PLC在萬能銑床電氣控制中的應用初探

孫 偉

（濰坊工程職業(yè)學院，山東濰坊 262500）

在我國，數(shù)控技術的發(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，因此對于相關的企業(yè)單位來說，生產(chǎn)過程中不需要使用過于先進的電動機床，而萬能銑床這一類的電氣機床還是可以研發(fā)出來的，但如何提高該數(shù)控系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性成為技術人員和企業(yè)首先考慮的問題。此外，數(shù)控產(chǎn)業(yè)是我國重要的產(chǎn)業(yè)類型，在生產(chǎn)以及加工零部件方面具有一定的優(yōu)勢。數(shù)控銑床控制系統(tǒng)可以將機械加工提升到新的層面，在推動電子產(chǎn)品發(fā)展方面有重要意義。PLC是一種電力控制器，是通過數(shù)字或者模擬量對機械進行控制的設備，對于生產(chǎn)過程起到了一定維護和調(diào)節(jié)作用。

1 PLC的基本結構組成

PLC是一種可以編程的可用控制器，主要是通過內(nèi)部的可編程和存儲的電子設備實現(xiàn)編程和控制的，可以執(zhí)行的功能有各種邏輯運算和系統(tǒng)設備的定時控制等，通過這些操作可以使機械過程中的數(shù)字輸出和輸入變得可控[1]。總體來說，PLC實際上就是一種用于工業(yè)控制的計算機設備，基本的功能如下。

（1）電源構造

PLC的電源是非常重要的部件，如果設備的電源不能及時和高效的使用，會嚴重影響到設備的正常工作，也正是因為這種狀況，生產(chǎn)制造廠家都對電源的設計和生產(chǎn)非常注重。設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在沒有任何防范措施下接入到系統(tǒng)的交流電中[2]。

（2）設備的中央處理單元

設備的中央處理單元又簡稱為CPU，是系統(tǒng)實施控制功能的中樞部件。可以存儲由編程器鍵入的數(shù)據(jù)和應用程序，主要的功能是負責對電源狀況、系統(tǒng)存儲單元以及定時器進行實時檢查，要能對用戶程序中語言輸入的錯誤狀況予以診斷[3]。在邏輯控制器運行之前，可以將設備的輸入狀態(tài)與設備的數(shù)據(jù)一起存入設備的印象區(qū)域，再從存儲器中讀出用戶的應用程序，對命令進行了解釋以后，邏輯和運算都符合規(guī)定就可以將最終的運算結果存入設備的數(shù)據(jù)存儲器中。在設備中的所有程序都已經(jīng)運行結束后就可以將印象區(qū)域的所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O備的輸出裝置中去，可以一直循環(huán)操作[4]。

（3）設備內(nèi)存儲器和接口電路

一般，用來存放系統(tǒng)軟件的存儲器被稱為系統(tǒng)存儲器，而存放應用軟件的存儲器則被稱為用戶存儲器。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行一般可分為兩個操作階段，操作順序為輸入時的采樣和程序的執(zhí)行。這兩個階段的具體內(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)依次存入到設備的印象區(qū)域內(nèi)[5]。在完成了采樣以后，可以對用戶的執(zhí)行程序和輸入程序進行刷新。如果系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，也不會影響到印象區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)。所以，如果系統(tǒng)輸出的信號是脈沖形式的，那么，信號寬度就要比一個掃描周期大，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行掃描的。掃描時可以先掃描接觸點上的控制線路，邏輯運算可以沿著控制路線自上而下進行，最后可以根據(jù)運算的結果對設備存儲區(qū)域內(nèi)的邏輯線圈進行刷新，還可以刷新出設備印象區(qū)域的輸出線圈[6]。

3 PLC系統(tǒng)的應用特征

（1）應用便捷，程序編寫簡單

PLC控制系統(tǒng)編寫語言的過程是應用梯形圖、邏輯順序圖以及編程語言的列表等，因為結構相對簡單，不需要過于復雜的程序語言，因此不用通過復雜的計算機知識就可以完成整個系統(tǒng)的程序編寫。此外，鑒于設備系統(tǒng)的開發(fā)時間相對較晚，因此，在現(xiàn)場調(diào)試時較為容易，在對程序進行修改時也不用將內(nèi)部的硬件拆除。

（2）設備可靠性強

一般的繼電系統(tǒng)都在使用各種相間的繼電器和時間控制繼電器，這些繼電器因為需要與各種線路進行連接，如果有一個線路的接觸點發(fā)生故障，就容易引發(fā)整個系統(tǒng)的故障，造成經(jīng)濟損失。PLC控制系統(tǒng)的應用可以取代各種繼電設備，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備，無故障的平均時間可以達到幾千個小時，非常適用于干擾強的生產(chǎn)車間。

