PLC技术下的机床电气控制自动化系统设计

摘要：PLC技术是机床电气控制系统改造主要技术，具有控制稳定、运行可靠的优良特点。文章在分析基于PLC的机床电气控制原理的基础上，从PLC选型、硬件设计、软件设计几个方面，论述了PLC技术在机床电气控制自动化系统设计中的应用方案，并对基于PLC技术的机床电气控制自动化系统功能调试进行了进一步分析，希望为机床电气控制自动化系统设计提供一些借鉴。

关键词：PLC技术;机床;电气控制;自动化

一、引言

机床是汽车、造纸、机械行业生产主要用工具，具有次品率低、效率高、适应力强的特点。但是，在机床应用时间不断延长的背景下，电气故障频出，维修难度较大，影响了正常生產活动的开展。而利用PLC技术设计机床电气控制自动化系统，可以发挥PLC脉冲输出能力、浮点运算能力，降低电气控制故障率，为数控生产控制提供依据。因此，探究PLC技术在机床电气控制自动化系统设计中的应用具有非常突出的现实意义。

二、基于PLC的机床电气控制原理

机床电气控制本质上是对机床加工对象位置、加工速度与加速度进行精密控制的过程，包括单坐标控制、多坐标控制两种，部分情况下也可以为多目标协调运动。其中类似设备启动/关停的单坐标控制可以利用开关量进行控制;而多坐标控制或多目标协调运动需要借助脉冲量控制，PLC脉冲量处理功能较为突出，包括高电平、低电平两个状态，确保机床加工控制的经济性与有效性。在脉冲量控制时，需要先将物理量向电量转换，再经电压物理量转换为频率脉冲量。根据机床电气控制目的的差异，PLC控制可划分为轨迹控制、位置控制、转矩控制、模拟量控制、同步控制、速度控制几种类型，其中位置控制在机床电气控制中较为常见，特指控制机床加工对象或加工工具位置移动，确保加工对象在指定的位置。

由机床运动形式与动作规律可知，机床电气控制包括主电路、控制电路几个部分。主电路中，电动机与速度继电器串电阻瞬时冲动，可经主轴进行速度控制;控制电路则经正转控制接触器接通电源，自行锁定电机串电阻启动并接通时间继电器，则在时间限制内促使电机全速正转。或者经反转控制接触器接通电源，自行锁定电机串电阻启动，并与时间继电器相连接，在预先设定时间段内促使电机全速反转。

三、PLC技术下的机床电气控制自动化系统设计方案

（一） PLC选型

根据机床电气控制自动化系统运行流程以及控制任务动作特点，可以选择适宜的PLC型号[1]。首先，根据机床电气控制自动化系统控制要求，结合后期改进与扩展预留量（10%左右），进行输入输出点数估算。估算公式为：

N=I（pi-1）Ei+O（P0-1）E0               （1）

式（1）中，N为输入输出点数;I为输入器件总数;pi为机床电气控制件工作状态（接通/断开）;Ei为机床电气控制自动化系统所使用的输入器件总数;O为输出器件总数;P0为输出器件所处的工作状态（电动机反转/正转/停止）;E0为机床电气控制自动化系统所使用的输出器件总数。

其次，根据用户程序存储要求，估算用户程序编制字节，在留有余量（25%）的前提下，进行PLC可容纳存储单元的估算。一般存储容量为十倍数字量输入输出点数与一百倍模拟输入输出点数的和。再次，根据PLC功能表，选择适宜的控制功能。一般包括运算功能、数据传送、控制功能、诊断功能、通信功能等。其中运算功能要求具有逻辑运算、数据移位、双倍精度;数据传送需要与寄存器之间传送数据表生成数据库;控制功能要求具有前馈补偿控制运算、顺序逻辑控制;通信功能要求符合工业以太网通信协议。最后，根据控制规模，选择适宜的PLC类型。一般大型机床电气控制自动化系统需要使用模块化PLC，需要根据电源额定输出电流大于输入输出模块、CPU模块及其他模块总消耗电流的标准，额外选择适宜的电源;而小型机床电气控制自动化系统需要箱体式PLC（包含全部模块以及电源）。根据上述选型方法，可以选择标准化、应用范围广、易于扩展的西门子S7-300系列，在Windows环境下进行编程，集成人机界面，满足机床电气控制自动化系统运行要求。

（二）硬件系统设计

1.触摸屏设计

触摸屏即人机交互界面，是机床电气控制自动化系统与操作者进行信息交互的中介，一般包括应用程序、应用程序接口、图形界面控制与管理、数据存储与管理、通信控制与管理、设备控制与管理、操作系统几个部分。根据操作者经触摸屏灵活设置进给速度或加工深度等参数要求，应优选面向PLC而开发的小型化触摸屏，如Easy View MT510。

