PLC技術(shù)下的機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：PLC技術(shù)是機(jī)床電氣控制系統(tǒng)改造主要技術(shù)，具有控制穩(wěn)定、運(yùn)行可靠的優(yōu)良特點(diǎn)。文章在分析基于PLC的機(jī)床電氣控制原理的基礎(chǔ)上，從PLC選型、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)幾個(gè)方面，論述了PLC技術(shù)在機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方案，并對(duì)基于PLC技術(shù)的機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)功能調(diào)試進(jìn)行了進(jìn)一步分析，希望為機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一些借鑒。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù);機(jī)床;電氣控制;自動(dòng)化

一、引言

機(jī)床是汽車、造紙、機(jī)械行業(yè)生產(chǎn)主要用工具，具有次品率低、效率高、適應(yīng)力強(qiáng)的特點(diǎn)。但是，在機(jī)床應(yīng)用時(shí)間不斷延長的背景下，電氣故障頻出，維修難度較大，影響了正常生產(chǎn)活動(dòng)的開展。而利用PLC技術(shù)設(shè)計(jì)機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)，可以發(fā)揮PLC脈沖輸出能力、浮點(diǎn)運(yùn)算能力，降低電氣控制故障率，為數(shù)控生產(chǎn)控制提供依據(jù)。因此，探究PLC技術(shù)在機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

二、基于PLC的機(jī)床電氣控制原理

機(jī)床電氣控制本質(zhì)上是對(duì)機(jī)床加工對(duì)象位置、加工速度與加速度進(jìn)行精密控制的過程，包括單坐標(biāo)控制、多坐標(biāo)控制兩種，部分情況下也可以為多目標(biāo)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。其中類似設(shè)備啟動(dòng)/關(guān)停的單坐標(biāo)控制可以利用開關(guān)量進(jìn)行控制;而多坐標(biāo)控制或多目標(biāo)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)需要借助脈沖量控制，PLC脈沖量處理功能較為突出，包括高電平、低電平兩個(gè)狀態(tài)，確保機(jī)床加工控制的經(jīng)濟(jì)性與有效性。在脈沖量控制時(shí)，需要先將物理量向電量轉(zhuǎn)換，再經(jīng)電壓物理量轉(zhuǎn)換為頻率脈沖量。根據(jù)機(jī)床電氣控制目的的差異，PLC控制可劃分為軌跡控制、位置控制、轉(zhuǎn)矩控制、模擬量控制、同步控制、速度控制幾種類型，其中位置控制在機(jī)床電氣控制中較為常見，特指控制機(jī)床加工對(duì)象或加工工具位置移動(dòng)，確保加工對(duì)象在指定的位置。

由機(jī)床運(yùn)動(dòng)形式與動(dòng)作規(guī)律可知，機(jī)床電氣控制包括主電路、控制電路幾個(gè)部分。主電路中，電動(dòng)機(jī)與速度繼電器串電阻瞬時(shí)沖動(dòng)，可經(jīng)主軸進(jìn)行速度控制;控制電路則經(jīng)正轉(zhuǎn)控制接觸器接通電源，自行鎖定電機(jī)串電阻啟動(dòng)并接通時(shí)間繼電器，則在時(shí)間限制內(nèi)促使電機(jī)全速正轉(zhuǎn)。或者經(jīng)反轉(zhuǎn)控制接觸器接通電源，自行鎖定電機(jī)串電阻啟動(dòng)，并與時(shí)間繼電器相連接，在預(yù)先設(shè)定時(shí)間段內(nèi)促使電機(jī)全速反轉(zhuǎn)。

三、PLC技術(shù)下的機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（一） PLC選型

根據(jù)機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行流程以及控制任務(wù)動(dòng)作特點(diǎn)，可以選擇適宜的PLC型號(hào)[1]。首先，根據(jù)機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)控制要求，結(jié)合后期改進(jìn)與擴(kuò)展預(yù)留量（10%左右），進(jìn)行輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算。估算公式為：

