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數控車床常見 PLC 控製係（xì）統故障診斷與維修

2024-5-16 來源：江蘇（sū）聯合職業技術學院淮安生物工程分院作者：花春梅，陳福雲

摘要：數控車床的控製越來越智能化，但是在實際工作過程中會遇到各種各（gè）樣的問題，其中，PLC 控製係統故障經常出現。該文（wén）對數控車床 PLC 控製係統故障類型、診斷方法進行總結，提出從故（gù）障現象、發生時間（jiān）等方麵分析 PLC 控製係統發生故（gù）障，從電源電（diàn）壓和各個模塊的供電是否正常著手診斷 PLC 控製係統的硬（yìng）件部分（fèn），通過對 PLC 控製係統進行（háng）編程測試來發現軟件方麵出現的故障。通過（guò）案（àn）例分析數（shù）控車床 PLC 控製係統故障檢測和維修過程。及時對 PLC 控製係統中出現的問題（tí）進行（háng）全麵分析和總結，根據問題（tí）出（chū）現的（de）原因，有針對性地采取（qǔ）科學的措施來進行（háng）處理，可以有效提高數控車床運行（háng）效率。

關鍵詞（cí）：PLC 控製係統；故障；診斷；維修

0、引言

數控車床的控製越來越智能化（huà），在機械製造領域的應（yīng）用越來越廣泛。但在實際工作過程中，有很多用戶不（bú）知道如何檢查和處理機床出現（xiàn）的故（gù）障。在對數控車（chē）床的故障進行維（wéi）修的過程中（zhōng），可能（néng）會遇到各種各樣的問題，比如說數控係統的問題、機械零件的問題等，其中，PLC 控製係統故障是經常出現的，特別是在使用時間較長的情況下。PLC 控（kòng）製係統是由 CPU、存儲器、輸入輸出接口模塊（I/O）等組（zǔ）成的，其主（zhǔ）要功（gōng）能是接收數控裝置發出的指令信息（xī），按照指令（lìng）要求對輸入的數（shù）據進行處理，並對執行結（jié）果進行輸出，從而實現（xiàn）機（jī）床的自動（dòng）加工。可見，PLC 控製係統（tǒng）在數控車床中尤為重要。在數控車床出現故障時，如果不能（néng）及時（shí）有效地解決，可能會造成很（hěn）大（dà）的經（jīng）濟損失。本文對數控車床（chuáng）常見 PLC 控（kòng）製係統故障（zhàng）診斷中的方法及步驟進行分析，總結常見（jiàn）故障（zhàng）類型，並（bìng）結合實際案例說明數控車床 PLC 控製（zhì）係統故障診斷流（liú）程和維修方法。對於生（shēng）產來說，對 PLC 控製係統故障做出快速準確的判（pàn）斷（duàn）、診斷，對保證數（shù）控機床的穩定性（xìng）、降低故障（zhàng）率、縮短維修時間和提（tí）高機床的使用（yòng）率至關重要。

1、數控車床 PLC 控製係（xì）統故障分類

PLC 控製係統發生故（gù）障時，可從（cóng）故障現象、發生時間等方麵進行分（fèn）析（xī），其故障類型如要有如下幾種：

（1）可根據係統功能模塊（SFC）與 PLC 的連接方式，將係統故障分為係（xì）統 I/O 故障和軟件（jiàn）程序故障兩類。

（2）可根據係統工作狀態的變化，將（jiāng）係統故障分為正常（cháng）狀態、不（bú）正常狀態和異常狀態三類。

（3）可（kě）根據係統所（suǒ）處工作環境（jìng）的溫度（dù）和濕度條件，將係統故障分為常溫狀態下（xià）的故障和高溫狀態下的故障。

（4）可根據 PLC 硬件上電源連接方式的不同，將係統故障分為外部電源故（gù）障和（hé）內部電源故障兩類。

（5）可（kě）根據係統電路（lù）中元（yuán）器件數量多少，將係統故（gù）障分為元器件損壞型和元器件開路型兩類。

（6）可根據控製邏輯關係（包括輸入輸出）與 PLC連接方式的（de）不同，將係統故障分為直接接觸式和間接接觸式兩類。

對於 PLC 控製係統發生的故障，簡單來說，可分為硬件和軟件兩種類型（xíng）。硬件故障（zhàng）一般表現為（wéi）係統死機、CPU 運行（háng）不正常、電源故障等；軟件故障則主要（yào）表（biǎo）現為（wéi）係統死機、程序出錯等。要想更好地處理 PLC控製係統發生（shēng）的（de）故障（zhàng），就必須要做到對 PLC 控製係（xì）統出現故障進行全麵分析和總結。

