PLC技術(shù)下的機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在傳統(tǒng)生產(chǎn)領(lǐng)域中，我們看到的先進(jìn)繼電器操作系統(tǒng)為繼電接觸器，此設(shè)備在現(xiàn)代生產(chǎn)工作中已經(jīng)無(wú)法滿足高質(zhì)及先進(jìn)的工作需求，所以只能夠被應(yīng)用到基層、低端機(jī)床設(shè)備中。但是PLC技術(shù)的出現(xiàn)為機(jī)床電氣控制系統(tǒng)創(chuàng)新提供了全新的方向，此也是劃時(shí)代的發(fā)展主題，其和傳統(tǒng)繼電接觸器對(duì)比具有較高的工作效率，良好的穩(wěn)定性?；诖?，本文就從PLC概念入手，簡(jiǎn)單分析其在機(jī)電機(jī)床電氣控制中使用情況和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：PLC;機(jī)床;電氣控制自動(dòng)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TG502.35

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）06-0121-04

機(jī)床電氣控制為現(xiàn)代機(jī)床專(zhuān)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，將數(shù)字控制自動(dòng)化技術(shù)作為主導(dǎo)的機(jī)床管理和控制策略，為機(jī)床現(xiàn)代化、自動(dòng)化打下了良好的理論基礎(chǔ)。在早期數(shù)控機(jī)床控制的過(guò)程中，重點(diǎn)為根據(jù)繼電器邏輯實(shí)現(xiàn)管理，因?yàn)槔^電器邏輯屬于硬接線系統(tǒng)，并且體積較為龐大，布線較為復(fù)雜，修改較為困難，如果出現(xiàn)問(wèn)題很難有效且及時(shí)的修復(fù)，此種系統(tǒng)的可靠性較低，并且會(huì)對(duì)機(jī)床生產(chǎn)效率造成影響[1]。所以基于PLC技術(shù)的機(jī)床自動(dòng)化系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)及功能改進(jìn)成為了現(xiàn)代業(yè)界的研究重點(diǎn)，也是保證機(jī)床生產(chǎn)效率及進(jìn)度的核心。lPLC的設(shè)計(jì)原則和步驟

為了能夠使機(jī)床電氣控制得到實(shí)現(xiàn)，就要對(duì)可操作目標(biāo)技術(shù)活動(dòng)進(jìn)行保證，還要能夠滿足企業(yè)生產(chǎn)需求，從而使機(jī)床生產(chǎn)速度及產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。在實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要使設(shè)計(jì)能夠滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：第1，全面性，因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)的需求各不相同，那么設(shè)備及制造工序也各不相同，就要對(duì)系統(tǒng)能夠提供的技術(shù)能力進(jìn)行保證，從而提高PLC系統(tǒng)的完整性;第2，經(jīng)濟(jì)性。企業(yè)要通過(guò)較低的成本使經(jīng)濟(jì)效益得到提高，所以在實(shí)現(xiàn)策劃的過(guò)程中就要實(shí)現(xiàn)可行并且簡(jiǎn)單的PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的制定;第3，可靠性。企業(yè)對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中的安全性較為重視，穩(wěn)定生產(chǎn)能夠有效保證企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，那么就要對(duì)PLC系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行保證;第4，發(fā)展性。由于PLC技術(shù)在持續(xù)成熟及發(fā)展，那么今后就會(huì)出現(xiàn)全新技術(shù)手段，在實(shí)現(xiàn)策劃過(guò)程中就要全面考慮系統(tǒng)的生計(jì)問(wèn)題，在進(jìn)行制造的過(guò)程中對(duì)升級(jí)和更新的范圍進(jìn)行預(yù)留出來(lái)，通過(guò)高兼容、高發(fā)展性及通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)[2]。

為了提高PLC系統(tǒng)的使用效果，就要全面考慮PLC控制器的操作范圍，實(shí)現(xiàn)可操作目標(biāo)特點(diǎn)及需求制造工藝的全面掌握。在對(duì)操作規(guī)模進(jìn)行決定的過(guò)程中，將I/O設(shè)備數(shù)量為基礎(chǔ)，決定操作系統(tǒng)運(yùn)行的規(guī)模，PLC操作系統(tǒng)的操作規(guī)模比較大，那么其開(kāi)關(guān)量也比較大，能夠?qū)崿F(xiàn)大量的操作行為。一般PLC控制器的1/O數(shù)量都是為20以下，能夠?qū)ο到y(tǒng)平穩(wěn)進(jìn)行保證。如果技術(shù)水平比較高，就能夠?qū)LC系統(tǒng)中1/O數(shù)量的影響充分的展現(xiàn)出來(lái)。在設(shè)計(jì)資料處理模塊時(shí)，PLC控制器在工序操作中的位置尤為重要[3]。

