PLC在萬(wàn)能銑床電氣控制中的應(yīng)用初探

孫 偉

（濰坊工程職業(yè)學(xué)院，山東濰坊 262500）

在我國(guó)，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步較晚，并且該系統(tǒng)存在很多不足，研發(fā)和更新的速度較為緩慢，因此對(duì)于相關(guān)的企業(yè)單位來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)過(guò)程中不需要使用過(guò)于先進(jìn)的電動(dòng)機(jī)床，而萬(wàn)能銑床這一類(lèi)的電氣機(jī)床還是可以研發(fā)出來(lái)的，但如何提高該數(shù)控系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性成為技術(shù)人員和企業(yè)首先考慮的問(wèn)題。此外，數(shù)控產(chǎn)業(yè)是我國(guó)重要的產(chǎn)業(yè)類(lèi)型，在生產(chǎn)以及加工零部件方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。數(shù)控銑床控制系統(tǒng)可以將機(jī)械加工提升到新的層面，在推動(dòng)電子產(chǎn)品發(fā)展方面有重要意義。PLC是一種電力控制器，是通過(guò)數(shù)字或者模擬量對(duì)機(jī)械進(jìn)行控制的設(shè)備，對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程起到了一定維護(hù)和調(diào)節(jié)作用。

1 PLC的基本結(jié)構(gòu)組成

PLC是一種可以編程的可用控制器，主要是通過(guò)內(nèi)部的可編程和存儲(chǔ)的電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)編程和控制的，可以執(zhí)行的功能有各種邏輯運(yùn)算和系統(tǒng)設(shè)備的定時(shí)控制等，通過(guò)這些操作可以使機(jī)械過(guò)程中的數(shù)字輸出和輸入變得可控[1]。總體來(lái)說(shuō)，PLC實(shí)際上就是一種用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)設(shè)備，基本的功能如下。

（1）電源構(gòu)造

PLC的電源是非常重要的部件，如果設(shè)備的電源不能及時(shí)和高效的使用，會(huì)嚴(yán)重影響到設(shè)備的正常工作，也正是因?yàn)檫@種狀況，生產(chǎn)制造廠家都對(duì)電源的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)非常注重。設(shè)備交流電的電波一般控制在+9%（+10%）以內(nèi)，值得注意的是不能將PLC在沒(méi)有任何防范措施下接入到系統(tǒng)的交流電中[2]。

（2）設(shè)備的中央處理單元

設(shè)備的中央處理單元又簡(jiǎn)稱(chēng)為CPU，是系統(tǒng)實(shí)施控制功能的中樞部件。可以存儲(chǔ)由編程器鍵入的數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序，主要的功能是負(fù)責(zé)對(duì)電源狀況、系統(tǒng)存儲(chǔ)單元以及定時(shí)器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查，要能對(duì)用戶程序中語(yǔ)言輸入的錯(cuò)誤狀況予以診斷[3]。在邏輯控制器運(yùn)行之前，可以將設(shè)備的輸入狀態(tài)與設(shè)備的數(shù)據(jù)一起存入設(shè)備的印象區(qū)域，再?gòu)拇鎯?chǔ)器中讀出用戶的應(yīng)用程序，對(duì)命令進(jìn)行了解釋以后，邏輯和運(yùn)算都符合規(guī)定就可以將最終的運(yùn)算結(jié)果存入設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。在設(shè)備中的所有程序都已經(jīng)運(yùn)行結(jié)束后就可以將印象區(qū)域的所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)備的輸出裝置中去，可以一直循環(huán)操作[4]。

（3）設(shè)備內(nèi)存儲(chǔ)器和接口電路

一般，用來(lái)存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器被稱(chēng)為系統(tǒng)存儲(chǔ)器，而存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器則被稱(chēng)為用戶存儲(chǔ)器。接口的輸入電路為光耦和電路，可以很好的控制接口與界面的輸入通道。

2 PLC的工作原理

這種可編程的控制器運(yùn)行一般可分為兩個(gè)操作階段，操作順序?yàn)檩斎霑r(shí)的采樣和程序的執(zhí)行。這兩個(gè)階段的具體內(nèi)容如下。

（1）采樣輸入階段

在采樣輸入階段中，PLC控制器讀取數(shù)據(jù)的方式是以掃描的方式完成的，在掃描完成后可以將數(shù)據(jù)依次存入到設(shè)備的印象區(qū)域內(nèi)[5]。在完成了采樣以后，可以對(duì)用戶的執(zhí)行程序和輸入程序進(jìn)行刷新。如果系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，也不會(huì)影響到印象區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)。所以，如果系統(tǒng)輸出的信號(hào)是脈沖形式的，那么，信號(hào)寬度就要比一個(gè)掃描周期大，只有這樣才能保證輸入的數(shù)據(jù)全部都被讀取到。

