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PLC 在設（shè）計開放式數控車（chē）床係統的應用研（yán）究

2019-11-14 來源：廣東省技師學（xué）院作者：譚誌全

計算機和信息技（jì）術在數控係統領域的（de）應用使數控係統的（de）硬件和軟件係統資源得到極大的豐富，更有（yǒu）利於開（kāi）放（fàng）式數控係統的研發和應（yīng）用。完成數控係統的信息處理需要進行（háng）數字控製和（hé）順（shùn）序控製，PLC 就是實現數控係統順序控製的重要控製硬（yìng）件。現代控製理（lǐ）論的使用，使開關控製技術（shù）進入閉環比（bǐ）例伺服控製，提高了係統的精度和穩定性。

1、數控係統的基本工（gōng）作（zuò）原理

數控車床的（de）的控製係統是（shì）設備運用中的神（shén）經（jīng）中樞，以數字控製的形式發出工作命令，使設備執行（háng）工作，而可編程邏輯控製器在整個（gè）數控係統（tǒng）不可或缺。PLC 工作過程主（zhǔ）要包（bāo）括數據輸入、用戶程序執行和（hé）輸出刷新 3個主要階段（duàn），而傳統的數據控製係統比較封（fēng）閉，上極位不能（néng）實現（xiàn）與管理層的直接通訊。開放（fàng）式的 PLC 控（kòng）製係統可以通過（guò）現場設備的連接和控製去實現和設備層、管理層的直接通訊，極大的提高（gāo）運（yùn）行效（xiào）率和可靠性。PLC的硬件結構是軟（ruǎn）件（jiàn）係統得以運（yùn）行的前提，硬件設備可以實施對軟件的檢測，並根據運行（háng）係統的要求和外圍的（de）硬件實現通信，完（wán）成規定（dìng）功能。

2、數控車床控製係（xì）統的硬件機構

2.1 上（shàng）位機（jī）

上位機是控製係統的中控機，工作人員在人機操作中將數據內容錄入係統（tǒng）的加工流（liú）程，使設備對數（shù）據進行讀取。人性化的操作界麵將（jiāng）會支持人工修改和參數設計，將（jiāng）改動後的數據快速進（jìn）行（háng）識別，然後根（gēn）據相關的協議將參數錄入運動控製器，完成規定的指令動作。

2.2 運（yùn）功控製器（qì）

若將控製係統比作數控車床（chuáng）係統的大腦（nǎo），那麽運動控製器就是控製係統的（de）神經中樞，能夠保障（zhàng）數據傳輸的可靠性和（hé）穩定性。國內大型（xíng）的數控係統采用西門子控製係統，中小型的有 FANUC 和三菱數控係統（tǒng），為了便於研究，選用具有良好運行穩定性的德國西門子公司（sī）所配（pèi）置的運動控製器，主要組成部分（fèn）是 PLC5300 和運動控製（zhì）器，在運動控製方麵兼具穩定性和（hé）靈活性（xìng）。

2.3 電源模塊

采用交換（huàn）變頻（pín）的電（diàn）源模塊實現交流電（diàn）和直流（liú）電之間的轉換，並使用逆變器元件將直流電轉換為特定頻率的交流電（diàn）。電（diàn）源模塊主要實（shí）現控製係統的電流（liú）轉換，經工業用電轉換為直流電，然後輸（shū）送到不同的電機模塊。電源模塊分（fèn）為可調和不可（kě）調兩類，其中可調電源模塊可以將轉換後的直（zhí）流電（diàn）控（kòng）製在允許的線性變化範圍內。而不可調電源可以控製（zhì）固定電壓的（de）直流電，應（yīng）用在固定的領（lǐng）域。

