基于PLC技术的机床电气控制系统优化研究

杨红兵 闫宫君

摘  要：PLC全称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），是一种专门用于控制工业自动化系统的电子设备。随着工业自动化的发展，PLC技术以其高度的灵活性和可靠性，成为机床电气控制系统的核心技术。它能实现对机床电气控制系统的优化，提升机床运行稳定性与响应速度，减少维护成本，同时增加系统的可编程性，使其能更好地适应多样化和个性化的生产需求。因此，基于PLC技术的机床电气控制系统优化不仅能够推动制造业的技术进步，还能为企业创造更大的经济效益。

关键词：PLC技术   机床电气控制   性能优化   性能评估

中图分类号：TG659

Research on the Optimization of the Electrical Control System of Machine Tools Based on PLC Technology

YANG Hongbing  YAN Gongjun

（Gansu Institute of Mechanical & Electrical Engineering，Tianshui，  Gansu Province， 741000 China）

Abstract： PLC stands for Programmable Logic Controller， and it is an electronic device that is specially used to control industrial automation systems. With the development of industrial automation， PLC technology has become the core technology of the electrical control system of machine tools due to its high flexibility and reliability， which can optimize the electrical control system of machine tools， improve the operation stability and response speed of machine tools， reduce maintenance costs， and increase the programmability of the system， enabling it to better adapt to diverse and personalized production needs. Therefore， optimizing the electrical control system of machine tools based on PLC technology can not only promote technological progress in the manufacturing industry， but also create greater economic benefits for enterprises.

Key Words： PLC technology; Electrical control of machine tools; Performance optimization; Performance evaluation

随着制造业的快速发展，机床在工业生产中扮演着重要角色。机床电气控制系统作为机床的核心组成部分，对机床的性能和稳定性起着至关重要的作用。然而，传统的电气控制系统仍存在问题，如响应速度慢、可靠性差、难以实现复杂的控制策略等。因此，为了满足现代制造业对机床性能和质量的要求，对机床电气控制系统进行优化研究势在必行。

1 PLC技术在机床电气控制中的应用

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller ，PLC）技术在机床电气控制中被广泛应用。首先，PLC技术可以对机床工作过程进行实时控制。它能接收各种传感器的输入信号，如温度、压力等，根据信号进行实时逻辑判断，输出相应控制指令，降低了因人为操作失误而产生的风险。

其次，它可以对主轴、进给轴和伺服系统等多运动部件进行精确控制，通过预设程序控制部件运动参数、模式切换及轨迹控制，以此实现复杂加工任务。

进而，实现进给控制。机床进给系统涵盖进给速度、位置和方向等内容，能通过PLC进行精准的控制，使机床能根据不同工件特点与加工需求，调整进给参数，满足多样化生产需求，具体如图1所示。

2  基于PLC技术的机床电气控制系统优化方法

2.1  硬件优化

2.1.1  采用高性能的PLC控制器

为提高机床电气控制系统的性能，需选择高性能PLC控制器，其核心优势在于显著运算能力与大额存储空间。具体来说，控制器能以高速处理复杂数据，实现精密机械加工与机床高速运转，较大存储空间使PLC控制器能存储更多程序与指令，让机床实现事半功倍。高性能PLC控制器还支持更多输入输出点位，使得机床能连接更多传感器与执行机构。在现代工业生产中，传感器的广泛应用使得机床能够实时监测各种工作参数，如温度、压力、位移等，确保加工过程精准度和安全性，意味着机床能实现复杂自动化操作，提高生产效率，降低人工成本。

2.1.2  优化输入输出模块

输入输出模块是机床电气控制系统与外部设备之间沟通的桥梁，其性能直接影响到系统运行效率与可靠性。为提高机床电气控制系统的整体性能，需针对输入输出模块进行优化，此过程中可采取以下几种策略：首先，选择高速响应的输入输出模块，以高响应来大幅减少传感器至控制系统的信号传输延迟，加快系统响应速度，提升整体生产安全性；其次，增加输入输出模块数量与种类，不同机床电气控制系统需要连接多种不同设备，因此，多样化输入输出模块能更好满足设备连接需求，保留物理接口种类，通信协议种类等，确保系统与各种设备的兼容性；最后，配置合适的输入输出接口，合适的接口能减少电磁干扰，保证数据传输的准确性。因此在设计输入输出接口时，需要考虑电磁干扰、接口的物理位置，以及电缆的布局等因素，确保整个系统的稳定性和长期可靠性[2]。