2、 PLC 控製係統故障診斷方法

對於（yú）PLC 控製係統的硬件部分，首先要注意的是電（diàn）源電壓是否符合要求。其次，在（zài）檢查硬件方麵時，還需（xū）要注意各個模塊是（shì）否存在供電不正常的（de）情況，並在進行故障檢測時要做好相應的記錄，以便於日後進行分析和解決。在檢查電（diàn）源電路時（shí），還需要注意確保電源的安全接地。針對軟件方麵出現的故障，主要是通過對 PLC 控製係統進行（háng）編程測試來發現問題。在進行測試（shì）時（shí），一般可采用數字萬用表或模擬萬用表等工具對 PLC 控製（zhì）係統的輸入輸出接口（kǒu）模塊進行檢測。此外，對於 PLC 控製係統中的輸入輸出（chū）模塊出現故障時，還可以通過對故障進行直接測量來發現故（gù）障。

對於數控車床，可根據所發生的故障現象來確定可能存在的故障點。比如，數控車床在進行加工時出現了卡盤不走（zǒu）車等現象。這時，可先檢（jiǎn）查一下機床的位置編碼器是否正（zhèng）常，如果有問題，則（zé）可找出（chū）原因，如果沒有問題（tí），則可能是（shì）控製係統出現了故障。對於（yú）數（shù）控車床的控（kòng）製係統（tǒng）故障來說，可先進行（háng）手動操作，看一下數控車床能否正常地運轉（zhuǎn）。如果數控車床能夠正常運轉的話，說（shuō）明（míng）控製係統沒（méi）有問題，如果不能運轉或者無法（fǎ）啟動的話，則需要找出故障原因（yīn）後（hòu）再進行維修。

3、PLC 控製係統的常（cháng）見故障及原因分析

數控車床故障現象主要表現為 PLC 控製係統發生故障。對 PLC 控製係統發生的故障進行分析，一般（bān）可分為硬件故障和軟件故障兩種類型。對於硬件故障，主（zhǔ）要是指 PLC 控製係統本身出（chū）現（xiàn）的問題，其原（yuán）因通常（cháng）是由（yóu）元器件老化、損壞造成的。對於軟件故障，主要是指程序出（chū）現的問題（tí）。程序錯誤或程（chéng）序衝突是導致軟件故障的主（zhǔ）要原因，例如，由於軟件（jiàn）設計不當造成PLC 控製係統出現死機、死循環等現象。在（zài）數控（kòng）車床的實際運行過程中，可能會出現一（yī）些影響其正常運行的其他因素，例如，溫度過高、電機過熱、機械磨損等都會對（duì）數（shù）控車床造成影響。另外，在對 PLC 控製係統進行維修時，還（hái）可能會由於操作不當或設備原因等造成係（xì）統（tǒng）死機、程序（xù）錯誤等現象。

3.1 PLC 輸入（rù）故障

（1）檢（jiǎn）查 PLC 輸入故障時，應首先檢查輸入信號的可靠性，其次檢查輸入信號的接線是否正確（què），特別是數字量輸入信號的接線，如（rú）圖 1 所（suǒ）示。輸入信號正常，但不能進（jìn）行邏輯運算或模擬運算時，則（zé）可能是該功（gōng）能模塊內部電路或外部電路（lù）出（chū）現故障；若輸入（rù）信號（hào）可以（yǐ）進行邏輯運算或模擬運算，但輸（shū）出值無變化時（shí），則可能是該功能模塊出現（xiàn）故障。

圖 1 PLC 在數控機床（chuáng）中的配（pèi）置方（fāng）式

（2）檢查 PLC 輸（shū）出故障時（shí），首先應檢查輸出（chū）繼電器的狀態（tài）是否正常。若輸（shū）出繼電器無（wú）變化，則可能是該功能模塊內部電路出現故障；若輸出繼（jì）電器有變化，則可能是該（gāi）功（gōng）能模塊外部電路出現（xiàn）故障。

（3）檢查 PLC 輸入信號是否（fǒu）與（yǔ）給定值相對應（yīng）。若發（fā）現給（gěi）定值不相符時，應先檢查 PLC 與輸入信號之（zhī）間的連接情（qíng）況，若發現 PLC 與輸入（rù）信號之（zhī）間（jiān）沒有任何連接問題，則應檢查 PLC 與外部電路之間的連接情況。

3.2 程（chéng）序錯誤

程序錯誤是指數控車床在控製過程中由於設計或製造方麵的原因造成（chéng）了程序出錯，這也（yě）是最常見的PLC 故障之一，通常也會由硬件或軟件問題造成。硬（yìng）件上的原因（yīn）有：CPU 內部的程序存儲器容量（liàng）不夠；CPU 內部程序存儲器（qì）中有錯誤代碼；CPU 的存儲單元損壞或數據線（xiàn）接觸不良（liáng）。軟件上的原因有：輸入/輸出模（mó）塊程序錯誤；控製程序中的錯誤代碼、控（kòng）製程序中的數據丟失或數據不完整。

