基于PLC的數控機床電氣自組合機床中的PLC電氣控制系統設計和應用

摘要：目前，數字控制技術被大量應用到實際生產過程中。PLC電氣控制技術具有經濟、高效的特點，以此備受重視。組合機床是對于某些指定工件，根據指定工序實現批量加工的組合專用設備，此種設備具有較高的生產效率，并且機床結構較為復雜，要求電氣設計穩定。基于此，文章就在組合機床中使用PLC技術，分析組合機床中PLC電氣控制系統的設計和使用。

關鍵詞：組合機床;PLC;電氣控制系統

中圖分類號：TG502.35

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）06-0129-04

0 引言

組合機床屬于我國工業生產過程中尤為重要的機械設備，其主要是通過部分通用部件及專用部件實現特殊工件加工專用機床。因為組合加床生產加工都是根據指定生產工序實現的，所以能夠在自動化控制系統中使用實現機床生產控制管理，從而使勞動效率得到提高，從而促進工業自動化的持續發展。PLC剛好為具備良好性能的自動控制裝置，其可靠性較高，并且具有較強的抗干擾能力，而且技術較為完善，配套較為齊全，便于操作學習及維護管理，體積比較小，具有較強的適應能力，所以被廣泛應用到組合機床自動化控制系統改造中，能夠有效節約成本，使生產效率得到提高。

1 PLC的優勢

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場線路，控制邏輯還要通過程序方式在PLC內存中存儲。實現控制邏輯的修改處理，只要修改程序相應的內容，不改變輸人輸出連接線路，以此表示PLC具有良好擴展性及靈活性，并且PLC是利用大規模集成電路組裝的，具有體積小及功耗小的特點。

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

3）可編程控制器利用半導體集成電路成為相應定時器，具有交廣的定時范圍及較高的定時精度。用戶能夠以實際需求實現定時值的設置，定時時間不會受到實際環境的影響。在編程過程中設置定時時間就不會改變，并且PLC能夠實現相應計數功能。

4） PLC利用微電子技術，其中大部分開關動作都是通過無觸點半導體實現，具有較高的可靠性。另外，PLC還具備監控及自檢功能，實現自行診斷和顯示自身故障，并且實現控制程序執行情況的動態監控，以此為現場調試及維護提供便捷。

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

對比單片機，單片機的結構較為簡單，并且使用方便，價格較為便宜等優勢，一般都是在數據收集、工業控制等方面使用。但是，單片機并不是專門針對工業現場自動化控制實現設計的，所以也存在部分缺點。首先，單片機并不好掌握。使用單片機進行自動控制一般都要利用微處理器匯編語言編程，以此要求技術人員熟悉機電控制。但是PLC使用面向操作人員語言編程，比如梯形圖狀態轉移等，對使用人員來說不需要掌握計算機知識，只需要在短時間中了解PLC簡單指令系統和操作方法就能夠使用及編程。另外，單片機沒有PLC使用中簡單。使用單片機能夠進行自動控制，一般都是在輸入輸出接口中進行工作。比如，對工程現場和單片機連接進行全面考慮，輸出帶載荷能力、接口工作方式及接口擴展等。不僅要設計控制程序托個，還要在單片機外圍實現硬件及軟件工作，才能夠連接控制現場，調試較為繁瑣。PLC輸入輸出接口良好，輸入接口能夠和無外接彈元開關相互連接，較為方便。輸出接口具備驅動負載能力，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，能夠使現場干擾信號不容易進入到PLC中[2]。

2 機床結構和工作原理

機床通過4個動力頭及一個回轉工作臺構成，是一種四工位組合機床，能夠實現同個工件兩個面鏜孔和斷面粗加工及精加工，在自動循環的過程中，機床中四個動力頭能夠同時實現進給加工，并且退回到原位之后，回轉工作臺就會將旋轉工位抬起然后落下，機床能夠循環的連續性工作。在按下控制盤預停按鈕的時候，機床在工件加工完成之后全部退回到原位，然后停止工作。選擇單機循環過程中，各個動力頭能夠單獨的加工工件。在實現機床調整過程中，能夠實現動力頭進退、回轉工作臺旋轉起落及各個動力頭主軸電機開停的手動控制，圖l為機床的結構。

3 基于PLC的電氣控制系統設計

3.1 組合機床的電氣控制需求

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

3.2 PLC選型和1]0資源分配

系統通過組合機床控制需求設置21個開關量的輸入信號，7個開關量輸出。在設計使用過程中，為了能夠有效節約PLC點數，能夠使輸入信號接線進行改變。使用此種方法降低PLC輸入點數量為15點，所以使用西門子CPU226型PLC實現設計，表1為1/0端子的分配。

3.3 組態軟件結構

本文使用世紀星組態軟件結構，將數據庫作為核心，向上表現為人機界面和其他應用接口，向下表現為和其他應用程序動態數據交換與現場設備驅動程序[4]。圖3為組態軟件的結構。

組態軟件是通過開發系統與運行系統構成，開發系統與運行系統為相互獨立應用程序，都能夠單獨使用。并且兩者相互依存，在開發系統中所設計的工程及畫面應用程序在運行系統中運行。組態軟件開發系統為應用程序集成開發環境，在整個環境中，開發人員能夠實現動畫連接、工藝畫面設計、編寫命令語言、數據庫定義、設備安裝等。開發系統圖形生成功能較為完善，數據庫中具備大量數據類型所相應的控制對象特點，能夠實現數據報警、安全防范、歷史數據記錄及趨勢曲線等操作。