2.1.3 设计可靠的电源系统

机床电气控制系统的稳定运行能够保证机床的精确加工和高效生产，其中电源供应稳定性起着核心作用。在设计和优化机床电气控制系统时，相关人员应考虑电源稳定性对提高机床性能的影响，并利用电源的稳态降低因电源问题导致的故障率。对此，应当选择高质量的电源模块，避免因电压波动和电流过载对机床电气控制系统造成损害。在此基础上，添加电源滤波器和稳压器，这能有效减少电源线路中的电磁干扰与噪声。同时，还需使用电源自动切换机制，应对突发电源故障，保证机床在主电源故障时仍能继续运行，避免因突然停机导致的生产中断。

2.2  软件优化

2.2.1  采用高效的编程语言

选择合适且高效的编程语言能确保机床电气控制系统的性能和开发效率至关重要，机床电气控制系统作为现代制造业中核心组成部分，其性能影响着生产效率与产品质量。因此，编程语言选择不仅关乎程序实现，更涉及生产系统稳定性。众多编程语言中，梯形图、结构化文本和功能块图等是最常用于机床电气控制系统的编程语言。梯形图以其直观的逻辑结构和易于理解的布局，特别适用于逻辑控制和简单的自动化任务；结构化文本则类似于传统的高级编程语言，具有强大的数据处理能力和灵活的编程结构，适合于处理复杂的算法和逻辑；功能模块图则通过预定义的功能模块来简化编程过程，适合于模块化设计和快速开发[3]。

在选择编程语言时，应考虑系统的具体应用需求，如控制精度、处理速度和系统复杂度等。例如：在需要高速数据处理和复杂算法支持的场合，结构化文本可能是更佳的选择；而在进行简单的逻辑控制时，工作人员应当意识到梯形图则可能更为合适。此外，合理地利用所选编程语言的特性进行程序设计，如有效地使用结构化文本的算法处理能力或梯形图的逻辑控制优势，这对提升系统整体性能与开发效率有较强的现实意义。

2.2.2  优化程序结构

优化机床电气控制系统的程序结构能提升其整体性能，此过程主要涉及提高代码的可读性和维护性，核心在于通过合理的模块化设计，清晰地划分功能模块、函数和子程序。模块化设计有助于减少代码复杂性，并能有效提高后期维护和升级的效率。此外，注释和标识符命名的规范化同样重要，它们为代码的可理解性提供了直观的支持，尤其是在团队合作开发中，规范化命名与充足的注释能够使不同的开发者迅速理解代码意图和结构，从而降低沟通成本。在编程实践中，应当特别注意避免冗余和重复的代码，这会造成资源浪费，进而导致程序运行效率的降低和潜在的错误。有效地避免此问题的方法之一是通过封装重复使用的代码段为函数或子程序，在提升代码重用性的同时，也能增强程序可扩展性，确保程序结构合理性与高效性，这是提升机床电气控制系统性能的关键所在[4]。

2.2.3  引入自动诊断和故障处理功能

在现代制造业中，机床电气控制系统的性能直接影响到生产效率和产品质量。因此，优化这一系统，尤其是其可靠性和可维护性，成为提升整体工作效率的关键。通过引入自动诊断和故障处理功能，不仅可以实时监测机床电气控制系统的运行状态，还能有效检测和预防潜在故障，从而显著提高系统的稳定性和安全性。

利用程序逻辑控制器（PLC）的自动诊断功能，可以对系统的关键参数进行实时监控，如电流、电压、温度等，以此来及时发现异常。一旦检测到潜在故障，系统将自动启动预设的故障处理程序，这些程序能够快速准确地定位问题所在，并采取相应措施，如调整控制参数或启动紧急停机程序，以避免损害的扩大。

此外，这种优化还包括了对系统维护策略的改进。通过记录和分析故障数据，维护人员可以更有效地进行故障诊断和维修工作，从而减少了系统的停机时间，提高了生产效率。同时，系统的这种自我诊断和修复能力，也降低了对高级技术人员的依赖，减少了运营成本。