2.驱动电机设计

驱动电机是机床电气控制自动化系统实现精准定位的关键，可以综合考虑速度范围、转矩范围、控制方式、精度要求、响应速度等因素，选择适宜的驱动电机。如在速度要求较高、响应速度较快，且对耐振动、耐高温无较高要求时，可以选择伺服电机。同时选配一对增量式光电编码器，作为反馈装置与驱动电机、PLC共同组成半闭环位置控制系统。

3.电源模块设计

PLC技术下的机床电气控制自动化系统中的硬件模块因自身属性差异，对电源要求也具有一定差异。比如，PLC模块对电源波动具有严格要求，需要额外配置隔离变压器与可靠的不间断电源、滤波器，其中不间断电源在系统断开电路、输入电压波动过大时承担备用电源输出、稳压责任，避免意外断电引发控制系统数据毁损;而隔离变压器可以为不间断电源提供220V交流电，通过开启或关闭电源，接通或断开不间断电源输出端与负载;滤波器负责规避谐波对PLC模块的干扰。再如，部分控制电路功率较小，需要由隔离变压器提供稳定可靠的24V电压。而大负载驱动电机所需驱动功率较大，需要选择功率为1000VA的隔离变压器，并在其输出端串联交流接触器的一对常闭触点，以便在驱动器发生运行故障时停止电力资源供应，规避过载、过热事故。

4.电气控制模块设计

PLC技术下的机床电气控制自动化系统主电路负责为各个功能模块输送适宜的电力能源，因电气控制自动化系统执行阶段需大量继电器参与工作状态执行，需要根据控制原理图进行电气元件的连接。即在电源开关与其他硬件模块正常供应电力能源的基础上，开启PLC控制模块，自行检测机床电气控制自动化系统是否存在驱动电源断电报警、总电源断电报警信号。在确定电源正常后，将一个独立的控制继电器分配给辅助设备，以便加工作业时相关辅助设备有序启动。在开启检测无误后，根据PLC输出端无输出电机驱动信号的特点，需设置一个准备按钮，串联通电延时继电器、驱动保护电路，避免驱动器接通电源时PLC错误动作。

（三）软件系统设计

1.驱动参数设置

微处理器是伺服驱动器功能实现的基础，设计者可以依据定制化思维，進行软件模块参数设置，以便满足机床电气控制自动化系统多场景运行需要。从基本规格来看，驱动主回路输出电源及控制回路输入电源均为三相200V50Hz，控制方式为正弦波控制，控制模式为位置控制，编码器反馈为5线制增量式编码器，输入控制信号为伺服使能，输出为伺服报警。在位置控制模式下，输入为驱动禁止输入、脉冲指令输入禁止，输出为定位结束输出，脉冲输入时最大指令脉冲频率为2Mpps，可用指令跟踪控制、实时速度观测器、振动抑制控制。

2.PLC编程参数设置

在PLC机型确定之后，可以结合机床控制要求，为每一个输入输出分配地址。局部如下：

在PLC输入输出地址分配的基础上，可以利用专门的软件对PLC程序进行编辑。在编辑前，需要确定热继电器处于接通状态，且启动按钮没有被按下。进而以主轴运作为前提，设置主轴控制程序。即经I0.3接通主轴正转，并设置能耗制动时间继电器耗时为3s，进而经I0.4关停主轴，结束能耗制动。

3.软件模块划分

软件模块划分是提高PLC技术下的机床电气控制自动化系统软件设计效率的主要手段，可以从机床加工准备、机床加工操作两个方面着手，进行模块划分[2]。在机床加工准备方面，机床电气控制自动化系统辅助模块为初始化模块、参数设置模块、调整模块、对刀模块。其中初始化模块负责将电气控制自动化系统恢复最初状态;参数设置模块负责输入关键参数，如定时中断操作等;调整模块负责根据机床原点调整主轴位置;对刀模块负责根据加工零点经触摸屏输入加工初始间隙核算加工原点位置，对快进状态下主轴缓冲减速点位置核算提供依据。在机床加工操作方面，机床电气控制自动化系统辅助模块为准备模块、手动/自动加工模块、定时加工模块。其中准备模块负责经触摸屏上触摸键启动设备;手动/自动加工模块负责经触摸屏设定加工深度、速度、时间参数实现自动运行;定时加工模块负责在预定时间加工工件。

