PLC的车床电气控制系统设计分析

赵漫漫

（无锡机电高等职业技术学校，江苏 无锡 214028）

PLC技术将传统控制技术与计算机技术有效地结合起来，克服了复杂机械接触及传统控制系统接线中，继电器能耗高、可靠性低的缺点。同时，采用PLC技术采用继电器梯形图为基础的简单指令形式，有效地提高了编程效率。更为重要的是可根据不同的工艺要求修改相应的参数及程序，并不需要重新设计控制系统，高速完成电气控制系统对车床的控制，提高生产效率。

1 PLC技术

PLC是专为工业环境的应用而设计的，采用可编程存储器内部储存用户设计的指令，实现定时、逻辑运算、顺序操作及算术运算等特殊功能。可编程序控制器及有关设备，与工业控制系统形成一个整体，实现各种功能。长期以来，车床电气控制在实际使用中，系统接线相对较复杂，增加了电气故障诊断及维修难度。通过采用PLC技术，可重新设计系统及布线，减少了工作量、人力及资金资源。PLC具有较好的适用性、通用性，可满足车床电气控制系统的改造需求。同时，有着较高的可靠性，且呈现出较好的柔性。更为重要的是，为电气控制系统故障诊断及后期维修提供了方便，有着较高技术效益性。传统PLC系统采用CPU控制技术，对控制器进行编程可完成对输入数据预期处理，从而形成数据控制信号。由微处理器、控制中心、内存、I/O接口及编程器所组成。当前，软PLC系统是在传统PLC技术上进行改进的一种技术，数控机床的控制由CNC与PMC协调配合来完成，CNC可有效完成插补运算、位置伺服控制、译码等，相应完成工件的装夹及刀具更换。机床辅助功能涉及有M、S、T等指令，其中M指令主要为冷却液的开关、卡盘的松紧及换刀等，S指令为主轴转速的有效控制，T指令为刀具功能。由软件编程、运行系统所组成。软件编程系统包括用户编辑界面、编译器、I/0仿真监控界面，其中用户编辑界面是给用户提供最终界面，为用户提供编程工具及编程方法。编译器可将PLC程序编译成梯形图，转换指令表，用户更容易执行此类梯形图。I/O仿真监控界面可监控车床输入输出数据。运行系统包括数据存储区、解释执行区、硬件抽线层等结构组成，数据存储区是用来存储控制电路传送来的信息及运行中产生的信息。解释执行区则是对指令、梯形图型进行解释执行。硬件抽线层可控制软件到硬件接口，完成驱动，最终实现电路信号的发送及接收。

2 基于PLC的CA6140车床电气控制系统设计研究

2.1 CA6140车床结构及其控制要求

车床是用来车削外圆、内圆、螺纹、端面及定型面，采用铰刀、钻头等工具来钻孔、倒角、切断等。主拖动电动机常选择笼型异步电动机，选择机械调速，采用直接启动或Y-△启动，停车要求快速，且反转。由单独的快速移动电动机拖动溜板箱，采用点动控制，控制线路有必要的保护措施及安全的局部照明电路等。主轴电动机M1、快速移动电动机M3可直接启动，并由接触器KM1、中间继电器KA1、中间继电器KA2来控制。

2.2 PLC的CA6140车床电气控制改造

根据CA6140车床电气控制原理，从而制造PLC控制系统，其I/O分配如下表1、2所示。

表1 CA6140型车床PLC输入分配

表2 CA6140型车床PLC输出分配

（1）硬件设计。根据电气控制系统功能将车床进行分解，可合理分配PLC资源。对于普通车床，可将控制功能分为辅助控制、主动控制两大类，辅助控制包括主轴起动、制动功能、冷却液提供、速度调节功能；主动控制是指在X轴与Z轴两方向上进行进给运动。采用PLC控制车床时，需将车床的控制及检测信号输入到PLC中，通过预先编制的PLC程序对输入信号进行运算，并将运算结果输出到相应控制设备中，每一个输入控制信号可通过输入元件送出，且每一个输入元件又有多个或者一个执行设备相对应，从而完成输入指令控制动作。进行硬件设计前，根据所需要控制的功能确定PLC输入输出点。坚持分解原则，从而确定PLC的I/0点结果。根据PLC控制系统，输入21个点，输出14个点。在实际工作中，PLC输入输出点比一般理论值多百分之三十。为了方便操作，可设置20个输出点及其30个输入点。PLC控制系统的线路设计是机床电气控制的关键步骤。通过电路连接将输出元件与输入元件连接起来，从而控制机床。与传统的继电器控制系统布线相比较，PLC控制系统的线路连接相对简单一些。PLC控制系统代替了传统控制系统中较为复杂的逻辑电路。根据PLC功能特点、控制对象，通过PLC将输入与输出元件有效结合起来。每一个输入点都对应相应的输出点，并且通过PLC对输出元件动作加以控制。对于一般车床电气控制，其输入输出点数不超过256点，采用小型PLC来控制。小型PLC只需要简单的逻辑运算，通过开合、起停及先后顺序来控制相应操作。综合考虑经济性与实用性，可采用PLC系统，该系统具有体积小及价格低廉的优点。输入及输出点都超过所需要的数据，可采用EM221数字量8点直流输入模块2个，扩展后的PLC有26个输出点、30个输入点，可满足实际应用要求。

（2）程序设计。编写PLC程序时，通过语句表、梯形图及程序块等形式来表示相应程序。其中梯形图具有直观性，通过这一梯形图形式可编写PLC程序。在编写完成后应用PC/PPI电缆将程序送往PLC之中。通过分析PIC控制机制可得到连接SB2 Q0.0动作，电机启动，车床运行。接通SB1、Q02释放，断开SB1、Q01动作，电机停止，车床停止操作。通过旋转z2按钮，Q04动作，可实现快速移动。需要冷却时，通过接通SB7 Q03动作，电动机输送冷却液。接通SB8后，PLC系统停止。编写PLC程序时，通过这一设计，有效简化了复杂繁琐的布线结构，在执行新的生产流程时，需要重新编写及调整内部程序，避免反复布线所造成的物力、人力资源浪费。对于普通的车床，需要简单的条件及顺序指令即可实现控制。仅仅在控制按钮发出信号后，并对程序进行计算，即可发出相应的设备指令，控制系统。

（3）机床电气控制系统常见故障。为了有效减少机床在加工过程中对机床自身、工作人员的伤害，通常对急停和超程进行处理。急停按钮对于当前数控系统、数控机床出现紧急情况时，需要对数控机床立即进行停止运动或切断动力装置的主电源。当数控系统出现自动报警信息后，立即按下急停按钮。查看报警信息排除故障后，松开急停按钮，使系统恢复正常。若机床长期处于急停状态，不能进行复位操作。可能由于系统参数设置错误，系统信号并不能正确输入输出或复位条件不满足引起的急停故障。也有可能由于PLC中所规定的系统复位并不能完成信息要求，应检查电源模块。

3 结语

总之，随着我国信息技术的飞速发展，制动自动化思想已深入人心。就当前来看，我国制造业处于智能化及高度自动化阶段，基于PLC车床电气控制系统在制造业中扮演着越来越重要的作用，PLC控制模块与机床数控模块有机结合起来，才能够提高PLC的精确控制能力，同时在很大程度上提高了我国制造业生产效率，促进我国制造业实现可持续发展。