（3）系統(tǒng)的設計和調(diào)試工作

因為PLC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)對系統(tǒng)進行調(diào)試，輸入的信號可以通過小型的開關模擬進行，觀察輸出信號可以通過PLC上面的二極管實現(xiàn)。在系統(tǒng)安裝和接線都完成以后，對于調(diào)試中出現(xiàn)的問題可以通過修改程序來解決，調(diào)試的時間也比傳統(tǒng)的繼電器調(diào)試時間少。

4 數(shù)控銑床的基本構造和控制標準

數(shù)控銑床的構成有控制機械、CNC控制器、全數(shù)字形式的交流驅動器系統(tǒng)、PL編程控制器以及變頻器設備等[7]。CNC控制器負責顯示系統(tǒng)的位置、程序的編寫和程序的運行、系統(tǒng)參數(shù)的運算、診斷以及報警等；驅動器則需要完成系統(tǒng)的插補計算和控制；變速器一般完成系統(tǒng)主軸的速度調(diào)節(jié)，通過控制可以操控主軸的轉動速度和轉動方向；而在銑床中PLC負責電氣控制系統(tǒng)的故障診斷。

從系統(tǒng)的控制標準上看，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給軸的控制，因為需要控制的單元很多，因此要使用PLC電氣控制系統(tǒng)，以減少繼電設備的使用。輸出端口在對接觸器實施控制的過程中，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)的一些電氣設備連接從而實現(xiàn)報警功能。CNC控制系統(tǒng)控制器可以通過PLC的程序實現(xiàn)各項操作功能，最終還可以實現(xiàn)系統(tǒng)故障的排查和修補[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)可以對數(shù)控銑床的開關以及內(nèi)部構建進行檢測，報警可根據(jù)檢測的最終信號實現(xiàn)，在檢查故障時可以先將電源切斷，以確保系統(tǒng)安全，還有冷卻控制以及潤滑控制等功能。

5 PLC在數(shù)控銑床中的電路以及軟件設計

（1）PLC的系統(tǒng)設計

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

PLC的映像通道可以按照電氣控制構建特征以及控制標準進行分配，PLC在系統(tǒng)中可以與各種電氣設備連接，從而達到系統(tǒng)檢測功能。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的控制軟件設計

通過設備的通信接口，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）實現(xiàn)程序的控制，控制程序可以控制兩個部分，分別是主軸的控制和進給的主電路控制，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)的輸入和輸出實現(xiàn)系統(tǒng)的報警和故障的消除。

一般，PLC的可靠性和安全性較高，PLC系統(tǒng)內(nèi)的輸入和輸出點以及開關部位容易出現(xiàn)故障。因此，在對系統(tǒng)實施設計時，要優(yōu)先考慮系統(tǒng)是否具有檢測系統(tǒng)故障的功能，以使整個系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性提高。

圖1 梯形圖

（1）在對銑床軟件進行設計時，首先要注意電源的開關是否已經(jīng)斷開，控制信號預留的種類也是有要求的，一般需要留有強電關閉信號，無論設備信號處于什么狀態(tài)，都要首先斷電處理。通過上面的圖2就可以顯示出，在關斷信號處于X2部位時，信號啟動效果無論處于什么狀態(tài)，繼電器都要被切斷，但是X2為0時，系統(tǒng)啟動信號變?yōu)?，才可以重新啟動繼電器，與此同時，只有繼電器的接觸點自動鎖住，繼電器則可以繼續(xù)保持關閉狀態(tài)。

（2）動作互鎖控制也要非常注意，一定要控制好主軸轉動的方向和發(fā)生的動作路徑，在發(fā)生這兩種變化時，為確保方向和路徑不發(fā)生偏差，要采用必要的互鎖控制。互鎖信號可以應用M200和M210兩種常閉接觸點，可將這兩個接觸點并入到控制回路中去，這樣就可以保證繼電器和M210其中一個是啟動的先決條件，另一個控制回路就一定要將電源關閉。如果有一個回路在啟動后都可以確保另一個回路電源自動關閉，這樣可確保兩者不會同時發(fā)生動作。

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

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

6 結束語

改進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間，特別適用于一些較狹小且溫度濕度較高，通風散熱條件較差的環(huán)境，對于同類場所和環(huán)境條件下的生產(chǎn)企業(yè)具有一定的推廣應用價值。

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

［2］變頻器使用說明書［Z］.日本安川，2003.

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