在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中主要包括硬件及軟件部分，硬件設(shè)計(jì)指的是對(duì)于PLC外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)，軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)于PLC應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，所以在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以根據(jù)以下程序進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1）掌握被控對(duì)象。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)以前，要充分掌握被控系統(tǒng)，那么設(shè)計(jì)人員就要全面考察現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)資料的收集，并且利用和操作人員溝通，全面掌握被控功能、機(jī)械、電氣系統(tǒng)和液壓等方面的關(guān)系、人機(jī)界面、PLC是否聯(lián)網(wǎng)及系統(tǒng)工作模式等，并且進(jìn)行記錄;

2）選擇硬件。I/O設(shè)備包括輸入設(shè)備中的內(nèi)容，比如位置開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、相應(yīng)轉(zhuǎn)換器及按鈕等，其中的輸出設(shè)備主要包括接觸器、繼電器、執(zhí)行器和信號(hào)指示燈等。PLC指的是容量、電源、可編程邏輯控制器型號(hào)、I/O模塊等。在實(shí)現(xiàn)I/O分配的過(guò)程中，要求具備編號(hào)、名稱、設(shè)備代碼與功能等信息。實(shí)現(xiàn)PLC外圍硬件線路圖的繪制，實(shí)現(xiàn)定時(shí)器分配的等內(nèi)部輔助繼電器地址。

3）編寫(xiě)應(yīng)用程序。設(shè)計(jì)程序的根據(jù)就是以操控系統(tǒng)實(shí)質(zhì)需求選擇合適方法設(shè)計(jì)PLC。在編寫(xiě)程序的過(guò)程中，要使控制需求得到滿足，并且相應(yīng)控制功能及任務(wù)程序要逐個(gè)的實(shí)現(xiàn)編寫(xiě)，從而完善系統(tǒng)特殊功能。

4）程序調(diào)試。程序調(diào)試主要包括現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及模擬調(diào)試，其中的模擬調(diào)試是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)產(chǎn)生方式，劃分成為軟件及硬件的模擬方法[4]。

2 基于PLC技術(shù)的機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 輸入電路的設(shè)計(jì)

電氣自動(dòng)化控制優(yōu)化系統(tǒng)輸入電路設(shè)計(jì)要對(duì)PLC電壓供電設(shè)計(jì)進(jìn)行全面考慮，還要考慮安全容量及抗干擾等設(shè)計(jì)。其中的PLC供電設(shè)計(jì)是選擇PLC供電電壓和電流，其中的PLC可選電壓比較多，一般都包括AC85-240V、DC12-24V。其中的交流供電主要是在大型電器自動(dòng)化控制系統(tǒng)中使用，交流電供電PLC具有較大的線程，并且重視電壓保護(hù)裝置。為了避免電壓過(guò)高及短路加裝熔斷機(jī)制，直流供電是在小型電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中使用，PLC線程比較短，容易進(jìn)行控制。PLC抗干擾一般使用加裝1：1隔離變壓器、電源穩(wěn)定適配器等。對(duì)輸入純凈穩(wěn)定需求電壓進(jìn)行保證，在選擇的供電電壓比AClIOV要大的時(shí)候，一般都是使用雙隔離技術(shù)，安裝次級(jí)線圈評(píng)比、隔開(kāi)變壓器和初級(jí)電氣中性點(diǎn)接地，從而能夠有效降低高頻脈沖波影響。設(shè)計(jì)的安全容量能夠有效估算PLC輸入電器容量、電器自動(dòng)化控制系統(tǒng)的容量，運(yùn)行容量不能夠超過(guò)總體容量80%[5]。圖1為輸入電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

2.2 輸出電路的設(shè)計(jì)

