基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣自組合機(jī)床中的PLC電氣控制系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用

摘要：目前，數(shù)字控制技術(shù)被大量應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過程中。PLC電氣控制技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、高效的特點(diǎn)，以此備受重視。組合機(jī)床是對于某些指定工件，根據(jù)指定工序?qū)崿F(xiàn)批量加工的組合專用設(shè)備，此種設(shè)備具有較高的生產(chǎn)效率，并且機(jī)床結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，要求電氣設(shè)計穩(wěn)定?；诖?，文章就在組合機(jī)床中使用PLC技術(shù)，分析組合機(jī)床中PLC電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計和使用。

關(guān)鍵詞：組合機(jī)床;PLC;電氣控制系統(tǒng)

中圖分類號：TG502.35

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）06-0129-04

0 引言

組合機(jī)床屬于我國工業(yè)生產(chǎn)過程中尤為重要的機(jī)械設(shè)備，其主要是通過部分通用部件及專用部件實(shí)現(xiàn)特殊工件加工專用機(jī)床。因?yàn)榻M合加床生產(chǎn)加工都是根據(jù)指定生產(chǎn)工序?qū)崿F(xiàn)的，所以能夠在自動化控制系統(tǒng)中使用實(shí)現(xiàn)機(jī)床生產(chǎn)控制管理，從而使勞動效率得到提高，從而促進(jìn)工業(yè)自動化的持續(xù)發(fā)展。PLC剛好為具備良好性能的自動控制裝置，其可靠性較高，并且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，而且技術(shù)較為完善，配套較為齊全，便于操作學(xué)習(xí)及維護(hù)管理，體積比較小，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，所以被廣泛應(yīng)用到組合機(jī)床自動化控制系統(tǒng)改造中，能夠有效節(jié)約成本，使生產(chǎn)效率得到提高。

1 PLC的優(yōu)勢

1）可編程控制器利用存儲邏輯，其輸出端及輸人端要連接現(xiàn)場線路，控制邏輯還要通過程序方式在PLC內(nèi)存中存儲。實(shí)現(xiàn)控制邏輯的修改處理，只要修改程序相應(yīng)的內(nèi)容，不改變輸人輸出連接線路，以此表示PLC具有良好擴(kuò)展性及靈活性，并且PLC是利用大規(guī)模集成電路組裝的，具有體積小及功耗小的特點(diǎn)。

2）可編程控制器一般都是以程序指令實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體的控制，從而實(shí)現(xiàn)控制需求，具有較快的速度。假如利用晶體管及晶閘管輸出方式，就不會出現(xiàn)觸電抖動的情況，也不會出現(xiàn)觸電拉弧的情況。

3）可編程控制器利用半導(dǎo)體集成電路成為相應(yīng)定時器，具有交廣的定時范圍及較高的定時精度。用戶能夠以實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)定時值的設(shè)置，定時時間不會受到實(shí)際環(huán)境的影響。在編程過程中設(shè)置定時時間就不會改變，并且PLC能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)計數(shù)功能。

4） PLC利用微電子技術(shù)，其中大部分開關(guān)動作都是通過無觸點(diǎn)半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)，具有較高的可靠性。另外，PLC還具備監(jiān)控及自檢功能，實(shí)現(xiàn)自行診斷和顯示自身故障，并且實(shí)現(xiàn)控制程序執(zhí)行情況的動態(tài)監(jiān)控，以此為現(xiàn)場調(diào)試及維護(hù)提供便捷。

5） PLC通過面向操作者的語言編程，比如狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖、梯形圖等，對使用人員來說，只需要在短時間中掌握PLC指令系統(tǒng)及操作方法，就能夠滿足使用及編程目的[1]。