（2）程序的執(zhí)行方式

在該階段，PLC控制器是以梯形圖的方式進(jìn)行掃描的。掃描時(shí)可以先掃描接觸點(diǎn)上的控制線路，邏輯運(yùn)算可以沿著控制路線自上而下進(jìn)行，最后可以根據(jù)運(yùn)算的結(jié)果對(duì)設(shè)備存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)的邏輯線圈進(jìn)行刷新，還可以刷新出設(shè)備印象區(qū)域的輸出線圈[6]。

3 PLC系統(tǒng)的應(yīng)用特征

（1）應(yīng)用便捷，程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單

PLC控制系統(tǒng)編寫(xiě)語(yǔ)言的過(guò)程是應(yīng)用梯形圖、邏輯順序圖以及編程語(yǔ)言的列表等，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要過(guò)于復(fù)雜的程序語(yǔ)言，因此不用通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)知識(shí)就可以完成整個(gè)系統(tǒng)的程序編寫(xiě)。此外，鑒于設(shè)備系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間相對(duì)較晚，因此，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)較為容易，在對(duì)程序進(jìn)行修改時(shí)也不用將內(nèi)部的硬件拆除。

（2）設(shè)備可靠性強(qiáng)

一般的繼電系統(tǒng)都在使用各種相間的繼電器和時(shí)間控制繼電器，這些繼電器因?yàn)樾枰c各種線路進(jìn)行連接，如果有一個(gè)線路的接觸點(diǎn)發(fā)生故障，就容易引發(fā)整個(gè)系統(tǒng)的故障，造成經(jīng)濟(jì)損失。PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以取代各種繼電設(shè)備，只需要使用少量的輸出或者輸入的硬件，造成事故的幾率大大減少。此為，PLC還采用了一些抗干擾的設(shè)備，無(wú)故障的平均時(shí)間可以達(dá)到幾千個(gè)小時(shí)，非常適用于干擾強(qiáng)的生產(chǎn)車(chē)間。

（3）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作

因?yàn)镻LC漸漸取代了大量的繼電器，因此使繼電器的調(diào)節(jié)和控制工作減少。用戶可以在室內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，輸入的信號(hào)可以通過(guò)小型的開(kāi)關(guān)模擬進(jìn)行，觀察輸出信號(hào)可以通過(guò)PLC上面的二極管實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)安裝和接線都完成以后，對(duì)于調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題可以通過(guò)修改程序來(lái)解決，調(diào)試的時(shí)間也比傳統(tǒng)的繼電器調(diào)試時(shí)間少。

4 數(shù)控銑床的基本構(gòu)造和控制標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)控銑床的構(gòu)成有控制機(jī)械、CNC控制器、全數(shù)字形式的交流驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)、PL編程控制器以及變頻器設(shè)備等[7]。CNC控制器負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)的位置、程序的編寫(xiě)和程序的運(yùn)行、系統(tǒng)參數(shù)的運(yùn)算、診斷以及報(bào)警等；驅(qū)動(dòng)器則需要完成系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算和控制；變速器一般完成系統(tǒng)主軸的速度調(diào)節(jié)，通過(guò)控制可以操控主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向；而在銑床中PLC負(fù)責(zé)電氣控制系統(tǒng)的故障診斷。

從系統(tǒng)的控制標(biāo)準(zhǔn)上看，數(shù)控銑床的控制階段分為主控系統(tǒng)的控制和系統(tǒng)的輔助控制兩個(gè)方面，而系統(tǒng)控制中的主軸控制又可以分為方向控制和一些進(jìn)給軸的控制，因?yàn)樾枰刂频膯卧芏啵虼艘褂肞LC電氣控制系統(tǒng)，以減少繼電設(shè)備的使用。輸出端口在對(duì)接觸器實(shí)施控制的過(guò)程中，可以最終控制到主控系統(tǒng)。

PLC的輸出端口可以與數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的一些電氣設(shè)備連接從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。CNC控制系統(tǒng)控制器可以通過(guò)PLC的程序?qū)崿F(xiàn)各項(xiàng)操作功能，最終還可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障的排查和修補(bǔ)[8]。一般，PLC的輸出或是輸入的端口都是與系統(tǒng)內(nèi)的變頻器和CNC相互連接的，PLC系統(tǒng)可以對(duì)數(shù)控銑床的開(kāi)關(guān)以及內(nèi)部構(gòu)建進(jìn)行檢測(cè)，報(bào)警可根據(jù)檢測(cè)的最終信號(hào)實(shí)現(xiàn)，在檢查故障時(shí)可以先將電源切斷，以確保系統(tǒng)安全，還有冷卻控制以及潤(rùn)滑控制等功能。