為了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性進(jìn)行保證，輸出電路穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要，電器自動(dòng)化控制優(yōu)化系統(tǒng)輸出設(shè)計(jì)包括程序執(zhí)行階段設(shè)計(jì)和輸出刷新階段。在設(shè)計(jì)程序執(zhí)行階段的過(guò)程中，要以PLC根據(jù)指定順序?qū)崿F(xiàn)程序內(nèi)容的掃描，PLC通過(guò)映像寄存器及元件數(shù)據(jù)寄存器中實(shí)現(xiàn)操作指令的讀取，實(shí)現(xiàn)命令相應(yīng)控制元件執(zhí)行程序命令的生成。在執(zhí)行完成命令之后，處理系統(tǒng)控制輸出階段，在到達(dá)輸出刷新階段中，數(shù)據(jù)輸出刷新階段能夠?qū)崿F(xiàn)控制元件賦值掃描、輸出端信息數(shù)據(jù)及儲(chǔ)存映像寄存器數(shù)據(jù)的刷新[6]。圖2為輸出電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

2.3 伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)屬于數(shù)控系統(tǒng)動(dòng)力提供者，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)X、Y和4個(gè)Z軸都是使用高動(dòng)態(tài)交流伺服電機(jī)。電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)矢量控制及伺服控制，電機(jī)中還具備旋轉(zhuǎn)編碼器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置閉環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)成，能夠精準(zhǔn)控制電機(jī)。電機(jī)自身的編碼器精度都在10μm左右，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)狀態(tài)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)組態(tài)的數(shù)據(jù)上傳，便于系統(tǒng)的組態(tài)。另外，電機(jī)上邊都是使用標(biāo)準(zhǔn)安全接口，在電機(jī)接線的時(shí)候只需要插入相應(yīng)的接頭就行。

2.4 創(chuàng)建TCP/IP連接

上位機(jī)和下位機(jī)的相互通信都是利用TCP/lP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，充分考慮特殊情況，上位機(jī)和下位機(jī)都要具備通信中斷之后自動(dòng)創(chuàng)建連接的功能。本文系統(tǒng)使用下位機(jī)在開(kāi)機(jī)或者檢測(cè)到通信中斷之后自動(dòng)進(jìn)入到通信連接狀態(tài)中，也就是下位機(jī)利用UDP協(xié)議循環(huán)對(duì)下位機(jī)發(fā)送連接請(qǐng)求。假如下位機(jī)開(kāi)機(jī)接收創(chuàng)建連接請(qǐng)求之后，客戶端和SOMPTONIOND創(chuàng)建服務(wù)器連接，成功之后對(duì)下位機(jī)實(shí)現(xiàn)連接成功信號(hào)的發(fā)送，這個(gè)時(shí)候SOMPTONIOND屬于客戶端，使其和服務(wù)器上位機(jī)創(chuàng)建連接，創(chuàng)建連接成功只有對(duì)上位機(jī)連接實(shí)現(xiàn)成功信號(hào)的創(chuàng)建，在兩個(gè)連接都成功的時(shí)候，就會(huì)進(jìn)入到等待命令狀態(tài)中[7]。圖3為SOMPTONIOND和上位機(jī)創(chuàng)建連接。

2.5 擴(kuò)展1]0組態(tài)

因?yàn)镾OMPTONIOND自身具備較小的1/0比較少，那么擴(kuò)展外部I/OET200M進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。ET200M利用PROFIBUS和SIMOTIOND實(shí)現(xiàn)通信，使用標(biāo)準(zhǔn)化PROFIBUS電纜進(jìn)行連接，SIMOTIOND屬于主站，ET200M屬于從站。因?yàn)橹荒軌蛲ㄟ^(guò)一個(gè)PROFIBUS從站，那么只有一個(gè)PROFIBUS從站，只能夠利用PROFIBUS電纜兩側(cè)電阻進(jìn)行打開(kāi)。在組態(tài)的時(shí)候，ET200M地址是利用IM153中的拔碼開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的，圖4為IM153的地址組態(tài)。

接口模塊使用IM153-2后面利用背板總線擴(kuò)展成為兩個(gè)SM323與SM3341/0模塊。其操作較為簡(jiǎn)單，只有在組態(tài)的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)所有模塊地址空間的分配，在程序中能夠直接使用地址尋址。在組態(tài)界面中的兩個(gè)SM232分配地址空間為Dl68-69、D068-69[8]。表1為擴(kuò)展模塊地址表。

