PLC的車床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

趙漫漫

（無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無(wú)錫 214028）

PLC技術(shù)將傳統(tǒng)控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)有效地結(jié)合起來(lái)，克服了復(fù)雜機(jī)械接觸及傳統(tǒng)控制系統(tǒng)接線中，繼電器能耗高、可靠性低的缺點(diǎn)。同時(shí)，采用PLC技術(shù)采用繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單指令形式，有效地提高了編程效率。更為重要的是可根據(jù)不同的工藝要求修改相應(yīng)的參數(shù)及程序，并不需要重新設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，高速完成電氣控制系統(tǒng)對(duì)車床的控制，提高生產(chǎn)效率。

1 PLC技術(shù)

PLC是專為工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，采用可編程存儲(chǔ)器內(nèi)部?jī)?chǔ)存用戶設(shè)計(jì)的指令，實(shí)現(xiàn)定時(shí)、邏輯運(yùn)算、順序操作及算術(shù)運(yùn)算等特殊功能?？删幊绦蚩刂破骷坝嘘P(guān)設(shè)備，與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)各種功能。長(zhǎng)期以來(lái)，車床電氣控制在實(shí)際使用中，系統(tǒng)接線相對(duì)較復(fù)雜，增加了電氣故障診斷及維修難度。通過(guò)采用PLC技術(shù)，可重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)及布線，減少了工作量、人力及資金資源。PLC具有較好的適用性、通用性，可滿足車床電氣控制系統(tǒng)的改造需求。同時(shí)，有著較高的可靠性，且呈現(xiàn)出較好的柔性。更為重要的是，為電氣控制系統(tǒng)故障診斷及后期維修提供了方便，有著較高技術(shù)效益性。傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)采用CPU控制技術(shù)，對(duì)控制器進(jìn)行編程可完成對(duì)輸入數(shù)據(jù)預(yù)期處理，從而形成數(shù)據(jù)控制信號(hào)。由微處理器、控制中心、內(nèi)存、I/O接口及編程器所組成。當(dāng)前，軟PLC系統(tǒng)是在傳統(tǒng)PLC技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)的一種技術(shù)，數(shù)控機(jī)床的控制由CNC與PMC協(xié)調(diào)配合來(lái)完成，CNC可有效完成插補(bǔ)運(yùn)算、位置伺服控制、譯碼等，相應(yīng)完成工件的裝夾及刀具更換。機(jī)床輔助功能涉及有M、S、T等指令，其中M指令主要為冷卻液的開(kāi)關(guān)、卡盤(pán)的松緊及換刀等，S指令為主軸轉(zhuǎn)速的有效控制，T指令為刀具功能。由軟件編程、運(yùn)行系統(tǒng)所組成。軟件編程系統(tǒng)包括用戶編輯界面、編譯器、I/0仿真監(jiān)控界面，其中用戶編輯界面是給用戶提供最終界面，為用戶提供編程工具及編程方法。編譯器可將PLC程序編譯成梯形圖，轉(zhuǎn)換指令表，用戶更容易執(zhí)行此類梯形圖。I/O仿真監(jiān)控界面可監(jiān)控車床輸入輸出數(shù)據(jù)。運(yùn)行系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、解釋執(zhí)行區(qū)、硬件抽線層等結(jié)構(gòu)組成，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)是用來(lái)存儲(chǔ)控制電路傳送來(lái)的信息及運(yùn)行中產(chǎn)生的信息。解釋執(zhí)行區(qū)則是對(duì)指令、梯形圖型進(jìn)行解釋執(zhí)行。硬件抽線層可控制軟件到硬件接口，完成驅(qū)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)電路信號(hào)的發(fā)送及接收。

2 基于PLC的CA6140車床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

2.1 CA6140車床結(jié)構(gòu)及其控制要求

車床是用來(lái)車削外圓、內(nèi)圓、螺紋、端面及定型面，采用鉸刀、鉆頭等工具來(lái)鉆孔、倒角、切斷等。主拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)常選擇籠型異步電動(dòng)機(jī)，選擇機(jī)械調(diào)速，采用直接啟動(dòng)或Y-△啟動(dòng)，停車要求快速，且反轉(zhuǎn)。由單獨(dú)的快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)溜板箱，采用點(diǎn)動(dòng)控制，控制線路有必要的保護(hù)措施及安全的局部照明電路等。主軸電動(dòng)機(jī)M1、快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)M3可直接啟動(dòng)，并由接觸器KM1、中間繼電器KA1、中間繼電器KA2來(lái)控制。