N=I（pi-1）Ei+O（P0-1）E0? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）中，N為輸入輸出點(diǎn)數(shù);I為輸入器件總數(shù);pi為機(jī)床電氣控制件工作狀態(tài)（接通/斷開）;Ei為機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)所使用的輸入器件總數(shù);O為輸出器件總數(shù);P0為輸出器件所處的工作狀態(tài)（電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)/正轉(zhuǎn)/停止）;E0為機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)所使用的輸出器件總數(shù)。

其次，根據(jù)用戶程序存儲(chǔ)要求，估算用戶程序編制字節(jié)，在留有余量（25%）的前提下，進(jìn)行PLC可容納存儲(chǔ)單元的估算。一般存儲(chǔ)容量為十倍數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)數(shù)與一百倍模擬輸入輸出點(diǎn)數(shù)的和。再次，根據(jù)PLC功能表，選擇適宜的控制功能。一般包括運(yùn)算功能、數(shù)據(jù)傳送、控制功能、診斷功能、通信功能等。其中運(yùn)算功能要求具有邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)移位、雙倍精度;數(shù)據(jù)傳送需要與寄存器之間傳送數(shù)據(jù)表生成數(shù)據(jù)庫;控制功能要求具有前饋補(bǔ)償控制運(yùn)算、順序邏輯控制;通信功能要求符合工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議。最后，根據(jù)控制規(guī)模，選擇適宜的PLC類型。一般大型機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)需要使用模塊化PLC，需要根據(jù)電源額定輸出電流大于輸入輸出模塊、CPU模塊及其他模塊總消耗電流的標(biāo)準(zhǔn)，額外選擇適宜的電源;而小型機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)需要箱體式PLC（包含全部模塊以及電源）。根據(jù)上述選型方法，可以選擇標(biāo)準(zhǔn)化、應(yīng)用范圍廣、易于擴(kuò)展的西門子S7-300系列，在Windows環(huán)境下進(jìn)行編程，集成人機(jī)界面，滿足機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行要求。

（二）硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.觸摸屏設(shè)計(jì)

觸摸屏即人機(jī)交互界面，是機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)與操作者進(jìn)行信息交互的中介，一般包括應(yīng)用程序、應(yīng)用程序接口、圖形界面控制與管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、通信控制與管理、設(shè)備控制與管理、操作系統(tǒng)幾個(gè)部分。根據(jù)操作者經(jīng)觸摸屏靈活設(shè)置進(jìn)給速度或加工深度等參數(shù)要求，應(yīng)優(yōu)選面向PLC而開發(fā)的小型化觸摸屏，如Easy View MT510。

2.驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位的關(guān)鍵，可以綜合考慮速度范圍、轉(zhuǎn)矩范圍、控制方式、精度要求、響應(yīng)速度等因素，選擇適宜的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。如在速度要求較高、響應(yīng)速度較快，且對(duì)耐振動(dòng)、耐高溫?zé)o較高要求時(shí)，可以選擇伺服電機(jī)。同時(shí)選配一對(duì)增量式光電編碼器，作為反饋裝置與驅(qū)動(dòng)電機(jī)、PLC共同組成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。

3.電源模塊設(shè)計(jì)

PLC技術(shù)下的機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)中的硬件模塊因自身屬性差異，對(duì)電源要求也具有一定差異。比如，PLC模塊對(duì)電源波動(dòng)具有嚴(yán)格要求，需要額外配置隔離變壓器與可靠的不間斷電源、濾波器，其中不間斷電源在系統(tǒng)斷開電路、輸入電壓波動(dòng)過大時(shí)承擔(dān)備用電源輸出、穩(wěn)壓責(zé)任，避免意外斷電引發(fā)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)毀損;而隔離變壓器可以為不間斷電源提供220V交流電，通過開啟或關(guān)閉電源，接通或斷開不間斷電源輸出端與負(fù)載;濾波器負(fù)責(zé)規(guī)避諧波對(duì)PLC模塊的干擾。再如，部分控制電路功率較小，需要由隔離變壓器提供穩(wěn)定可靠的24V電壓。而大負(fù)載驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)功率較大，需要選擇功率為1000VA的隔離變壓器，并在其輸出端串聯(lián)交流接觸器的一對(duì)常閉觸點(diǎn)，以便在驅(qū)動(dòng)器發(fā)生運(yùn)行故障時(shí)停止電力資源供應(yīng)，規(guī)避過載、過熱事故。