5 PLC在數(shù)控銑床中的電路以及軟件設(shè)計(jì)

（1）PLC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為確保數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的故障診斷符合標(biāo)準(zhǔn)，就要選擇質(zhì)量合格的編程控制器，本文以SYSMACCPMIA型控制器為例進(jìn)行論述，該控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出接是30點(diǎn)的，有23個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，可輸出15個(gè)控制點(diǎn)，編程控制器結(jié)構(gòu)為輸出和輸入型，并且結(jié)構(gòu)的安裝調(diào)試非常方便，響應(yīng)的速度較快。

PLC的映像通道可以按照電氣控制構(gòu)建特征以及控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分配，PLC在系統(tǒng)中可以與各種電氣設(shè)備連接，從而達(dá)到系統(tǒng)檢測(cè)功能。PLC印象區(qū)域如表1所示。

表1 印象區(qū)域地址分配表

（2）PLC的控制軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)設(shè)備的通信接口，PLC的輸出和輸入地址可按照程序編制的梯形圖（如圖1所示）實(shí)現(xiàn)程序的控制，控制程序可以控制兩個(gè)部分，分別是主軸的控制和進(jìn)給的主電路控制，在控制完成以后，就可以按照CNC控制器和系統(tǒng)變頻器控制系統(tǒng)的輸入和輸出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的報(bào)警和故障的消除。

一般，PLC的可靠性和安全性較高，PLC系統(tǒng)內(nèi)的輸入和輸出點(diǎn)以及開(kāi)關(guān)部位容易出現(xiàn)故障。因此，在對(duì)系統(tǒng)實(shí)施設(shè)計(jì)時(shí)，要優(yōu)先考慮系統(tǒng)是否具有檢測(cè)系統(tǒng)故障的功能，以使整個(gè)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性提高。

圖1 梯形圖

（1）在對(duì)銑床軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要注意電源的開(kāi)關(guān)是否已經(jīng)斷開(kāi)，控制信號(hào)預(yù)留的種類(lèi)也是有要求的，一般需要留有強(qiáng)電關(guān)閉信號(hào)，無(wú)論設(shè)備信號(hào)處于什么狀態(tài)，都要首先斷電處理。通過(guò)上面的圖2就可以顯示出，在關(guān)斷信號(hào)處于X2部位時(shí)，信號(hào)啟動(dòng)效果無(wú)論處于什么狀態(tài)，繼電器都要被切斷，但是X2為0時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)變?yōu)?，才可以重新啟動(dòng)繼電器，與此同時(shí)，只有繼電器的接觸點(diǎn)自動(dòng)鎖住，繼電器則可以繼續(xù)保持關(guān)閉狀態(tài)。

（2）動(dòng)作互鎖控制也要非常注意，一定要控制好主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和發(fā)生的動(dòng)作路徑，在發(fā)生這兩種變化時(shí)，為確保方向和路徑不發(fā)生偏差，要采用必要的互鎖控制。互鎖信號(hào)可以應(yīng)用M200和M210兩種常閉接觸點(diǎn)，可將這兩個(gè)接觸點(diǎn)并入到控制回路中去，這樣就可以保證繼電器和M210其中一個(gè)是啟動(dòng)的先決條件，另一個(gè)控制回路就一定要將電源關(guān)閉。如果有一個(gè)回路在啟動(dòng)后都可以確保另一個(gè)回路電源自動(dòng)關(guān)閉，這樣可確保兩者不會(huì)同時(shí)發(fā)生動(dòng)作。

（3）在注意了互鎖控制以后，就要注意順序連鎖的控制，銑床的運(yùn)行控制是有嚴(yán)格要求的，拉伸機(jī)上得到了推廣應(yīng)用，既為企業(yè)節(jié)約了維修工時(shí)和費(fèi)用，又為企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)的完成提供了可靠保證，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 2014年度變頻器冷卻方式改進(jìn)后的故障情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表

6 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)后的變頻器冷卻方式有效地拓寬了變頻器的使用空間和時(shí)間，特別適用于一些較狹小且溫度濕度較高，通風(fēng)散熱條件較差的環(huán)境，對(duì)于同類(lèi)場(chǎng)所和環(huán)境條件下的生產(chǎn)企業(yè)具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］魏連榮.變頻器原理及實(shí)例解析［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

［2］變頻器使用說(shuō)明書(shū)［Z］.日本安川，2003.

［3］王延才.變頻器原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.