基于PLC技術的數控機床控制系統設計

關鍵詞：數控機床；PLC；控制系統

中圖分類號：TP273；TG659 文獻標識碼：A

0引言

數控設備作為集機械與電子技術于一體的先進技術產物，其技術領先性、結構多樣性以及資本密集性的特征顯著。隨著企業規模的持續擴大，數控設備在生產中的應用類別和數量持續穩步增長，這對提升生產效率和靈活性具有關鍵作用。可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）既保持了傳統繼電器操作簡單、經濟實用的特性，又結合了計算機技術的靈活性和多功能性[1]。在當前網絡安全形勢日益嚴峻的環境下，PLC 展現出強大的安全防護能力。該設備支持多種先進的加密算法，確保了數據在傳輸過程中的高度安全性。同時，PLC 還集成了防火墻和入侵檢測系統等，使其能夠有效抵御各類網絡攻擊和惡意軟件的威脅，保障系統運行的穩定性和數據的安全性。采用PLC技術來設計數控機床的控制系統，旨在提升數控機床的性能，優化其在復雜工況下的運行表現，以確保在保障安全生產的同時，提高設備的運行效率和可靠性。這將為企業的長期穩定發展提供強有力的技術支撐。

1 數控機床及其控制系統架構

PLC 數字編程系統具有良好的抗干擾性能、高度可靠的程序運行穩定性和較高的工作效能，因此受到廣泛認可。其編程的數控平臺也展示出較好的適應性和靈活性。PLC 數字控制系統架構由用戶環境、硬件組件及軟件模塊共同構建[2]。在硬件架構設計上，該系統整合了外部與內部交互的接口。其中，外部接口負責與外部機械電氣設備進行通信，而內部接口則包含處理模塊、控制模塊以及用戶輸入/ 2d2c9a03fab81892276ae0f7627f3cd042a7b396e953f37d98046fe28c432c20輸出模塊，這些組件均嚴格遵循控制程序的精確指令運行。PLC 數字控制系統通過解析并執行獲取的數字指令來操縱數字機床，該系統由4 個相互協作的組件構成，包括程序媒介、數控設備、機床主體和電機系統。

圖1展示了PLC 數字控制系統的核心組件、輔助模塊以及擴展接口，并深入揭示了它們之間的緊密聯系。在核心組件的基礎上，輔助模塊和擴展接口賦予了系統應對復雜多變應用場景的強大能力。通過借助擴展接口，PLC 數字控制系統能夠無縫對接各類傳感器與執行器，實現對現場環境的實時監控與精確調控。

此外，隨著物聯網技術的蓬勃發展，PLC 數字控制系統正逐步向智能化、網絡化方向邁進。該系統通過融合云計算、大數據等先進技術，成功實現了遠程監控、故障診斷及數據分析等核心功能，大幅提升了系統的智能化水平和運行效率。在具體應用領域中，PLC 數字控制系統已廣泛應用于工業自動化、樓宇自控、交通控制等關鍵領域。

2 基于 PLC技術的數控機床控制系統硬件設計

系統硬件由嵌入式微處理器、存儲設備、輸入/ 輸出裝置以及這些組件間的互連網絡構成。其中，嵌入式微處理器在監管嵌入式數控機床的運行流程中起到核心作用。外部設備則通過數據存儲設備、計算機接口設備以及生成控制數據的打印設備等，實現系統與操作環境的交互功能。用戶可根據具體需求對硬件配置進行定制，以滿足特定應用需求。因此，系統中的嵌入式計算機必須確保與標準計算機完全兼容，并且其他硬件配置應與標準計算機系統保持一致，以保證其能夠執行與標準計算機相同的工作任務。

硬件設計核心集中在輸入接口的電路設計。此接口電路采用了集成型組件，該組件集成了光電隔離和信號濾波功能，能有效管理和接收來自數字量和模擬量輸入的信號[3]。微處理器的輸入接口由寄存設備、選通線路以及包含中斷請求邏輯的線路共同構建，通過將這些功能模塊整合于單一芯片，從而建立一個完整的集成化電路架構。

輸出接口部分采用基于繼電器的輸出方案，利用其固有的線圈與觸點隔離特性，使其能夠適應并連接各種不同特性與電壓等級的外部電路。因此，本設計中的PLC 能夠實現對繼電器輸出電路內部與外部驅動電路的完全隔離，從而在保證兩者相互獨立的同時，維持系統運行的穩定性和可靠性[4]。