除基本模块外，还需要额外增设故障自诊断功能模块、自动保护功能模块与意外断电保护功能模块、自动控制功能模块。其中故障自诊断功能模块主要是自动诊断、处理机床加工故障，确保机床加工过程顺利进行;自动保护功能模块负责自动保护电源过流，规避阴极与阳极短路危害系统;意外断电保护功能模块主要是在意外断电情况下保护整个系统，并记忆工件位置，为通电后加工作业正常开展提供依据;自动控制功能模块负责实时监控加工温度、速度，在温度或速度低于设定极限值时自动调节。在模块划分后，设计者可以依据模块化设计理念，将模块组合为完整的拓扑模型。具体如图1所示，将机床电气控制自动化系统模块按照一定规则整合，可以形成对机床加工电气自动化控制具有指导作用的拓扑结构。

四  PLC技术下的机床电气控制自动化系统功能调试

（一）硬件调试

在基于PLC技术的机床电气控制自动化系统设计完毕后，设计者应对机床电气控制自动化系统硬件接线进行检查。在硬件接线检查时，需要设计者判定变压器、执行件、负载电气连接完整情况。进入利用万用表检查各电气触点，以便及时发现节点连接错误、接触不良问题。在确定电气节点连接正确且无接触不良问题后，借助按钮通断与万用表操作，对每一条线路通断情况进行检查，确保每一条线路通断情况与设计要求一致。在确定控制回路、PLC接口电路接线与设计要求一致后，利用万用表再次检查线路连接情况。确定线路连接准确无误后，接通PLC电源，对每一个模块运行情况进行检查。并根据检查结果进行模块调试。

（二）软件调试

因基于PLC技术的机床电气控制自动化运行环境限制，软件调试选择脱机调试方式，寻找软件算法错误、逻辑错误，避免正常工作状态（或特殊状态）下系统逻辑算法错误。为验证机床电气控制自动化程序完备性，需根据PLC程序功能表现，将待调试PLC程序模块划分为基于逻辑控制的程序段、基于数据处理的程序段。前者主要是在PLC基本单元组成无误的前提下，根据每一个输入点状态指示灯、每一个输出点状态指示灯，利用按钮模拟输入信号，变更模块状态，判定输出模块与设计控制要求一致性。在确定两者一致后，借助PLC的编程软件，经强制开关功能变更触点状态，为PLC程序调试提供支持。

基于数据处理的程序段调试高度复杂，无法通过PLC现有编程调试功能实现，而是通过多次输入特殊值进行验证。特殊值输入现有经触摸屏界面进行画面编辑以及变量定义，进而将定义变量传送至PLC，完成PLC存储器内置数值的变更。在触摸屏程序调试时，需要借助专门的触摸屏程序制作软件ViewjetCmore，在离线模拟运行功能下，经个人计算机执行监视画面程序。在监视画面程序上选择工具条的simulate project按钮获得模拟运行确认对话框，在对话框内选择触摸屏型号。确定触摸屏型号后，经开始按钮模拟运行界面，完成模拟调试。在模拟调试结束后，连接触摸屏、PLC，在线模拟触摸屏与PLC联机运行情况。根据设计方案，在线修改已编制触摸屏程序，并经人机界面读写PLC内部数据区进行局部模块完善，确保触摸屏界面与PLC正常通讯，为PLC技术下的机床电气控制自动化系统完成对控制对象的监控提供帮助。需要注意的是，在软件模拟监控界面内，将CPU切换至运行状态，此时机床电气控制自动化系统进入待命状态，根据指示运行主轴或者开启切削液等操作，根据操作时系统状态表现进行输入区、输出区、内部存储区、共享数据块以及模拟输入量连续变化的调试，确保系统正常运转状态下相应指示灯、中间继电器可靠发挥作用。

五、结束语

综上所述，传统机床电气控制系统为接线复杂、调试困难、故障率高的继电器-接触器控制系统，较之传统电气控制模式，PLC技术下的机床电气控制自动化系统具有通用、可靠、便于移植的优良特点。基于PLC技术的机床电气控制自动化主要是依据工件工序、工艺要求对其通用部件动作进行控制，涉及了触摸屏、电源、驱动电机等多个部件。设计人员应根据PLC技术特点，进行机床电气控制自动化系统硬件、软件的设计，并进行功能模块的调试，以便在充分发挥机床控制效能，为工业生产提供充足支持。

作者单位：李东旭    中国航发哈尔滨轴承有限公司

参  考  文  献

[1]王佃超.PLC技术在数控机床电气控制系统中的应用研究[J].科技资讯，2021，19（32）：45-47.

[2]夏球.基于PLC应用技术在数控机床电气控制中的运用研究[J].信息记录材料，2021，22（03）：109-111.