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數控車床常（cháng）見 PLC 控製係（xì）統故障診斷與維修

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

摘要（yào）：數控車（chē）床的控製越來（lái）越（yuè）智能化，但是（shì）在實際工作過程中會（huì）遇到各種各樣的問題，其（qí）中，PLC 控製係統故障經常出現。該文對數（shù）控（kòng）車床 PLC 控製係統故障類型、診斷方法進（jìn）行總結，提出從故障現（xiàn）象、發生時間等（děng）方麵分析 PLC 控製係統發生故障，從電源電壓（yā）和各個模塊的供電是否（fǒu）正常著手診斷 PLC 控製係統的硬（yìng）件（jiàn）部分（fèn），通過對 PLC 控製係統進行編程（chéng）測試來發現（xiàn）軟件方（fāng）麵出現的故障（zhàng）。通過（guò）案例分析數控車床 PLC 控製係統故障檢（jiǎn）測和維修過程（chéng）。及（jí）時對 PLC 控製係統中出現的問題進行全麵分析和（hé）總結，根據問（wèn）題出現的原因，有針對性地采取科學的措施來（lái）進（jìn）行處理，可以有效提高數控（kòng）車床運行效率。

關鍵詞：PLC 控製係統；故障；診（zhěn）斷；維（wéi）修

0、引言

數控車床的控（kòng）製越來越智能化，在機械製造領域（yù）的應用越來越廣泛。但在實際工作過程中，有（yǒu）很多用戶不知道如何檢查和處理機床出現（xiàn）的故障。在對數控車床的故障進行維修的過（guò）程中，可能會遇到各（gè）種各樣的問題，比如（rú）說數控係統的問題、機械（xiè）零（líng）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（jiào）長的情（qíng）況下。PLC 控製係統是由 CPU、存儲器、輸入輸出接口模塊（I/O）等組成的，其主（zhǔ）要（yào）功能是接收數（shù）控裝置發出（chū）的指令信息，按照指令（lìng）要求對輸入的數據進（jìn）行處（chù）理，並對（duì）執行結果進行（háng）輸出，從而（ér）實現機床的（de）自動加工。可見，PLC 控製係統在數控車床中尤為重要（yào）。在（zài）數控車床出現故障時，如果不能及時有效地解決，可能會造（zào）成很大的經濟損失。本文對數控（kòng）車床常見 PLC 控製係統故障診斷（duàn）中的方（fāng）法及（jí）步驟進行分析，總結常見故障類型，並結合實（shí）際案例說明數控車床 PLC 控製係統故（gù）障診斷流程和維修方法。對於生產來說，對（duì） PLC 控製係統故障做出快速準確的判斷、診斷（duàn），對保證數控機床的穩定性、降低故障率、縮短維修時（shí）間和提高機床的使用率至關重要。

1、數控車床 PLC 控製係統（tǒng）故障分類

PLC 控製係（xì）統發生故障時，可從故障現象、發生時間等方麵進行分析，其故障類型如要有如下幾種：

（1）可根據係統功能模（mó）塊（SFC）與 PLC 的連接方式，將係統（tǒng）故障分為係（xì）統 I/O 故障和（hé）軟件程序故障兩類。

（2）可根據係統工作狀（zhuàng）態（tài）的變化，將係統故障（zhàng）分為正常（cháng）狀態、不正常狀態和異常狀態三類（lèi）。

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

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

（5）可根據係統電路中（zhōng）元器件數量多少，將係統故障分為元器件損壞型和元器件開路型兩類。

（6）可根據（jù）控製邏輯關係（包括輸入輸出）與 PLC連接方（fāng）式的不同，將係統（tǒng）故障分為直接接觸式和間（jiān）接接觸式兩類。

對於 PLC 控製係統發生的故障（zhàng），簡單來說，可分為硬件和軟件兩種類型。硬件故障一般表現為係（xì）統死機、CPU 運行不正常（cháng）、電（diàn）源故障等；軟件故障則主要表（biǎo）現為係統死機、程序出錯等。要想更好地處理 PLC控製係統（tǒng）發生的故障，就必須要做到對 PLC 控製係統出現故（gù）障進行全麵分析和總結（jié）。