2.4 主軸係統

主軸係統可以根據加工要求、精度要求以及價格方麵的考慮進行選擇。變頻器通過串行接口接入主（zhǔ）軸係統，保證高頻變頻器的精密（mì）性，變（biàn）頻調速器的使用能夠顯著提高數控係統的自動化程度。主軸係統靠電機驅動提供電源，而電機的速度調試、轉動模式、啟動和停止以及報警工作（zuò）都由 PLC 和數字（zì）控製係統（tǒng）進行控製。主軸卡盤的鬆緊也由 PLC 和數（shù）控係統（tǒng）控製。細分市場需要主軸控（kòng）製係統能夠滿足產品加工螺紋（wén）的需要。因此需要主軸（zhóu）配置編碼器同步運轉（zhuǎn），提高係統的（de）穩定性。編碼器作為主軸位置的反饋元件，需要保證加工工作的穩定和精（jīng）確，並對電機的轉速、位（wèi）移和轉向等進行測量（liàng），編（biān）碼器端口需要和數控係統對接。

3、基於 PLC 的開放式數控車床係（xì）統的應用

數（shù）控機床在（zài）先進計算機（jī）和信息技術的（de）支持（chí）下，逐漸向智能化的（de）方向發展（zhǎn），是多種先進技術的集成應用。可以（yǐ）根據市場（chǎng）需求變更加工程序，設置不同的參數，生（shēng）產出適（shì）合市場需求的產品，並且數控機（jī）床能夠（gòu）提高產業自動化（huà）水平和生產效率，並具有高精度、品種多樣、係統穩定好的特點。國內小型（xíng）數控車床更能滿足中小企業個性化的市場需求，生產差異化的產品，進行市場細（xì）分。這裏主要針對國內中小企業的開放性（xìng）數控車床係統進行應用研究（jiū）。

3.1 主軸係統的控製與實施

國（guó）內（nèi）中小型數控車床（chuáng）係統的主軸，一般應用普通的變（biàn）頻交流器就可以改變（biàn）電機頻率。變（biàn）頻器可以選用三菱、台達等比較通用的變頻器，實現（xiàn）一定範圍內的（de）主軸無級變速。通過與已（yǐ）有的數控係統進行串（chuàn）行接（jiē）口連接，控製電流、電壓來改變（biàn）變頻器的運行速度。主軸控（kòng）製係（xì）統（tǒng）可以采用單極性電（diàn）壓，通過控製開關輸出信號實現對主軸的啟動、停用和運轉模式進行（háng）控製。速度電壓信號控製在（zài）正負 10V 範圍內，最大電流控製為 10m A。係統（tǒng）也可以使用雙極性電壓，通過勢能信號控製主軸（zhóu）的運轉工作。主軸編碼（mǎ）器是保證主軸運行可靠性和穩定性的元件，電源電壓控製在 +5V，並使用差分 TTL 方波提高（gāo）係統的抗（kàng）幹擾能力。

主軸電氣係統（tǒng）開關量的輸入和（hé）工作應（yīng）用。信息輸入（rù）包括：啟動信號、允許信號（hào）、警報信號（hào）、速度控製信（xìn）號、製動信號（hào）和（hé）驅動信號。主要包括主軸機械的不同（tóng）檔（dàng）位的啟動信號、常開觸電、閉合有效和啟動機械變檔。變頻器的功能檢測可以通過外部運行允許信號和閉（bì）合（hé）開關實行控製。通過設置過載報警信號，對變頻器的異常情況實現自行檢測（cè）。速度到達信號在主軸速度實現規定標準時，係（xì）統運行，主要檢測係統的穩定速度。此外，卡盤設置鬆開和卡緊的信號，通過內部設置低電平，根據信號指示（shì），控製卡盤工作。主軸機械不同檔位的驅動信（xìn）號，保證（zhèng）低電平有效，發出信號實現控製換擋。卡盤控製係統采用國內（nèi）性價比較好的華中數控係統（tǒng），其內置PLC 可以結合企業的實際需要（yào）進行調（diào）試和開發。而（ér）主軸的外（wài）部控製開關也需（xū）要進行輸入輸出開關控製，企業可以在數控市場上購買繼電器（qì）板解決外控（kòng）開（kāi）關的（de）問題。