對比單片機(jī)，單片機(jī)的結(jié)構(gòu)較為簡單，并且使用方便，價格較為便宜等優(yōu)勢，一般都是在數(shù)據(jù)收集、工業(yè)控制等方面使用。但是，單片機(jī)并不是專門針對工業(yè)現(xiàn)場自動化控制實(shí)現(xiàn)設(shè)計的，所以也存在部分缺點(diǎn)。首先，單片機(jī)并不好掌握。使用單片機(jī)進(jìn)行自動控制一般都要利用微處理器匯編語言編程，以此要求技術(shù)人員熟悉機(jī)電控制。但是PLC使用面向操作人員語言編程，比如梯形圖狀態(tài)轉(zhuǎn)移等，對使用人員來說不需要掌握計算機(jī)知識，只需要在短時間中了解PLC簡單指令系統(tǒng)和操作方法就能夠使用及編程。另外，單片機(jī)沒有PLC使用中簡單。使用單片機(jī)能夠進(jìn)行自動控制，一般都是在輸入輸出接口中進(jìn)行工作。比如，對工程現(xiàn)場和單片機(jī)連接進(jìn)行全面考慮，輸出帶載荷能力、接口工作方式及接口擴(kuò)展等。不僅要設(shè)計控制程序托個，還要在單片機(jī)外圍實(shí)現(xiàn)硬件及軟件工作，才能夠連接控制現(xiàn)場，調(diào)試較為繁瑣。PLC輸入輸出接口良好，輸入接口能夠和無外接彈元開關(guān)相互連接，較為方便。輸出接口具備驅(qū)動負(fù)載能力，能夠滿足控制需求。另外，輸入及輸出接口通過光電耦合期間，能夠使現(xiàn)場干擾信號不容易進(jìn)入到PLC中[2]。

2 機(jī)床結(jié)構(gòu)和工作原理

機(jī)床通過4個動力頭及一個回轉(zhuǎn)工作臺構(gòu)成，是一種四工位組合機(jī)床，能夠?qū)崿F(xiàn)同個工件兩個面鏜孔和斷面粗加工及精加工，在自動循環(huán)的過程中，機(jī)床中四個動力頭能夠同時實(shí)現(xiàn)進(jìn)給加工，并且退回到原位之后，回轉(zhuǎn)工作臺就會將旋轉(zhuǎn)工位抬起然后落下，機(jī)床能夠循環(huán)的連續(xù)性工作。在按下控制盤預(yù)停按鈕的時候，機(jī)床在工件加工完成之后全部退回到原位，然后停止工作。選擇單機(jī)循環(huán)過程中，各個動力頭能夠單獨(dú)的加工工件。在實(shí)現(xiàn)機(jī)床調(diào)整過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)動力頭進(jìn)退、回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)起落及各個動力頭主軸電機(jī)開停的手動控制，圖l為機(jī)床的結(jié)構(gòu)。

3 基于PLC的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 組合機(jī)床的電氣控制需求

圖2為組合機(jī)床的繼電器控制電路，其中的M1指的是左動力頭電動機(jī)，M2指的是右動力頭電動機(jī)，M3指的是冷卻泵電動機(jī)。SAI和SA2指的是左右動力頭單獨(dú)調(diào)整開關(guān)，SA3指的是冷卻泵電動機(jī)工作選擇開關(guān)[3]。

3.2 PLC選型和1]0資源分配

系統(tǒng)通過組合機(jī)床控制需求設(shè)置21個開關(guān)量的輸入信號，7個開關(guān)量輸出。在設(shè)計使用過程中，為了能夠有效節(jié)約PLC點(diǎn)數(shù)，能夠使輸入信號接線進(jìn)行改變。使用此種方法降低PLC輸入點(diǎn)數(shù)量為15點(diǎn)，所以使用西門子CPU226型PLC實(shí)現(xiàn)設(shè)計，表1為1/0端子的分配。

3.3 組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)

本文使用世紀(jì)星組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)庫作為核心，向上表現(xiàn)為人機(jī)界面和其他應(yīng)用接口，向下表現(xiàn)為和其他應(yīng)用程序動態(tài)數(shù)據(jù)交換與現(xiàn)場設(shè)備驅(qū)動程序[4]。圖3為組態(tài)軟件的結(jié)構(gòu)。