在出現程序錯誤時，可先采用軟複位功能來清除程序錯誤，再用 PLC 自診斷功能（néng）來檢查可能出現問（wèn）題的地方。如確定 PLC 上無（wú）相應控製元件或其參（cān）數設置錯誤，則應檢查 PLC 輸入/輸出模塊是（shì）否有錯誤代碼或數據（jù）線接觸不良，同時還應檢查是否有數據線（xiàn）不能正常工作（zuò）或與（yǔ）其他設備通訊等故障。

在進行上述（shù）檢查後，若仍無法解決問題，則可將PLC 從係統中隔離出來，然後重新進行係統初始化（huà）。

3.3 硬件故障

數控車床內裝型 PLC 形式如圖 2 所示，這類故障是由於係統硬件（jiàn）損壞而引起的，包括係統元件（jiàn）損壞、係（xì）統電源（yuán）故障、係統電路邏輯（jí）關係（xì）異常等（děng） 3 種（zhǒng）情況。

（1）元器件損壞型故障（zhàng）。處（chù）理方法：首先檢查（chá）硬件上是否存在短路、斷路、接地等問題，然後逐（zhú）一進行更換，即可解決（jué）。

圖2 數控車床內裝型 PLC 形式

（2）係統電源故障。處理方法：首先檢查電源是否正常，若電（diàn）源正常，則可根據邏輯關係檢查 I/O 的輸入輸出端是否有信（xìn）號產生，若無信號（hào）產生，則應檢（jiǎn）查電源電路（lù）中的交流電（diàn）源輸入端和直流電源輸出（chū）端是否有電壓（yā）產生，若無電壓產生，則應檢查輸入輸出線是否存（cún）在短路、斷路（lù）或接地問題。然後逐一檢（jiǎn）查（chá） PLC的 I/O 點是否存在短路、斷路或接地問題。若無問題（tí），則可進入下（xià）一步工作。

（3）電路邏輯關係異常。電路邏輯關係異常是指係統（tǒng）在工作過程中，出現了異常的錯誤現象。這類（lèi）故障原因複雜，出現的幾率較低，但也不能排（pái）除。對於這類故障，我們可采用如下方法（fǎ）處理：根據係統發生異常的原因不同，可以用萬用表測試各元件的工作電壓是否正常，如有異常應及時更換元件；對（duì）各元件進行測試，判斷其工作電壓是否正常；如果確定是（shì）某些元件出現問（wèn）題，可在正常（cháng）情況下反複測試以找出故障點；如果（guǒ）是某（mǒu）個電路（lù）邏輯關係出現（xiàn）異常，應對其進行調整或更換；若故障依舊，則說明係統硬件電路上有（yǒu）短路、開路（lù）等故障存在，應（yīng）根據情況采取相（xiàng）應措施排（pái）除故障（zhàng）。

4、數控車床 PLC 控製係統故障案例分析

在對數控車床進行維修時，我們可以根據其控製係統（tǒng）的特點進行（háng）。數控車床控製係統的控製方式一（yī）般分為兩種（zhǒng），分別是集中控製和分散控製。集中控製方式一般用於具有一定規模的生產（chǎn）企業，而（ér）分散控製（zhì）方式則適用於中小型企業。我們在維（wéi）修數控車床時，要先對其進行初步的檢測，然後再采取相應的措施。這些問題如（rú）果不能及時解決，可能會對數控（kòng）車床造成（chéng）很（hěn）大（dà）的影響和損失（shī），所以我們要對數控車床出現故障時進行及時有效地維修，盡量減少其影響和損失。

有（yǒu）一台西門子數控車床，其控（kòng）製程序（PLC）在維（wéi）修時發現在開機時無顯示（shì）現象。停機（jī）後發現該機床顯示（shì）有：“I/O 錯誤”、“PLC 無效”等字樣，說（shuō）明機（jī）床控製係統（tǒng）（PLC）已（yǐ）損壞。

在開機時，機床顯示有“I/O 錯誤”、“PLC 無效”等字樣，而機床沒有任何報（bào）警。經檢查發現，機床的（de） I/O口一直處於接通狀態，且有許多外部（bù）信號在此控製（zhì）下接通，並且（qiě）這些外部信號一直在變化（huà）。經分析認為，這

是 PLC 程（chéng）序中存在錯誤。該機床的 PLC 程序中存（cún）在一個（gè）循環條件為“I/O 錯誤”的語句，並且該語句是（shì）一個循環語句，即每（měi）輸入或輸出一條信息後，便有一個（gè）循環條件來判斷是否執行下一條信息。對於這種循環（huán）條件語（yǔ）句，在實際（jì）應用中很少出現這種情況，PLC 程序（xù）中並沒有對這種情況進行說明，在實際應（yīng）用中可能有多（duō）種原因會導致該語句（jù）的出現。筆者（zhě）認為存在如下問題。