3.2 PLC 數控係統與變頻器組合

數控係統和變頻器的組（zǔ）合同樣需要進行參數設計，通過主軸過載、速度標（biāo）準（zhǔn）、運行（háng）製動、正反轉啟動（dòng）和停止，變（biàn）頻高、中、低速啟動、製動解除，主軸（zhóu）正、反轉控製，高、中、低速控製，變頻器不同啟動端（duān）進行詳細標示（shì），控製變頻器的無極調速電流為上限 20m A，並設置調（diào）速端（duān）和公共端點。啟動工作時，隻需設置參數就可以實現主軸數（shù）控和變頻器的配合運作。

3.3 PLC 數控係統和觸（chù）容（róng）屏組合

觸容屏代替（tì）原有的操作台和顯示器連接人機界麵，通過（guò）數據顯示和參數設置去描述係統控製（zhì）過程（chéng）的動態曲線，進一步拓展 PLC 功能，並且簡化設備開關、儀表（biǎo）儀器設備（bèi）的使用。圖 1 為 PLC 和觸容屏控（kòng）製係統組成框圖。

該（gāi）係統仍舊采用西門子公司的數控（kòng）係統，將 S7-200 與迪（dí）文觸容屏（píng）進行組合（hé）。數控係（xì）統通過（guò）模擬量輸入模塊和溫度（dù）、壓力等傳感收集裝置采集信號，並通過PLC 上的 A/D 轉換和數值轉換傳輸到觸容屏上，通（tōng）過參數（shù）設（shè）置，觸容屏（píng）給（gěi） PLC 發送指令（lìng）去執行現場控製。計算機和觸容屏之間的（de）通信（xìn）連接（jiē）可以通過串行通信或者並行通信，而本係統采用自由口實現通信連接（jiē）。數據的傳輸協議由用戶程序決定，通信任務由計算機編程來完成，自由（yóu）口通信的核心是發送、接受指令和相關（guān）的特殊寄存器控製（zhì）。通過寄存器實現對（duì）校驗的選（xuǎn）擇、字符的數據位、自由口波特率和協議進行參數設置，以通信線進行連接，當特殊（shū）寄存器的規（guī）定（dìng）時間內沒有接到信息時，指令停止（zhǐ）接收。迪文觸容（róng）屏的數據傳送方式是由串口數據幀機構完成，幀頭固（gù）定為 OXAA, 指令有迪文係統的指令（lìng）集決（jué）定，數據最多為 249B，幀結束尾符也固定（dìng）。觸容屏的數據采用 16 進（jìn）製，字節傳送順序（xù）為高（gāo）字節（jiē）線傳送方（fāng）式，實行上行傳（chuán）送時，觸容屏發送數據給 PLC，數據從串（chuàn）行接口輸出，傳（chuán）送方向為下行時，PLC 發送數據給觸容屏，數據從觸容屏（píng）串行接口輸入，進而實現PLC 和觸容屏之間的數據（jù）傳輸。

PLC 和觸容屏控製係（xì）統（tǒng）組成框圖

4、結語（yǔ）

主軸（zhóu）控製係統和觸容屏係統與 PLC 進行組合後，便（biàn）於加工程（chéng）序編譯、運行、計算、信號輸入輸出工作的順利進（jìn）行，提高係統的（de）穩定性和可靠性，也便於人機（jī）對話和係統管理。整（zhěng）個係統可以縮短運行時間，提高（gāo）運行效率，並且設計開關量信號具有響應快的特點，主軸加工過程更（gèng）加穩定、準確、快（kuài）速。操作員通過操作觸容屏控製係統的運行（háng），可以（yǐ）省去很（hěn）多的電路接線，使作業更簡化，並且可（kě）以通過運行曲線對係統進行動態掌握，實時報（bào）警、記錄等功能實現了 PLC 可視化，促進了工控領域的發展。

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