2.3  网络优化

2.3.1  使用工业以太网实现通信

工业以太网是在传统以太网的基础上进行优化，能满足工业环境中对高速度与高可靠性的严格要求。它支持高速数据传输，其传输速率远高于传统工业通信协议，使数据能在极短时间内被处理，以此显著提升机床电气控制系统的响应速度和处理能力。同时，工业以太网支持远程监控功能，让操作员能实时监控和控制机床电气控制系统的运行状态，即使远离设备情况下也能进行管理，增强了系统灵活性，为设备运维能提供便利，提高系统的运行效率。

2.3.2  配置可靠的网络拓扑结构

在现代机床电气控制系统的设计中，网络拓扑结构的合理配置能有效提高网络性能与系统可靠性：（1）通过采用冗余网络架构，能有效避免由单点故障引起的系统中断，即使部分网络节点出现问题，系统依然能保持正常运行，提升了容错能力；（2）网络隔离技术能保证网络安全性，能有效隔离潜在干扰源，确保控制系统数据传输在安全可靠环境中进行。上述技术的综合应用，不仅提高了机床电气控制系统整体性能，还增强了系统的稳定性和可靠性，对保障高效、精准的机床操作具有极强现实意义。

2.3.3  引入远程监控和维护功能

引入远程监控和维护功能，能实现对机床电气控制系统高效、精准的远程管理与故障诊断。就远程监控软件与设备运用而言，这能实现对系统运行状态实时监测，意味着系统异常的发现具备实时性，以此支持高效收集关键运行数据，为系统长期优化提供数据支撑。例如：通过分析长期数据，能够预测潜在的故障和性能下降，实现预防性维护，从而延长设备的使用寿命。远程故障诊断机制也大幅提升了维护效率。在传统模式下，维护工作往往需要技术人员现场出勤，诊断和解决问题，但远程监控与维护功能的引入，使技术人员能在远程即可了解问题所在，并迅速制订解决方案，甚至在很多情况下能直接远程解决问题，大幅节约时间成本[5]。

3  实际应用案例

PLC技术在机床电气控制系统优化应用案例可以参照DMC公司为其客户开发的绷带张紧切割机器。案例中，DMC公司与机械设计客户合作，使用了Siemens S7-1200 PLC（可编程逻辑控制器）和SIMATIC HMI（人机界面）来开发这个切割机器。S7-1200 PLC提供速度与扭矩调节给S210驱动器，以确保绷带达到适当张力，且应用适当扭矩时，PLC还负责检查压力与传感器状态，显著提高了应用质量与一致性。同时，HMI还提供了工具实时数据，以绷带循环日志与可视化质量控制，对每次张紧和切割周期中的压力、扭矩、速度和传感器数据，实现了数据监测。数据随后被HMI写入SD卡上的CSV文件中，在最新日志中以XY图形式显示，任何日志都可以下载到USB设备上。

客户从应用中获得机器操作更加简便、质量控制得到改进以及操作的一致性提高等好处。其中，起到决定性作用的核心技术是Siemens S7-1200 PLC、SIMATIC HMI移动面板、S210驱动器和Siemens 1FK2伺服电机。此案例说明了PLC技术在机床电气控制系统中能具备的应用价值，并详细阐述了如何通过先进控制提升操作效率与产品质量。

4  结语

本研究通过对基于PLC技术的机床电气控制系统的优化方法进行研究，提出优化编程设计、优化信号处理和优化通信与联网等方面的解决方案。通过这些优化措施，可以提高机床的工作效率和稳定性，促进制造业的发展。未来的研究可以进一步探索PLC技术在机床电气控制系统中的应用，以及与其他智能制造技术的结合，进一步提高机床的自动化水平和智能化程度。

参考文献

[1]罗彬.PLC技术在数控机床电气控制系统中的应用研究[J].造纸装备及材料，2023，52（9）：38-40.

[2]陈长锋.现代电气控制及PLC应用技术分析[J].中国设备工程，2022（18）：186-188.

[3]李成伟.基于PLC技术的机床电气控制系统优化研究[J].光源与照明，2023（2）：225-227.

[4]曹琳，张峻霞，房德磊，等.基于可编程逻辑控制器（PLC）的专用组合机床电气控制系统[J].天津科技大学学报，2023，38（3）：45-51.

[5]杨桥，谢颖，李杰，等.基于西门子840D SL系统快速I/O的并联控制应用[J].机床与液压，2021，49（21）：147-150.