4.1 機床 I/O 口與 PLC 之間的接線方式

數控機床（chuáng） I/O 口與 PLC 之間的接線方（fāng）式主要（yào）有（yǒu）三種：並聯（lián）方式、串聯方式、並聯與串聯混合方式。並（bìng）聯方式是指（zhǐ） PLC 與 I/O 口直接連接，這種連接方式的（de）優點是 I/O 口的連接非常方（fāng）便（biàn），但它的缺點是當 PLC有故障時，機床不能（néng）進行正常操作；串聯方式是指PLC 與 I/O 口先通過中間繼電器進行連接，再經過（guò）中間繼電器再與機床的 I/O 口連接（jiē），這種（zhǒng）接線方式的優點是當 PLC 故障時，機床可以進行正常操作，但其缺（quē）點是當機床出現故障時，數控係統無（wú）法進行正常操作。並聯方式與（yǔ）串聯方式相比，由於 I/O 口的連接非常（cháng）方便，因此並聯方式比串聯方式更可靠。對於（yú）並聯與串聯混合的接線方式來說，當（dāng） PLC 出（chū）現故障時（shí），機床可以直接進行操作。

4.2 機床運行狀態的變化

機床加（jiā）工工件時（shí），刀具對工件的切削或輔助係統對工件（jiàn）的支（zhī）撐或夾緊等作用使（shǐ）機床運行狀態（tài）發生變化。當出現上述情況時，可（kě）以通過（guò）以下方法進行處理：

（1）檢查所使用（yòng）的 PLC 程序是否有上述（shù）問題；

（2）檢（jiǎn）查機床（chuáng）各運（yùn）動部件是否有異（yì）常（cháng）現（xiàn）象；

（3）檢查 I/O 口（kǒu）是否正常；

（4）檢查各外部信號是否正常，如各種傳感器（qì）信號、伺服（fú）信號等是（shì）否有（yǒu）異常現象；

（5）檢（jiǎn）查機床控製係統（tǒng）是否有異常現象，如電源、機械等故障。

4.3 機床輸入信（xìn）號的變（biàn）化

機床的輸入信號由機械（xiè）和電（diàn）氣兩部分組成。電氣部分主要由各種輸入信號、各種輸出信（xìn）號以及它們之間的公共點（diǎn）構（gòu）成，這些信號有電壓（yā）、電流、熱效應等。在數控機床的設計中，除了（le）要考慮到機床本（běn）身的加工能力外，還要考慮到數控係統所能接受的最大輸入信號。在 PLC 程序設計中，對輸入信號（hào）的處理通常采用變換函數或轉換（huàn）矩陣的方法來實現。

對於輸入（rù）信號變（biàn）化引起的 PLC 程序錯誤，主要（yào）表（biǎo）現為：當某一輸（shū）入信號（hào）發（fā）生變化時，會使輸（shū）出端對應的輸出狀（zhuàng）態發生變化，從而導致程序中出現“I/O 錯誤”“PLC 無效”等語（yǔ）句。解決此類問題時可以采（cǎi）用以下（xià）方法：一是改變機床輸入信號（如更換 PLC 型號、輸入信號類型等）；二是修改 PLC 程序。

對 PLC 控製係統進行維修時（shí）要注意以下幾點：

（1）對可編程控（kòng）製器進行檢查，主要是檢查其輸入/輸出端是否存在短路問題。

（2）檢查可編程控製器的電源電壓是否正常。

（3）在對可編程控製器進（jìn）行檢測時，要注意檢測其是否存在故障。

（4）在對可編程控（kòng）製器進行檢查時，要注意觀察PLC 的（de）內部接線是（shì）否正確。

（5）對（duì）可（kě）編程控製器進行檢測時，要注意檢查其輸入（rù）/輸（shū）出端子之間的連線是否正確。

5、結語

在（zài） PLC 控製係統發生故障時，一定要做到不盲目檢修，要根據控製係統的工作原理以及電氣線路的分布情況（kuàng），從軟（ruǎn）件和硬件兩個方麵，及時對 PLC 控製係統中出現的問題進行全麵分析和總結，然後根據問題出現的原因，有針對性地（dì）采取科學的措施來進行（háng）處理（lǐ）。數控（kòng）車床 PLC 控製係統常見故障，通過采取有效措施處理 PLC 控製係統中出現的（de）問題後，就可以減少機（jī）床（chuáng）運行過程（chéng）中產生（shēng）的故障（zhàng）率，有效提高數控車床運行效率。

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