分配，以便于閱讀和編寫程序。

4.4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在編寫程序過程中，可將已有的“接觸器-繼電器”電路控制原理圖轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的梯形圖，然后進(jìn)行必要的完善、修改，即所謂的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法；如有必要，可以依據(jù)改造機(jī)床的實(shí)際控制需求來重新繪制程序流程圖，并運(yùn)用順序控制設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)可編程控制器程序，使可編程控制器程序簡單、易懂。

4.5 系統(tǒng)調(diào)試

應(yīng)仔細(xì)檢查輸入可編程控制器內(nèi)的程序：可以進(jìn)行室內(nèi)模擬調(diào)試，查看各邏輯功能、輸出和輸入量變化是否符合實(shí)際需求；室內(nèi)調(diào)試準(zhǔn)確無誤后，在確保可編程控制器外部接線準(zhǔn)確情況下，進(jìn)行多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，如若發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)即刻解決的，如果無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)應(yīng)及時(shí)調(diào)整軟件或者硬件設(shè)施。

5 可編程控制器在機(jī)床控制系統(tǒng)應(yīng)用中的潛存問題

5.1 控制系統(tǒng)中存在的問題

短路或者斷路會(huì)影響控制設(shè)備中運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)的完整傳輸，如果可編程控制器接收的是不完整信息，該控制系統(tǒng)將無法準(zhǔn)確分析、判斷這些不完整信息，進(jìn)而導(dǎo)致控制系統(tǒng)中誤差的出現(xiàn)；而短路或者斷路的根本原因是線路故障，例如長時(shí)間使用線路而未進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S護(hù)和檢修均會(huì)引發(fā)線路老化，此外，機(jī)械拉扯、振動(dòng)、松動(dòng)或者昆蟲損壞均會(huì)影響電路的暢通性。

5.2 指令執(zhí)行中存在的問題

接觸器或者電動(dòng)閥門發(fā)生故障后，可編程控制器向機(jī)床控制設(shè)備發(fā)出的信息指令不能完整地傳遞到信息指令的執(zhí)行方，因而命令執(zhí)行方將無法依據(jù)要求完成預(yù)設(shè)行為。上述問題的主要誘因是電磁干擾或者接觸器未按要求緊密連接等。

6 PLC應(yīng)用技術(shù)在機(jī)床電氣控制中的改進(jìn)措施

6.1 增強(qiáng)信號(hào)的穩(wěn)定性及設(shè)備的安全性

隨著可編程控制器被廣泛地運(yùn)用到人們的日常工作和生活中，PLC操作和控制的安全性、信息反饋和指令傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及控制設(shè)備的連續(xù)性均顯得更加重要，因而應(yīng)定期保養(yǎng)、檢修可編程控制器的配件和主體，及時(shí)更換損壞嚴(yán)重和老化的配件，并逐步升級(jí)可編程控制器操作系統(tǒng)的功能模塊和界面，增強(qiáng)機(jī)床控制系統(tǒng)傳輸信息的穩(wěn)定性和信息反饋的靈敏性，使可編程控制器系統(tǒng)能更好地判斷、分析機(jī)床電氣設(shè)備。

6.2 完善系統(tǒng)故障預(yù)警功能

借助可編程控制器控制系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)信息，然后判斷、分析該信息，并及時(shí)反饋上述信息的結(jié)果，然后發(fā)揮故障提醒功能；依據(jù)智能分析給操作員以安全隱患警示；上述措施相互作用，可以確保操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，且能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)、確診、分析和解決故障。通過全方位收集、反饋和檢查生產(chǎn)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，從而避免機(jī)械設(shè)備故障和隱患引發(fā)的經(jīng)濟(jì)損失和生命財(cái)產(chǎn)損失。此外，需要在可編程控制器系統(tǒng)操作界面中開發(fā)處理故障和安全隱患的模塊，借助系統(tǒng)化和人性化程序編譯為企業(yè)提供穩(wěn)固發(fā)展的基礎(chǔ)保障。

7 結(jié)語

可編程控制器設(shè)備中電子芯片的可塑性較強(qiáng)，這在無形中擴(kuò)大了可編程控制器的使用范圍，這也使可編程控制器在機(jī)床控制系統(tǒng)中具備了更多的個(gè)性化設(shè)計(jì)，進(jìn)而為企業(yè)的生產(chǎn)安全和穩(wěn)定發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。通過分析可編程控制器在機(jī)床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，企業(yè)應(yīng)逐步增強(qiáng)可編程控制器系統(tǒng)中信號(hào)輸入的可靠性、完善預(yù)警系統(tǒng)的有效性，以確?？删幊炭刂破髟跈C(jī)床控制系統(tǒng)中的有效運(yùn)用，進(jìn)而提升企業(yè)日常生產(chǎn)的生產(chǎn)效率、可靠性和安全性，促進(jìn)企業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

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作者簡介：邊金田（1972-），供職于鄂爾多斯職業(yè)技術(shù)學(xué)校，研究方向：光機(jī)電一體化設(shè)備組裝與調(diào)試、可編程控制器、照明線路維修與施工。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）