2、 PLC 控（kòng）製係統故（gù）障診斷方法

對於PLC 控製係統的硬件部（bù）分，首先要（yào）注意的是電源電壓是否符合要求（qiú）。其（qí）次，在檢查硬件方（fāng）麵（miàn）時，還（hái）需要注意各個模塊是（shì）否存（cún）在供（gòng）電不正常的（de）情況，並在進行故障檢測時要做（zuò）好相應的記錄，以便（biàn）於日後進行分析和解（jiě）決（jué）。在檢查電源電路時，還需要注意（yì）確保電源（yuán）的安全接地。針對軟件方麵出現的故障，主要是（shì）通過對 PLC 控製係統進行編程測試來發現問題。在（zài）進行（háng）測試時，一般可采用數字萬用表或模擬萬用表等工具對 PLC 控製係統的輸入輸出接（jiē）口（kǒu）模塊進行檢測。此外，對於 PLC 控製係統中的輸入輸出模塊出現故障時，還（hái）可以通過對故障進行直接測量來發現故障。

對於數控車床，可根據所發生的故障現象來確定可能存在（zài）的故障點。比如，數控車床在進行加工時出現了卡（kǎ）盤不走（zǒu）車等現象。這時，可先檢查一下機床的位（wèi）置編（biān）碼器是否正常，如果有問題，則可（kě）找出原因，如果沒（méi）有問題，則可能（néng）是控製（zhì）係統出現（xiàn）了故障。對（duì）於數控車床的控（kòng）製係統故障來說，可先進行手動（dòng）操作，看一下數（shù）控（kòng）車床能否正常地運轉。如（rú）果數控車床能夠（gòu）正常運轉的話（huà），說明控製係統沒有（yǒu）問題，如果不能運轉或者無法啟動的話，則（zé）需（xū）要找出故障原因後再進行維修。

3、PLC 控製係統的常見故障及原因分（fèn）析

數控車床故（gù）障現象主要表現為 PLC 控製係（xì）統發（fā）生故障。對 PLC 控製係統（tǒng）發生的故障進行（háng）分析，一般可分為硬件故（gù）障和軟件故障兩種類型。對於硬件故障，主要是指 PLC 控製係統本身出現的問題，其原因通常是由元器件老化、損壞造成的。對於軟件故障，主要是指程序出（chū）現的問題。程序錯誤或程序衝突是導致軟件故障的主要原因，例如，由於軟件設計不當（dāng）造成PLC 控（kòng）製係統出現死機、死（sǐ）循環等現象。在數控車床的實際運行過（guò）程中，可能會（huì）出現一（yī）些影響其正常運行的其他（tā）因素，例如，溫度過高、電機過熱（rè）、機械磨損等（děng）都會對（duì）數控車（chē）床造成影響。另外，在對 PLC 控製係統進行維修時，還可能會由於操作不當或設備原因等造成係統死機、程序錯誤等現象。

3.1 PLC 輸入故障

（1）檢查 PLC 輸（shū）入故障時，應首先檢查（chá）輸入信號的可靠性（xìng），其（qí）次（cì）檢查輸入信號的（de）接線是否正確，特別（bié）是數字量輸入（rù）信號（hào）的（de）接線，如圖 1 所示。輸入信號正常，但（dàn）不能進行邏輯運算（suàn）或模擬運算時，則（zé）可能是該功能模塊內部電路或外（wài）部電路出現故障；若輸入信號可以進行邏輯（jí）運算或模擬運算，但輸出值無變化時，則可能是該（gāi）功能模塊出現故障。

圖 1 PLC 在數控機（jī）床中的（de）配置方式

（2）檢查 PLC 輸（shū）出故障時，首先應檢查（chá）輸出繼電器的狀態是否正常。若輸出繼電器無（wú）變化，則可能是該功能模塊內部電路（lù）出現故障；若輸出繼電器有變化，則可能是該功能（néng）模塊外部電路出現故障。

（3）檢查 PLC 輸入（rù）信號是（shì）否與（yǔ）給（gěi）定值相對應。若（ruò）發現給定值不相符時，應先檢查 PLC 與輸入信號之間的（de）連接（jiē）情況，若（ruò）發現 PLC 與輸入信號之間沒有任（rèn）何連接問題，則應檢查 PLC 與外部電路之間的連接情況。