2.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

在實(shí)現(xiàn)加工的過(guò)程中，要求SIMOTIOND能夠?qū)崿F(xiàn)大量孔位信息的存儲(chǔ)，此方面通過(guò)數(shù)組方式實(shí)現(xiàn)孔位信息存儲(chǔ)。并且為數(shù)據(jù)區(qū)設(shè)置兩個(gè)指針。第一個(gè)為孔位信息存儲(chǔ)指針，第二個(gè)為孔位加工指針。在接收上位機(jī)下傳孔位信息的時(shí)候，根據(jù)孔位信息存儲(chǔ)指針指向位置實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)，在接收到開(kāi)始加工命令的時(shí)候，說(shuō)明此批次數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸完成，孔位信息存儲(chǔ)指針為零。另外，孔位加工指針指向數(shù)據(jù)區(qū)第一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工。因?yàn)椴糠謹(jǐn)?shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)量比較大，假如在傳輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)誤差，就會(huì)導(dǎo)致加工失敗或者產(chǎn)品報(bào)廢，那么就要對(duì)數(shù)據(jù)正確性進(jìn)行保證，此方面能夠通過(guò)通信過(guò)程，利用CRC校驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。

2.7 中間單元的設(shè)置

在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要是將線圈作為單位，對(duì)繼電器接觸器控制電路的線圈是否受到哪種觸點(diǎn)及電路控制進(jìn)行考慮，如果多個(gè)線圈都受到某個(gè)觸點(diǎn)串并聯(lián)單路控制，在程序中實(shí)現(xiàn)此電路控制輔助繼電器簡(jiǎn)化程序的設(shè)置[9]。

3 機(jī)床電氣控制自動(dòng)化系統(tǒng)的調(diào)試

3.1 上位機(jī)的控制調(diào)試

機(jī)床是通過(guò)上位機(jī)控制實(shí)現(xiàn)最終的工作，那么上位機(jī)和下位機(jī)通信是尤為重要的。那么，就要通過(guò)下位機(jī)對(duì)上位機(jī)發(fā)送簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)，對(duì)上位機(jī)接收值是否滿足需求進(jìn)行監(jiān)測(cè)，假如不滿足需求或者無(wú)法接收檢查硬件線路及接口設(shè)置。在正常通信之后，就要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)于下位機(jī)的簡(jiǎn)單控制，比如回零、點(diǎn)動(dòng)等操作。之后逐漸加入部分負(fù)載命令。在出現(xiàn)問(wèn)題的事后，要對(duì)是否正常接收命令進(jìn)行監(jiān)測(cè)，假如正常在執(zhí)行部位監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，那么其中通信的創(chuàng)建能夠根據(jù)正常工作模式實(shí)現(xiàn)調(diào)試。其中出現(xiàn)的問(wèn)題包括上位機(jī)和下位機(jī)通信過(guò)程中，假如一方突然關(guān)機(jī)，就會(huì)導(dǎo)致對(duì)方的程序失控，之后利用UDP對(duì)連接狀態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一方突然關(guān)機(jī)，不會(huì)對(duì)對(duì)象程序造成影響，再次開(kāi)機(jī)的時(shí)候還是會(huì)和對(duì)方創(chuàng)建連接。

3.2 邏輯調(diào)試

在機(jī)床工作的過(guò)程中因?yàn)闀?huì)出現(xiàn)多種情況，那么機(jī)床操作及工作方式就要根據(jù)一定邏輯，比如鉆孔加工過(guò)程中X、Y運(yùn)動(dòng)過(guò)程中Z軸不能夠運(yùn)行，機(jī)械手換刀過(guò)程中的機(jī)械手與工作臺(tái)無(wú)法同時(shí)運(yùn)動(dòng)等。邏輯調(diào)試過(guò)程中要對(duì)多種非正常的情況進(jìn)行全面考慮，從而保證在今后使用過(guò)程中具備優(yōu)異性能。那么在邏輯調(diào)試過(guò)程中要慢慢的進(jìn)行試驗(yàn)，并且慢慢的添加，利用機(jī)床的實(shí)際慶坤實(shí)現(xiàn)調(diào)試。在邏輯調(diào)試過(guò)程中因?yàn)榫哂卸喾N情況，其中的批量加工處理尤為重要，在批量加工的過(guò)程中具備選孔、繼續(xù)、暫停、停止加工及下鉆次數(shù)等[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

在工業(yè)技術(shù)現(xiàn)代化不斷發(fā)展的過(guò)程中，基于機(jī)床電氣控制的PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)逐漸成為人們所重視的重點(diǎn)，其具有較高的安全性、較強(qiáng)的穩(wěn)定性、較低的價(jià)格及抗干擾等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用到實(shí)際中，具有良好的前景。所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，要重視PLC控制系統(tǒng)的研究和發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：王凱（1978-），男，碩士研究生，副教授，主要研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)、液壓與氣動(dòng)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)。

基金項(xiàng)目：西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2018年教學(xué)改革項(xiàng)目18XHJGOII的研究成果