2.2 PLC的CA6140車床電氣控制改造

根據(jù)CA6140車床電氣控制原理，從而制造PLC控制系統(tǒng)，其I/O分配如下表1、2所示。

表1 CA6140型車床PLC輸入分配

表2 CA6140型車床PLC輸出分配

（1）硬件設(shè)計(jì)。根據(jù)電氣控制系統(tǒng)功能將車床進(jìn)行分解，可合理分配PLC資源。對(duì)于普通車床，可將控制功能分為輔助控制、主動(dòng)控制兩大類，輔助控制包括主軸起動(dòng)、制動(dòng)功能、冷卻液提供、速度調(diào)節(jié)功能；主動(dòng)控制是指在X軸與Z軸兩方向上進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。采用PLC控制車床時(shí)，需將車床的控制及檢測(cè)信號(hào)輸入到PLC中，通過(guò)預(yù)先編制的PLC程序?qū)斎胄盘?hào)進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果輸出到相應(yīng)控制設(shè)備中，每一個(gè)輸入控制信號(hào)可通過(guò)輸入元件送出，且每一個(gè)輸入元件又有多個(gè)或者一個(gè)執(zhí)行設(shè)備相對(duì)應(yīng)，從而完成輸入指令控制動(dòng)作。進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)前，根據(jù)所需要控制的功能確定PLC輸入輸出點(diǎn)。堅(jiān)持分解原則，從而確定PLC的I/0點(diǎn)結(jié)果。根據(jù)PLC控制系統(tǒng)，輸入21個(gè)點(diǎn)，輸出14個(gè)點(diǎn)。在實(shí)際工作中，PLC輸入輸出點(diǎn)比一般理論值多百分之三十。為了方便操作，可設(shè)置20個(gè)輸出點(diǎn)及其30個(gè)輸入點(diǎn)。PLC控制系統(tǒng)的線路設(shè)計(jì)是機(jī)床電氣控制的關(guān)鍵步驟。通過(guò)電路連接將輸出元件與輸入元件連接起來(lái)，從而控制機(jī)床。與傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)布線相比較，PLC控制系統(tǒng)的線路連接相對(duì)簡(jiǎn)單一些。PLC控制系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中較為復(fù)雜的邏輯電路。根據(jù)PLC功能特點(diǎn)、控制對(duì)象，通過(guò)PLC將輸入與輸出元件有效結(jié)合起來(lái)。每一個(gè)輸入點(diǎn)都對(duì)應(yīng)相應(yīng)的輸出點(diǎn)，并且通過(guò)PLC對(duì)輸出元件動(dòng)作加以控制。對(duì)于一般車床電氣控制，其輸入輸出點(diǎn)數(shù)不超過(guò)256點(diǎn)，采用小型PLC來(lái)控制。小型PLC只需要簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算，通過(guò)開(kāi)合、起停及先后順序來(lái)控制相應(yīng)操作。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，可采用PLC系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有體積小及價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。輸入及輸出點(diǎn)都超過(guò)所需要的數(shù)據(jù)，可采用EM221數(shù)字量8點(diǎn)直流輸入模塊2個(gè)，擴(kuò)展后的PLC有26個(gè)輸出點(diǎn)、30個(gè)輸入點(diǎn)，可滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

（2）程序設(shè)計(jì)。編寫(xiě)PLC程序時(shí)，通過(guò)語(yǔ)句表、梯形圖及程序塊等形式來(lái)表示相應(yīng)程序。其中梯形圖具有直觀性，通過(guò)這一梯形圖形式可編寫(xiě)PLC程序。在編寫(xiě)完成后應(yīng)用PC/PPI電纜將程序送往PLC之中。通過(guò)分析PIC控制機(jī)制可得到連接SB2 Q0.0動(dòng)作，電機(jī)啟動(dòng)，車床運(yùn)行。接通SB1、Q02釋放，斷開(kāi)SB1、Q01動(dòng)作，電機(jī)停止，車床停止操作。通過(guò)旋轉(zhuǎn)z2按鈕，Q04動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)。需要冷卻時(shí)，通過(guò)接通SB7 Q03動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)輸送冷卻液。接通SB8后，PLC系統(tǒng)停止。編寫(xiě)PLC程序時(shí)，通過(guò)這一設(shè)計(jì)，有效簡(jiǎn)化了復(fù)雜繁瑣的布線結(jié)構(gòu)，在執(zhí)行新的生產(chǎn)流程時(shí)，需要重新編寫(xiě)及調(diào)整內(nèi)部程序，避免反復(fù)布線所造成的物力、人力資源浪費(fèi)。對(duì)于普通的車床，需要簡(jiǎn)單的條件及順序指令即可實(shí)現(xiàn)控制。僅僅在控制按鈕發(fā)出信號(hào)后，并對(duì)程序進(jìn)行計(jì)算，即可發(fā)出相應(yīng)的設(shè)備指令，控制系統(tǒng)。

（3）機(jī)床電氣控制系統(tǒng)常見(jiàn)故障。為了有效減少機(jī)床在加工過(guò)程中對(duì)機(jī)床自身、工作人員的傷害，通常對(duì)急停和超程進(jìn)行處理。急停按鈕對(duì)于當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)緊急情況時(shí)，需要對(duì)數(shù)控機(jī)床立即進(jìn)行停止運(yùn)動(dòng)或切斷動(dòng)力裝置的主電源。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警信息后，立即按下急停按鈕。查看報(bào)警信息排除故障后，松開(kāi)急停按鈕，使系統(tǒng)恢復(fù)正常。若機(jī)床長(zhǎng)期處于急停狀態(tài)，不能進(jìn)行復(fù)位操作?？赡苡捎谙到y(tǒng)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，系統(tǒng)信號(hào)并不能正確輸入輸出或復(fù)位條件不滿足引起的急停故障。也有可能由于PLC中所規(guī)定的系統(tǒng)復(fù)位并不能完成信息要求，應(yīng)檢查電源模塊。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，隨著我國(guó)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，制動(dòng)自動(dòng)化思想已深入人心。就當(dāng)前來(lái)看，我國(guó)制造業(yè)處于智能化及高度自動(dòng)化階段，基于PLC車床電氣控制系統(tǒng)在制造業(yè)中扮演著越來(lái)越重要的作用，PLC控制模塊與機(jī)床數(shù)控模塊有機(jī)結(jié)合起來(lái)，才能夠提高PLC的精確控制能力，同時(shí)在很大程度上提高了我國(guó)制造業(yè)生產(chǎn)效率，促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。