3.2 程序錯誤

程序錯（cuò）誤是指數控車床（chuáng）在控（kòng）製過程中由於設計或製造方麵的原因（yīn）造成了程序（xù）出錯，這也是最常（cháng）見（jiàn）的PLC 故障之一，通常也會由硬件或（huò）軟件問題造成。硬件（jiàn）上的原因有：CPU 內部的程（chéng）序存儲器容量不夠；CPU 內部程序存儲（chǔ）器中有錯誤代碼；CPU 的存儲單元損壞或（huò）數據線（xiàn）接（jiē）觸不良。軟件上的原因有：輸入/輸出（chū）模塊程序錯誤；控製程序（xù）中的錯誤代（dài）碼、控製（zhì）程序中的（de）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（wèi）功能來清除程序（xù）錯（cuò）誤，再用 PLC 自診斷功能來檢查可能出現問題的（de）地（dì）方。如確定 PLC 上無相（xiàng）應控製元件或（huò）其參數設置錯誤，則（zé）應檢查 PLC 輸入/輸出模塊是否有錯誤代（dài）碼或數據線接觸不良（liáng），同時還應檢查是否有數據線不能正常工作或與其他設備通訊等故障。

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

3.3 硬（yìng）件故障

數（shù）控車床內（nèi）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（ér）引起的，包括係統元（yuán）件損壞、係統電源故障、係統電（diàn）路邏輯（jí）關係（xì）異常等 3 種（zhǒng）情況。

（1）元器（qì）件損壞型故障。處理方法：首（shǒu）先檢查硬件上是否存在短路、斷路、接地等問題，然後逐一進行更換，即（jí）可解決。

圖2 數控車床內裝型 PLC 形式

（2）係統（tǒng）電源故障。處理方法：首先檢查電（diàn）源是否正常，若電源正常，則可根據邏輯關係檢查 I/O 的輸入輸（shū）出端是否有信號產生，若無信號產生，則應（yīng）檢查電源（yuán）電路中的交流（liú）電源輸入端和直流電（diàn）源輸出端是否有電壓產生，若無電壓產生，則應檢查輸入輸出線是否存在短（duǎn）路、斷路或接地問題。然後逐一檢查（chá） PLC的 I/O 點是否存在短路、斷路或接地問題。若無問題，則可進入下一步工作。

（3）電路邏輯關係異（yì）常。電路邏輯關係異常是指（zhǐ）係統在（zài）工作過程中，出現了（le）異常的錯誤現象（xiàng）。這類故障原因（yīn）複雜，出現的幾率較低，但也不能排除。對於這類故障，我們（men）可采（cǎi）用（yòng）如下方法處理：根據（jù）係統發生異常的原因不（bú）同，可（kě）以用萬用表測試各元件的工（gōng）作電（diàn）壓是否正常（cháng），如有異常應（yīng）及時更換元件；對各元件進行測試，判斷其工作電（diàn）壓是否正常；如果確定是某（mǒu）些元件出現問題，可在正常（cháng）情況下（xià）反複測試以找出故障點；如果是某個電（diàn）路邏輯關係（xì）出現異常，應對其進（jìn）行調整或更（gèng）換；若故（gù）障依舊，則說明係統硬件電路上有短路、開路等故（gù）障存在，應根據情況采取相應措施排除故障。

4、數控（kòng）車床 PLC 控製（zhì）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（kòng）製係統的特點進行。數控車床控製係統的控製（zhì）方式一般分為兩（liǎng）種，分別是集中控製（zhì）和分（fèn）散控製（zhì）。集中控製方式一般（bān）用於具有一定規模的生產企業，而分散控製方（fāng）式則（zé）適用於（yú）中小型企業。我們在維修數（shù）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。這些問題如果不能及時解決，可（kě）能會對數控車床造成很（hěn）大的影響和損失，所以我們要對數控車床出現故障時進行及（jí）時有效地維修，盡量減少（shǎo）其影響和損失。

有一台西門子數（shù）控車床，其控製程序（PLC）在維修（xiū）時發現在開機時無顯示現象。停機後發現該（gāi）機床顯示有：“I/O 錯誤”、“PLC 無效”等字樣，說明機床控製係統（PLC）已損壞。

在開機時，機床顯示有“I/O 錯誤”、“PLC 無效”等字樣，而（ér）機床（chuáng）沒有任何報警。經檢查發現，機（jī）床的 I/O口一直處於（yú）接通狀態，且有許多外部信號在此控製（zhì）下接通（tōng），並（bìng）且這些外部信號一直在變化。經分析認為，這

是 PLC 程序中存在錯誤。該（gāi）機（jī）床的 PLC 程序中存在一個循環條件為“I/O 錯誤”的語句，並且該語句是一個循環語句，即每輸入或輸出一條信息後，便有一個循（xún）環條件來判斷是否執行下一條信息。對於這種循環條件語句，在實際應用中很少出現這種情況，PLC 程序中並沒有對這種情況進行說明，在實際應用中可（kě）能有多種（zhǒng）原因會導致該語句的出現。筆者認（rèn）為（wéi）存在如下問（wèn）題。