組態軟件通過實時的運行軟件進行系統的運行，創建實時畫面開發系統的動畫圖形畫面，并且還要交換I/O服務程序和數據庫中的數據。其利用實時數據庫管理通過工業控制對象收集多種數據，使數據變化通過動畫方式充分的展現出來，并且實現歷史數據記錄、報警及趨勢曲線等監視功能[5]。

3.4 組態界面內核設計

上位機監控系統為使用者操作環境，但是在形成此環境以前，要實現多種內核設計工作，從而實現上下機數據交換。內核設計思想、數據流組織方法和系統運行可靠率及運行效率具有直接的聯系。PLC直接對于執行機構和信號輸入，在實現PLC程序設計過程中實現PLC內部地址及I/O變量的分配及組織。所以，在實現上位系統組態過程中，要對PLC相應變量進行定義。不管是上位系統或者PLC，變量對應為彼此地址對應，利用地址對應操作數據。為了方便記憶，并且提高程序可維護性，在實現地址分配過程中創建相應標記名，從而不需要直接使用地址操作，而是利用助記符進行操作[6]。圖4為組態界面的流程。

3.5 操作程序設計

本文所分析組合機床PLC控制系統程序利用8Q2原繼電器進行實現，利用轉變得出接觸器控制系統，在實現轉變過程中要對以下4點進行重視：①處理輸入設備。在對輸入設備進行處理的過程中，假如繼電器接觸器控制電路種具有常開觸點等設備，轉變成為PLC控制以后還是利用常開觸點進行輸入，在程序中不改變觸點的狀態[7]。假如此設備的輸入是通過常開觸點進行的，那么就要轉變成為PLC控制，或者通過常開觸點進行輸入，程序中觸點利用相反的狀態實現;②處理中間繼電器。再次過程中，PLC輔助繼電器就是傳統繼電器接觸器控制系統中的中間繼電器;③中間單元的設計。程序設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及電路控制，如果為多線圈，利用某個觸點串聯的電路實現控制，在程序中利用此電路對輔助計算機進行控制，從而有效簡化程序;④處理及輸出設備。傳統繼電器控制和控制器控制系統的電磁閥與接觸器的線圈均是輸出繼電器，接觸器觸點是通過輸出繼電器進行代替的不改變狀態[8]。

3.6 輸入設備處理

在輸入設備進行處理的過程中，繼電器一接觸器控制電路的設備包括常開觸點，朝著PLC控制轉變之后，輸入設備不改變程序中的觸點狀態，還是利用常開觸點實現輸入。朝著PLC控制轉變之后，如果此設備是利用常閉觸點實現，此種設備的輸入設備還是常閉觸點，程序中的觸點也是相反的狀態。

在傳統繼電器控制器控制系統中，通過輸出繼電器線圈實現電磁閥及接觸器兩種線圈的代替，通過輸出繼電器觸點實現接觸器觸點的代替[9]。

3.7 通信部分設計

系統使用RS232串口進行通訊，和西門子PLC、3個表實現通訊，實現現場監控生產情況的收集，對和監控界面創建的動畫連接進行分析，或者到歷史數據庫存儲方便今后的使用。上位機監控軟件通過Cen-tury Star進行編寫，主要是利用計算機的圖形編輯功能實現，利用動畫方式能夠有效展現控制設備的狀態，其具備報警窗口，能夠方便生成各種報表，其功能較為強大。在運行過程中，外部設備是通過驅動程序進行數據交換的，主要是指數據的收集與發送。所有的驅動程序都是COM對象，這種方式能夠通過Century Star及通信程序實現完成系統的創建，除對系統運行效率進行保證外，還能夠讓系統滿足大規模需求，下位機的通信原理如圖5所示。

Century Star利用PPT通訊實現與PLC相互通信，訪問PLC相應寄存器地址，在與PLC相互通信過程中，Century Sta能夠得出PLC控制設備狀態，對相應寄存器值進行修改。實際編程過程中不需要編寫或者讀寫PLC寄存器程序，其具備數據定義方法，對I/0變量完成定義之后，Century Star能夠直接利用變量名實現操作顯示及系統控制、報警顯示、數據記錄與趨勢分析。監控軟件系統功能為：工藝流程圖及參數實時測量值的展現、下位機需要參數數值的實時修改、上位機與下位機的通信管理等。在主監控站中創建網絡數據庫，使過程監控中的實時數據、圖表及畫面等信息到本地網絡服務器中存儲，通過FLASH、ASP等技術實現動態網頁的生成，并且實時發布，從而實現現場實時數據web瀏覽[10]。

4 結語

組合機床能夠對指定工件實現批量加工處理組合專用化設備，具有較高的生產效率，并且結構較為復雜，以此要求電氣控制系統的可靠性及穩定性良好。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接線較為復雜、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，系統維護人員能夠精準判斷故障部分，以此有效節約維修維護工作量，使維修維護時間得到縮短，從而提高機床工作穩定性及可靠性，以此使生產效率得到提高。

參考文獻

[1]許曉東，雷福祥，王偉，等.基于PLC的數控機床電氣控制系統研究[J].農業科技與裝備，2016（ 10）：26-28.

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[7]趙粉榮，基于PLC的數控組合機床的控制系統設計[J].自動化與儀器儀表，2017，11（9）：117-119.

[8]謝麗娟，基于PLC的23040搖臂式鉆床電氣控制系統的改造設計[J].自動化技術與應用，2013，32（8）：46-48.

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