組態(tài)軟件是通過開發(fā)系統(tǒng)與運(yùn)行系統(tǒng)構(gòu)成，開發(fā)系統(tǒng)與運(yùn)行系統(tǒng)為相互獨(dú)立應(yīng)用程序，都能夠單獨(dú)使用。并且兩者相互依存，在開發(fā)系統(tǒng)中所設(shè)計的工程及畫面應(yīng)用程序在運(yùn)行系統(tǒng)中運(yùn)行。組態(tài)軟件開發(fā)系統(tǒng)為應(yīng)用程序集成開發(fā)環(huán)境，在整個環(huán)境中，開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)動畫連接、工藝畫面設(shè)計、編寫命令語言、數(shù)據(jù)庫定義、設(shè)備安裝等。開發(fā)系統(tǒng)圖形生成功能較為完善，數(shù)據(jù)庫中具備大量數(shù)據(jù)類型所相應(yīng)的控制對象特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)報警、安全防范、歷史數(shù)據(jù)記錄及趨勢曲線等操作。

組態(tài)軟件通過實(shí)時的運(yùn)行軟件進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)行，創(chuàng)建實(shí)時畫面開發(fā)系統(tǒng)的動畫圖形畫面，并且還要交換I/O服務(wù)程序和數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。其利用實(shí)時數(shù)據(jù)庫管理通過工業(yè)控制對象收集多種數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)變化通過動畫方式充分的展現(xiàn)出來，并且實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)記錄、報警及趨勢曲線等監(jiān)視功能[5]。

3.4 組態(tài)界面內(nèi)核設(shè)計

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為使用者操作環(huán)境，但是在形成此環(huán)境以前，要實(shí)現(xiàn)多種內(nèi)核設(shè)計工作，從而實(shí)現(xiàn)上下機(jī)數(shù)據(jù)交換。內(nèi)核設(shè)計思想、數(shù)據(jù)流組織方法和系統(tǒng)運(yùn)行可靠率及運(yùn)行效率具有直接的聯(lián)系。PLC直接對于執(zhí)行機(jī)構(gòu)和信號輸入，在實(shí)現(xiàn)PLC程序設(shè)計過程中實(shí)現(xiàn)PLC內(nèi)部地址及I/O變量的分配及組織。所以，在實(shí)現(xiàn)上位系統(tǒng)組態(tài)過程中，要對PLC相應(yīng)變量進(jìn)行定義。不管是上位系統(tǒng)或者PLC，變量對應(yīng)為彼此地址對應(yīng)，利用地址對應(yīng)操作數(shù)據(jù)。為了方便記憶，并且提高程序可維護(hù)性，在實(shí)現(xiàn)地址分配過程中創(chuàng)建相應(yīng)標(biāo)記名，從而不需要直接使用地址操作，而是利用助記符進(jìn)行操作[6]。圖4為組態(tài)界面的流程。

3.5 操作程序設(shè)計

本文所分析組合機(jī)床PLC控制系統(tǒng)程序利用8Q2原繼電器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，利用轉(zhuǎn)變得出接觸器控制系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變過程中要對以下4點(diǎn)進(jìn)行重視：①處理輸入設(shè)備。在對輸入設(shè)備進(jìn)行處理的過程中，假如繼電器接觸器控制電路種具有常開觸點(diǎn)等設(shè)備，轉(zhuǎn)變成為PLC控制以后還是利用常開觸點(diǎn)進(jìn)行輸入，在程序中不改變觸點(diǎn)的狀態(tài)[7]。假如此設(shè)備的輸入是通過常開觸點(diǎn)進(jìn)行的，那么就要轉(zhuǎn)變成為PLC控制，或者通過常開觸點(diǎn)進(jìn)行輸入，程序中觸點(diǎn)利用相反的狀態(tài)實(shí)現(xiàn);②處理中間繼電器。再次過程中，PLC輔助繼電器就是傳統(tǒng)繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的中間繼電器;③中間單元的設(shè)計。程序設(shè)計的過程以線圈為單位，在繼電器控制器中全面考慮電路線圈的觸點(diǎn)及電路控制，如果為多線圈，利用某個觸點(diǎn)串聯(lián)的電路實(shí)現(xiàn)控制，在程序中利用此電路對輔助計算機(jī)進(jìn)行控制，從而有效簡化程序;④處理及輸出設(shè)備。傳統(tǒng)繼電器控制和控制器控制系統(tǒng)的電磁閥與接觸器的線圈均是輸出繼電器，接觸器觸點(diǎn)是通過輸出繼電器進(jìn)行代替的不改變狀態(tài)[8]。