4.1 機床 I/O 口與 PLC 之間的接線方（fāng）式

數控機床 I/O 口（kǒu）與 PLC 之間的接線方式主要有三種：並聯（lián）方式、串聯方式、並聯與（yǔ）串聯混合方式。並聯方式（shì）是指（zhǐ） PLC 與（yǔ） I/O 口直（zhí）接連接（jiē），這種連接方式（shì）的優點是 I/O 口（kǒu）的連接非常方便，但它的缺點是當 PLC有故障時，機床不能進行正常操作（zuò）；串聯方式是指（zhǐ）PLC 與（yǔ） I/O 口先通過中間繼電器進行連接，再經過中間繼電（diàn）器再與機床（chuáng）的（de） I/O 口（kǒu）連接，這種接線方式的優點是當 PLC 故（gù）障時，機床可以（yǐ）進行正常操作，但其缺點是當機床出現故障時，數控係統無法進行正常操作。並（bìng）聯方式與串聯方式相比，由於 I/O 口的連接非常方便，因此並聯方式比串聯方式更可靠。對於並聯與（yǔ）串聯混合的接線方式來說，當（dāng） PLC 出現（xiàn）故障時，機床可（kě）以直接進行操作。

4.2 機床運行狀態的變化

機床加工工件時，刀具對工件的切削或輔助係統對工件的支撐或夾緊等作（zuò）用使機床運行狀態發（fā）生變化。當出現（xiàn）上述情（qíng）況時，可以通過以下方（fāng）法進行處理：

（1）檢查所使用的 PLC 程序是否有上述（shù）問題；

（2）檢查機床各運動部件（jiàn）是否有異常現象；

（3）檢查 I/O 口是否正常；

（4）檢查各外部信號是否正常，如各種傳感器信號、伺服信號等是否（fǒu）有異常現象；

（5）檢查機床控製係統（tǒng）是否有異常（cháng）現象，如電源、機械（xiè）等（děng）故障（zhàng）。

4.3 機床輸入信（xìn）號的變化

機床（chuáng）的輸入信號由機械和電氣兩部分組成。電氣部分主要（yào）由各種（zhǒng）輸入信號、各種輸出信號（hào）以及（jí）它們之間的公共點構成，這些信號有（yǒu）電壓、電流、熱效應等。在數控機床的設計中，除了要考慮到機床本身的加工能力外，還要考慮（lǜ）到數（shù）控（kòng）係統所能接受的最大輸入信號。在 PLC 程序設計中，對輸入信號的（de）處理通（tōng）常采用變換函數或轉（zhuǎn）換矩陣的方法來實現。

對於輸入信號變化引起的 PLC 程序錯誤，主要表現為：當某（mǒu）一輸入信號發生變化（huà）時，會使輸出端對應的輸出狀態發生變化，從而導致程序中出現“I/O 錯誤”“PLC 無效”等語句。解決此類問題時可以（yǐ）采用以下方法：一是改（gǎi）變機床輸入信（xìn）號（如更換 PLC 型號、輸入（rù）信號類型等）；二是修改 PLC 程序。

對 PLC 控製係統（tǒng）進（jìn）行維修時（shí）要注意以下幾點：

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

（2）檢（jiǎn）查可編程控製器的電（diàn）源電壓是否正常。

（3）在對（duì）可（kě）編程（chéng）控製器進（jìn）行檢測時（shí），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（shí），要注意觀察PLC 的內部接線是否正確（què）。

（5）對可編程控製（zhì）器進行檢測時（shí），要注意檢查其輸入/輸出端子之間的連（lián）線是否正確。

5、結語

在 PLC 控製係統（tǒng）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，從軟件和硬件（jiàn）兩個方麵，及時（shí）對 PLC 控製係統中出（chū）現的問題進（jìn）行全麵（miàn）分析和總結，然後根據問題出現的（de）原（yuán）因，有針對性地采取科學（xué）的措施來進行處理。數控車（chē）床 PLC 控製（zhì）係統常見故障，通過采取有效（xiào）措施處理 PLC 控製係統中出現的問題後（hòu），就可以減少機床運行過程中產生的故障率（lǜ），有效提高數控車床運（yùn）行效率。

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