4.電氣控制模塊設(shè)計(jì)

PLC技術(shù)下的機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)主電路負(fù)責(zé)為各個(gè)功能模塊輸送適宜的電力能源，因電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)執(zhí)行階段需大量繼電器參與工作狀態(tài)執(zhí)行，需要根據(jù)控制原理圖進(jìn)行電氣元件的連接。即在電源開關(guān)與其他硬件模塊正常供應(yīng)電力能源的基礎(chǔ)上，開啟PLC控制模塊，自行檢測(cè)機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)是否存在驅(qū)動(dòng)電源斷電報(bào)警、總電源斷電報(bào)警信號(hào)。在確定電源正常后，將一個(gè)獨(dú)立的控制繼電器分配給輔助設(shè)備，以便加工作業(yè)時(shí)相關(guān)輔助設(shè)備有序啟動(dòng)。在開啟檢測(cè)無誤后，根據(jù)PLC輸出端無輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，需設(shè)置一個(gè)準(zhǔn)備按鈕，串聯(lián)通電延時(shí)繼電器、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，避免驅(qū)動(dòng)器接通電源時(shí)PLC錯(cuò)誤動(dòng)作。

（三）軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)置

微處理器是伺服驅(qū)動(dòng)器功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)者可以依據(jù)定制化思維，進(jìn)行軟件模塊參數(shù)設(shè)置，以便滿足機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)多場景運(yùn)行需要。從基本規(guī)格來看，驅(qū)動(dòng)主回路輸出電源及控制回路輸入電源均為三相200V50Hz，控制方式為正弦波控制，控制模式為位置控制，編碼器反饋為5線制增量式編碼器，輸入控制信號(hào)為伺服使能，輸出為伺服報(bào)警。在位置控制模式下，輸入為驅(qū)動(dòng)禁止輸入、脈沖指令輸入禁止，輸出為定位結(jié)束輸出，脈沖輸入時(shí)最大指令脈沖頻率為2Mpps，可用指令跟蹤控制、實(shí)時(shí)速度觀測(cè)器、振動(dòng)抑制控制。

2.PLC編程參數(shù)設(shè)置

在PLC機(jī)型確定之后，可以結(jié)合機(jī)床控制要求，為每一個(gè)輸入輸出分配地址。局部如下：

在PLC輸入輸出地址分配的基礎(chǔ)上，可以利用專門的軟件對(duì)PLC程序進(jìn)行編輯。在編輯前，需要確定熱繼電器處于接通狀態(tài)，且啟動(dòng)按鈕沒有被按下。進(jìn)而以主軸運(yùn)作為前提，設(shè)置主軸控制程序。即經(jīng)I0.3接通主軸正轉(zhuǎn)，并設(shè)置能耗制動(dòng)時(shí)間繼電器耗時(shí)為3s，進(jìn)而經(jīng)I0.4關(guān)停主軸，結(jié)束能耗制動(dòng)。