3.6 輸入設(shè)備處理

在輸入設(shè)備進(jìn)行處理的過程中，繼電器一接觸器控制電路的設(shè)備包括常開觸點(diǎn)，朝著PLC控制轉(zhuǎn)變之后，輸入設(shè)備不改變程序中的觸點(diǎn)狀態(tài)，還是利用常開觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)輸入。朝著PLC控制轉(zhuǎn)變之后，如果此設(shè)備是利用常閉觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，此種設(shè)備的輸入設(shè)備還是常閉觸點(diǎn)，程序中的觸點(diǎn)也是相反的狀態(tài)。

在傳統(tǒng)繼電器控制器控制系統(tǒng)中，通過輸出繼電器線圈實(shí)現(xiàn)電磁閥及接觸器兩種線圈的代替，通過輸出繼電器觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)接觸器觸點(diǎn)的代替[9]。

3.7 通信部分設(shè)計

系統(tǒng)使用RS232串口進(jìn)行通訊，和西門子PLC、3個表實(shí)現(xiàn)通訊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控生產(chǎn)情況的收集，對和監(jiān)控界面創(chuàng)建的動畫連接進(jìn)行分析，或者到歷史數(shù)據(jù)庫存儲方便今后的使用。上位機(jī)監(jiān)控軟件通過Cen-tury Star進(jìn)行編寫，主要是利用計算機(jī)的圖形編輯功能實(shí)現(xiàn)，利用動畫方式能夠有效展現(xiàn)控制設(shè)備的狀態(tài)，其具備報警窗口，能夠方便生成各種報表，其功能較為強(qiáng)大。在運(yùn)行過程中，外部設(shè)備是通過驅(qū)動程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的，主要是指數(shù)據(jù)的收集與發(fā)送。所有的驅(qū)動程序都是COM對象，這種方式能夠通過Century Star及通信程序?qū)崿F(xiàn)完成系統(tǒng)的創(chuàng)建，除對系統(tǒng)運(yùn)行效率進(jìn)行保證外，還能夠讓系統(tǒng)滿足大規(guī)模需求，下位機(jī)的通信原理如圖5所示。

Century Star利用PPT通訊實(shí)現(xiàn)與PLC相互通信，訪問PLC相應(yīng)寄存器地址，在與PLC相互通信過程中，Century Sta能夠得出PLC控制設(shè)備狀態(tài)，對相應(yīng)寄存器值進(jìn)行修改。實(shí)際編程過程中不需要編寫或者讀寫PLC寄存器程序，其具備數(shù)據(jù)定義方法，對I/0變量完成定義之后，Century Star能夠直接利用變量名實(shí)現(xiàn)操作顯示及系統(tǒng)控制、報警顯示、數(shù)據(jù)記錄與趨勢分析。監(jiān)控軟件系統(tǒng)功能為：工藝流程圖及參數(shù)實(shí)時測量值的展現(xiàn)、下位機(jī)需要參數(shù)數(shù)值的實(shí)時修改、上位機(jī)與下位機(jī)的通信管理等。在主監(jiān)控站中創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，使過程監(jiān)控中的實(shí)時數(shù)據(jù)、圖表及畫面等信息到本地網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中存儲，通過FLASH、ASP等技術(shù)實(shí)現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁的生成，并且實(shí)時發(fā)布，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)web瀏覽[10]。

4 結(jié)語

組合機(jī)床能夠?qū)χ付üぜ?shí)現(xiàn)批量加工處理組合專用化設(shè)備，具有較高的生產(chǎn)效率，并且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，以此要求電氣控制系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性良好。在改變成為PLC控制之后，能夠解決原本繼電器接觸器控制系統(tǒng)接線較為復(fù)雜、較高故障率及較低可靠性的問題。另外，通過PLC自身輸入輸出接口通斷顯示功能，系統(tǒng)維護(hù)人員能夠精準(zhǔn)判斷故障部分，以此有效節(jié)約維修維護(hù)工作量，使維修維護(hù)時間得到縮短，從而提高機(jī)床工作穩(wěn)定性及可靠性，以此使生產(chǎn)效率得到提高。

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作者簡介：王麗君（1985 -），女，陜西西安人，碩士研究生，講師，主要從事機(jī)械設(shè)計與制造、機(jī)床電氣控制與PLC應(yīng)用、機(jī)械加工方法等的研究。