PLC在数控机床控制系统的应用

摘要：PLC是专门应用于工业环境设计的电子数字计算系统操作，并在设计和制造过程中采取了多层次的软硬件抗干扰措施。简述了嵌入式PLC应用技术，分析了数控机床的信息交换内容，介绍了PLC的故障检测功能，并研究了PLC在数控机床故障处理中的应用情况，以期为相关从业人员提供参考。

关键词：PLC；数控机床；电气控制系统；应用

现代系统基本上是集数控机床数控技术、PLC、电气控制技术于一体的机电设备。在数控机床中，控制系统除了对每个轴的位置进行连续控制外，还需要对主轴的启动，以及停车、换向、换刀、松开工件夹紧、液压、冷却、润滑系统操作等进行控制。前者采用“数字控制”，如x、y、z轴运动距离的每个轴插补[1]；后者采用“顺序控制”的方法对内部数控机床和机床进行限位开关、控制开关、传感器、按钮、继电器等信号状态条件和按照预定的逻辑顺序，对主轴、刀库和换刀机器人、工件夹紧释放、托盘、空气液压系统、润滑系统等辅助冷却控制动作。“可编程序控制器”的信息主要是开关信号，该类数控任务的信号可以独立或内置在PLC（可编程序控制器）中完成，是一种专用的可编程序数控机床控制器，具有控制功能强大、响应快、结构紧凑、可靠稳定等优点。PLC采用软件实现用户控制逻辑，更加容易加载机器内部或电气箱，便于实现机电一体化操作，实现复杂的控制逻辑和操控数控机床[2]。

1嵌入式PLC应用技术简介

1.1嵌入式PLC技术的优势

嵌入式软PLC技术是嵌入式系统与软PLC技术的完美结合，分别继承了软PLC技术和嵌入式系统的优势，避免了传统PLC大容量、价格高的缺点。其不仅保证了系统的兼容性和实时性，还保证了数控机床控制系统的速度和可靠性，有效地实现了机器轨迹自动控制和开关量逻辑控制，提高了数控系统的整体性能。其具体优点是：嵌入式软PLC系统指令集比传统PLC指令集更丰富，可以方便用户编写工业控制程序；嵌入式软PLC系统具有开放式硬件系统结构，用户可以自由选择硬件以满足控制系统的要求；嵌入式软PLC技术基于IEC61131-13标准语言，编程方便，大大缩短了产品开发周期，调试维护更方便。

1.2嵌入式PLC技术的架构

数控机床中的PLC有两种形式，分别是内置式和独立式。内置式PLC属于数控设备，PLC与数控设备之间的信号传输到数控设备上。PLC和CNC机床之间通过CNC输入/输出接口电路进行信号传输；独立式PLC也称为外部或通用PLC。在数控机床上，独立式PLC独立于数控装置，具有硬件结构和软件功能，可以独立完成控制。数控机床在PLC系统的设计和数控系统的设计是密不可分的，机床数控系统一般是采用或提供PLC的功能。数控机床采用多种开关控制机床的运动，包括控制开关、跳闸开关、闭合开关、压力开关、温度开关等，通过各种开关信号传给PLC，并经PLC逻辑操作后控制信号输出到对象。PLC通过继电器、接触器输出信号，液压或气动电磁阀控制刀库机械手、旋转中心工作台等。PLC收集各种故障信号，将警告标志放在适当的位置，由CNC系统发出报警或报警文本信号。PLC是通过数控系统（CNC）与机床（MT）之间的通信，即PLC与CNC、PLC与MT之间的信息交换，实现开关控制的数控机床（MT）[3]。其架构如下页图1所示。

2数控机床的信息交换

数控机床的信息交换如下页图2所示，主要包括以下四个部分。

2.1MT至PLC的转换部分

主要是各种开关、按钮和机器操作员面板上的信息，包括机器启停、工作方式、速度、主轴正反转和停止切削液、开闭、卡盘和松开、各坐标点控制、ATC指令、行程限制、主轴伺服保护监控信号等。开关信号机一侧可通过PLC输入界面的开关进入PLC，图2中的X信号除少量信号外，绝大多数信号的含义和PLC占用的地址可由PLC程序设计来确定[4]。

2.2PLC至MT的转换部分

PLC以机床信号控制机床执行机构，如电磁阀、继电器、接触器，并确保机床各运动部件的信号和故障指示器等。信号PLC控制机器是通过PLC开关输出接口传送到MT，图2中的Y信号通过所有开关输出信号和PLC地址的进行占用，可以通过PLC程序设计来定义。