3 基于PLC技術的數控機床控制系統軟件設計

3.1 數控機床控制數據通信接收

在數控機床系統的操作流程中，首先是對數據進行獲取與管控，這一步驟主要通過接口模塊從外部輸入端口捕獲控制指令。由于實際操作中數據可能混雜一些非有效信息，所以需要利用PLC 進行系統性的排查處理，依據預設的控制邏輯對這些數據進行甄別，確保只有有效信息能夠被安全地存儲在內存中，以備后續的處理步驟使用。在程序運行進程中，借助機床內置的控制數據穩定機制，以確保在輸入控制數據出現變動的情景下，存儲的控制數據能夠維持其固有的穩定性，有效防止任何潛在的異常狀況發生。控制數據的更新操作將嚴格遵循預定的周期性規則，在下一個既定的數據接收周期中進行安全操作，從而保證系統的穩定運行。

3.2 基于PLC 的控制數據映射

在數控機床的控制流程中，通信接收階段結束后，系統將立即通過專用的計算接口進行精確、高效的控制數據交流，以獲取由兩個8 位的十六進制數值組成的參數[5]。這些數值經過映射轉換，能夠精準解析各個控制點的數值，隨后這些值會被安全地儲存在特定的變量中，實現局部的數據映射。基于PLC 的控制數據映射階段是系統的核心操作，該系統充分運用其功能，將用戶的輸入參數精確無誤地轉化為控制指令，以確保對數控機床進行精準操作。在數據采集環節，將用戶編寫的語言程序轉變為系統可運行的數據，再利用計算機接口板的端口狀態對信息進行實時存儲。這些數據隨后被導入映射區域，通過映射程序解析數據的原始含義及相應背景信息，以得到精確的控制決策，確保操作的規范性和準確性。

3.3 數控機床控制程序執行

實現數控機床控制程序執行的首要任務是根據用戶的輸入信息，采用運行控制程序來達成預期的輸出效果。在設計過程中，首先，需要確保控制數據變量與系統接口的精確對應，以實現設備元件狀態的實時同步。控制程序將被拆解為多個獨立的操作模塊，逐一進行轉化處理。每個模塊均與機床的特定元件相匹配，各自承載獨立的控制邏輯和功能。其次，本文還對邏輯進行后序周游，使系統在后序周游的過程中對各個控制指令進行邏輯運算，并將運算結果輸出至對應的映射區域。最后，依據映射區域的運算結果執行相應的控制指令，進而實現對數控機床精確、高效的控制。

4 仿真實驗

本文對初始的數控機床工業控制系統實施了PLC 的改良與優化策略，同時運用線性控制器中的比例積分（proportional integral，PI）控制器進行了仿真驗證。首先，在進行模糊控制前，根據受控對象的數學模型，搭建PI 控制器模型，再根據躍階響應的曲線調制PI 參數。其次，在模糊控制階段，選擇信號絕對值與微分環節輸出信號的絕對值作為輸入參數，結合積分環節的傳輸函數，將其輸入系統運行模型中，以深入研究動態波形特性。

通過對系統的響應曲線進行分析，可以得出以下結論：在應用PLC優化后，相較于未優化的控制系統，改良系統的響應時間顯著減少，PI 控制器的效率有所提升，并且系統超調量更小。此外，經過PLC 優化的機床控制體系表現出更快的響應速度和更短的過渡時間，使數控系統可以更迅速地進入穩定的工作狀態，其穩定性和精度均得到了顯著增強，具有較好的可靠性。此外，優化前的數控系統在1.1s 后才趨向穩定，且伴有微小的波動，這種狀況可能導致刀具的磨損加劇和加工零件的不良品率增加。然而，使用了PLC優化的模糊PI 控制系統后，數控系統在0.6 s 內即能實現穩定，且后期的曲線保持了高度平滑，波動幅度極小，這極大地提升了機床運行的穩定性。這充分證明了改進后的系統在精確度和穩定性方面都具有顯著的性能優勢。

5 結語

綜上，隨著各行業對數控技術的依賴度持續增強，提升該技術的尖端性已成為當前的關鍵需求。在機電行業中，數控機床的控制系統居于核心地位，其與PLC的集成運用顯著提升了企業的生產效能，同時對數控機床的性能改進具有積極影響。本文對結合PLC的數控機床控制系統進行深入研究和分析，旨在優化機床系統的架構，從而推動機電行業的進步。