3.軟件模塊劃分

軟件模塊劃分是提高PLC技術(shù)下的機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)效率的主要手段，可以從機(jī)床加工準(zhǔn)備、機(jī)床加工操作兩個(gè)方面著手，進(jìn)行模塊劃分[2]。在機(jī)床加工準(zhǔn)備方面，機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)輔助模塊為初始化模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、調(diào)整模塊、對(duì)刀模塊。其中初始化模塊負(fù)責(zé)將電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)恢復(fù)最初狀態(tài);參數(shù)設(shè)置模塊負(fù)責(zé)輸入關(guān)鍵參數(shù)，如定時(shí)中斷操作等;調(diào)整模塊負(fù)責(zé)根據(jù)機(jī)床原點(diǎn)調(diào)整主軸位置;對(duì)刀模塊負(fù)責(zé)根據(jù)加工零點(diǎn)經(jīng)觸摸屏輸入加工初始間隙核算加工原點(diǎn)位置，對(duì)快進(jìn)狀態(tài)下主軸緩沖減速點(diǎn)位置核算提供依據(jù)。在機(jī)床加工操作方面，機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)輔助模塊為準(zhǔn)備模塊、手動(dòng)/自動(dòng)加工模塊、定時(shí)加工模塊。其中準(zhǔn)備模塊負(fù)責(zé)經(jīng)觸摸屏上觸摸鍵啟動(dòng)設(shè)備;手動(dòng)/自動(dòng)加工模塊負(fù)責(zé)經(jīng)觸摸屏設(shè)定加工深度、速度、時(shí)間參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行;定時(shí)加工模塊負(fù)責(zé)在預(yù)定時(shí)間加工工件。

除基本模塊外，還需要額外增設(shè)故障自診斷功能模塊、自動(dòng)保護(hù)功能模塊與意外斷電保護(hù)功能模塊、自動(dòng)控制功能模塊。其中故障自診斷功能模塊主要是自動(dòng)診斷、處理機(jī)床加工故障，確保機(jī)床加工過程順利進(jìn)行;自動(dòng)保護(hù)功能模塊負(fù)責(zé)自動(dòng)保護(hù)電源過流，規(guī)避陰極與陽極短路危害系統(tǒng);意外斷電保護(hù)功能模塊主要是在意外斷電情況下保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)，并記憶工件位置，為通電后加工作業(yè)正常開展提供依據(jù);自動(dòng)控制功能模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控加工溫度、速度，在溫度或速度低于設(shè)定極限值時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)。在模塊劃分后，設(shè)計(jì)者可以依據(jù)模塊化設(shè)計(jì)理念，將模塊組合為完整的拓?fù)淠Ｐ?。具體如圖1所示，將機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)模塊按照一定規(guī)則整合，可以形成對(duì)機(jī)床加工電氣自動(dòng)化控制具有指導(dǎo)作用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

四? PLC技術(shù)下的機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)功能調(diào)試

（一）硬件調(diào)試

在基于PLC技術(shù)的機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后，設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)硬件接線進(jìn)行檢查。在硬件接線檢查時(shí)，需要設(shè)計(jì)者判定變壓器、執(zhí)行件、負(fù)載電氣連接完整情況。進(jìn)入利用萬用表檢查各電氣觸點(diǎn)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)連接錯(cuò)誤、接觸不良問題。在確定電氣節(jié)點(diǎn)連接正確且無接觸不良問題后，借助按鈕通斷與萬用表操作，對(duì)每一條線路通斷情況進(jìn)行檢查，確保每一條線路通斷情況與設(shè)計(jì)要求一致。在確定控制回路、PLC接口電路接線與設(shè)計(jì)要求一致后，利用萬用表再次檢查線路連接情況。確定線路連接準(zhǔn)確無誤后，接通PLC電源，對(duì)每一個(gè)模塊運(yùn)行情況進(jìn)行檢查。并根據(jù)檢查結(jié)果進(jìn)行模塊調(diào)試。