2.3CNC至PLC的转换部分

主要是指函数代码m、s、t、f等[5]，其中s功能通过PLC转换输出主轴的速度控制指令实现；t功能通过PLC刀具库实现管理，用于自动换刀；m功能依靠m代码控制主轴、倒车或停车、主轴齿轮箱速度的换档、切削液的开合、卡盘夹紧、松开换刀机械手和加工中心刀具等动作实现；f功能完成输出轴的进给速度，由PLC伺服系统控制。数控到PLC的信息是可用的（对于数控侧），通过开关作输出信号，也可以直接交付给PLC寄存器，F信号在图2中全部显示对数控系统PLC信号的含义和地址（开关地址和寄存器地址）已由数控制造商确定，PLC程序员可以使用，但不能更改或删除。

2.4PLC至CNC的转换部分

PLC到CNC的信息主要是m、s、t、f功能响应信号和轴的参考信号，机床运动部件状态和故障信息。PLC由数控信息完成切换输入信号，G信号在图2中代表所有PLC到数控信号的含义和地址（切换地址和寄存器地址）都已由数控制造商确定，PLC程序员可以使用，但不能更改或删除。数控机床与PLC功能之间的信息交换方式各不相同，但其最基本的功能是CNC将需要实现的m、s、t、f函数代码发送给PLC，然后PLC控制完成相应的动作，PLC信号流程图如图3所示。

3PLC的故障检测功能

由于PLC具有较高的可靠性，因此PLC控制系统中的大部分故障并非来自PLC本身，而是由外部元件的故障引起的。一旦系统检测到部件故障，不仅具有声光报警功能，而且可以立即显示故障代码，使用户能够快速判断故障原因。PLC程序不仅可以检测每一个故障，并且显示自动判断最关键的初始故障。下页图4是一个以3个故障检测为例的梯形图。该程序由3个故障检测器组成，分别是R500.0、R510.0、R520.0；3个初始故障检测器分别是R500.2、R510.2、R520.2；F149.1是一个系统复位信号。初始状态，无报警，故障检测为“0”，复位信号F149.1为“0”。

4PLC在数控机床故障处理中的应用

PLC故障检测机制是通过运行机床制造商特定的PLC准备，根据各种输入输出逻辑状态来确定是否检测到故障，在报警信息上显示。通过分析PLC的梯形故障诊断，利用数控系统梯形图显示机外部程序员或在线跟踪梯形运行，可以提高故障诊断的速度和准确性。数控机床采用PLC故障诊断的方法和程序如下：通过PLC接入机器提供故障排除手册，找到相应的PLC程序模块号（如PB、FB、SB等）和相应的报警点（如输入、输出、标志、定时器等）。该数字或查找报警模块提供了查找PLC程序的工具，查找块和所有影响报警块信号状态的点。通过选择诊断功能的操作，可以读取实时操作所需数量的信号状态。然后将实时状态与标准状态进行比较，如果点不同，则进行失败点的搜索。通过与故障部件对应的电路图找出故障点，调整或更换故障部件，以排除故障。

5结语

随着自动化技术的发展，PLC的结构和性能也在不断改进，使用范围迅速扩大。从整体结构到小型模块化结构的发展，增加了PLC配置的灵活性，使得PLC的计算、数据处理、图形显示、网络通信等功能大大增强，PLC编程和编程工具也在不断向标准化和高级化方向发展，因此也可以更广泛地应用于数控机床，使控制中心的控制更加灵活和可靠。

参考文献

[1]赵清亮，郭兵.微结构光学功能元件模具的超精密磨削加工技术[J].机械工程学报，2011，47（21）：177-185.

[2]杨辉，张彬，张利鹏.微结构功能表面的应用及制造[J].航空精密制造技术，2015（5）：1-6；19.

[3]毕果，孙郅佶.超精密切削加工表面粗糙度影响因素的实验[J].光学精密工程，2015，23（10）：266-271.

[4]周济.智能制造———“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程，2015，26（17）：2273-2284.

[5]蔡锐龙，李晓栋，钱思思.国内外数控系统技术研究现状与发展趋势[J].机械科学与技术，2016，35（4）：493-500.

作者：李昊 单位：山西大学电力与建筑学院