（二）軟件調(diào)試

因基于PLC技術(shù)的機(jī)床電氣控制自動(dòng)化運(yùn)行環(huán)境限制，軟件調(diào)試選擇脫機(jī)調(diào)試方式，尋找軟件算法錯(cuò)誤、邏輯錯(cuò)誤，避免正常工作狀態(tài)（或特殊狀態(tài)）下系統(tǒng)邏輯算法錯(cuò)誤。為驗(yàn)證機(jī)床電氣控制自動(dòng)化程序完備性，需根據(jù)PLC程序功能表現(xiàn)，將待調(diào)試PLC程序模塊劃分為基于邏輯控制的程序段、基于數(shù)據(jù)處理的程序段。前者主要是在PLC基本單元組成無誤的前提下，根據(jù)每一個(gè)輸入點(diǎn)狀態(tài)指示燈、每一個(gè)輸出點(diǎn)狀態(tài)指示燈，利用按鈕模擬輸入信號(hào)，變更模塊狀態(tài)，判定輸出模塊與設(shè)計(jì)控制要求一致性。在確定兩者一致后，借助PLC的編程軟件，經(jīng)強(qiáng)制開關(guān)功能變更觸點(diǎn)狀態(tài)，為PLC程序調(diào)試提供支持。

基于數(shù)據(jù)處理的程序段調(diào)試高度復(fù)雜，無法通過PLC現(xiàn)有編程調(diào)試功能實(shí)現(xiàn)，而是通過多次輸入特殊值進(jìn)行驗(yàn)證。特殊值輸入現(xiàn)有經(jīng)觸摸屏界面進(jìn)行畫面編輯以及變量定義，進(jìn)而將定義變量傳送至PLC，完成PLC存儲(chǔ)器內(nèi)置數(shù)值的變更。在觸摸屏程序調(diào)試時(shí)，需要借助專門的觸摸屏程序制作軟件ViewjetCmore，在離線模擬運(yùn)行功能下，經(jīng)個(gè)人計(jì)算機(jī)執(zhí)行監(jiān)視畫面程序。在監(jiān)視畫面程序上選擇工具條的simulate project按鈕獲得模擬運(yùn)行確認(rèn)對(duì)話框，在對(duì)話框內(nèi)選擇觸摸屏型號(hào)。確定觸摸屏型號(hào)后，經(jīng)開始按鈕模擬運(yùn)行界面，完成模擬調(diào)試。在模擬調(diào)試結(jié)束后，連接觸摸屏、PLC，在線模擬觸摸屏與PLC聯(lián)機(jī)運(yùn)行情況。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，在線修改已編制觸摸屏程序，并經(jīng)人機(jī)界面讀寫PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行局部模塊完善，確保觸摸屏界面與PLC正常通訊，為PLC技術(shù)下的機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)完成對(duì)控制對(duì)象的監(jiān)控提供幫助。需要注意的是，在軟件模擬監(jiān)控界面內(nèi)，將CPU切換至運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)入待命狀態(tài)，根據(jù)指示運(yùn)行主軸或者開啟切削液等操作，根據(jù)操作時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)表現(xiàn)進(jìn)行輸入?yún)^(qū)、輸出區(qū)、內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)、共享數(shù)據(jù)塊以及模擬輸入量連續(xù)變化的調(diào)試，確保系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下相應(yīng)指示燈、中間繼電器可靠發(fā)揮作用。

五、結(jié)束語

綜上所述，傳統(tǒng)機(jī)床電氣控制系統(tǒng)為接線復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、故障率高的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，較之傳統(tǒng)電氣控制模式，PLC技術(shù)下的機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)具有通用、可靠、便于移植的優(yōu)良特點(diǎn)。基于PLC技術(shù)的機(jī)床電氣控制自動(dòng)化主要是依據(jù)工件工序、工藝要求對(duì)其通用部件動(dòng)作進(jìn)行控制，涉及了觸摸屏、電源、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等多個(gè)部件。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)PLC技術(shù)特點(diǎn)，進(jìn)行機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行功能模塊的調(diào)試，以便在充分發(fā)揮機(jī)床控制效能，為工業(yè)生產(chǎn)提供充足支持。

作者單位：李東旭? ? 中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]王佃超.PLC技術(shù)在數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].科技資訊，2021，19（32）：45-47.

[2]夏球.基于PLC應(yīng)用技術(shù)在數(shù)控機(jī)床電氣控制中的運(yùn)用研究[J].信息記錄材料，2021，22（03）：109-111.