基于三菱 PLC 的雙面銑床控制系統(tǒng)程序設(shè)計
2017-5-4 來源：江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 作者：王亞東
摘要：采用三菱 PLC 對雙面銑床進行技術(shù)改造，針對雙面銑床的控制要求，給出兩種程序設(shè)計方案，并簡單分析了各自的優(yōu)缺點，PLC 的應(yīng)用不但大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性和抗干擾能力，降低了設(shè)計運行的故障率，同時給設(shè)計維護帶來極大的便利，對同類設(shè)備的技術(shù)改造有較大的參考價值。
關(guān)鍵詞：PLC；銑床；工作方式；IST
PLC 的全稱是 Programmable Logic Controller（可編程控制器），剛引入國內(nèi)時，曾簡稱為 PC。后來，IBM-PC 獲得廣泛應(yīng)用，PC 成了個人電腦的代名詞，才改為 PLC。PLC 是一種智能產(chǎn)品，是在電器控制技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制裝置。目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。國際電工委員會（IEC）于 1987年頒布了可編程控制器標準草案第三稿，明確強調(diào)了 PLC 直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、搞干擾能力強，編程簡單等特點。在工業(yè)領(lǐng)域中，PLC 控制技術(shù)的應(yīng)用已成為世界潮流。
在傳統(tǒng)的機床控制系統(tǒng)中，都是采用繼電器——接觸器等元器件組成的硬件邏輯控制電路，在 PLC 出現(xiàn)之前，一直占主導(dǎo)地位，應(yīng)用廣泛。但是電氣控制系統(tǒng)存在體積大、可靠性低、查找和排除故障困難等缺點，特別是其接線復(fù)雜，工藝難度高，不易更改，對生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性也差，所以用 PLC 控制取代傳統(tǒng)機床電氣控制系統(tǒng)是機床控制發(fā)展的主要趨勢。它可以完美的解決傳統(tǒng)機床電氣控制系統(tǒng)的可靠性、柔性、開發(fā)周期、故障自診斷等問題。
銑床作為機械加工的通用設(shè)備，在汽車等配件生產(chǎn)加工中起著不可替代的作用。而雙面銑床由于兩面可同時加工，加工效率高，應(yīng)用更為廣泛，本文主要進行雙面銑床的 PLC 控制程序設(shè)計。
1.雙面銑床控制系統(tǒng)控制要求。
工作臺來回往返運動由液壓驅(qū)動，工作臺速度和方向由限位開關(guān)SQ1—SQ3 控制。工作臺與主軸循環(huán)工作過程為：工作臺啟動——向右快進（左動力頭）——減速工進，同時主軸啟動，加工結(jié)束——停止工進，主軸延時 10S 停轉(zhuǎn)——工作臺向左快退回原位——進入下一循環(huán)工作狀態(tài)。右動力頭的運行方向與左動力頭相反。
控制要求：PLC 設(shè)計時，工作方式設(shè)為自動循環(huán)、點動、單周循環(huán)和步進 4 種；主軸只在自動循環(huán)和單周循環(huán)時啟動；要有必要的電氣保護和聯(lián)鎖裝置；自動循環(huán)時按下圖的順序動作。
圖 1 雙面銑床動力頭的動作順序
2.PLC 設(shè)計設(shè)計
2.1 采用 IST 指令實現(xiàn)程序設(shè)計
根據(jù)控制系統(tǒng)要求，該程序主要需包括四種工作方式，分別為自動循環(huán)、點動、單周循環(huán)和步進，最為簡便的編程方法是使用功能指令的初始化指令 IST（FNC60）。
梯形圖源操作數(shù) S 表明的是首地址，它有共 8 個位連號軟元件元件組成，由開關(guān)量輸入繼電器 X20~X27 組成，其功能分別是：
X20：手動工作方式的輸入控制信號；X21：返回原點工作方式的輸入控制信號；X22：單步工作方式的輸入信號；X23：單周期工作方式的輸入控制信號；X24：全自動工作方式的輸入控制信號；X25：返回原點的啟動信號；X26：進入自動工作方式的啟動信號；X27：停止。在開關(guān)量輸入 X20~X24 中，不允許有兩個或兩個以上的輸入端同時閉合，因此，必須選用滿足該條件的轉(zhuǎn)換開關(guān)，且該開關(guān)至少有五擋位置，當開關(guān)扳到某擋位置時，只有該位置的觸點閉合，其他各位置的觸點斷開。在梯形圖中，目的操作數(shù) D1 和 D2 只能選用狀態(tài)器 S，其范圍是 S20~S899，其中 D1 表示自動工作方式所使用的最低位狀態(tài)器，D2 表示自動工作方式時所使用的最高位狀態(tài)器。S0~S9 是實際發(fā)始狀態(tài)器地址編號。S0 是各操作的初始狀態(tài)，S1 是原點回歸的初始狀態(tài)。
同時， 與IST指令有關(guān)的特殊輔助繼電器有 8 個。 它 們 是M8040~M8047，其中 M8040：轉(zhuǎn)移禁止；M8040：轉(zhuǎn)移開始；M8042：起動脈沖；M8043：返回原點完成，當 M8043 為 1 時，允許進入自動工作方式，當 M8043 為 0 時，表示返回原點未完成，不允許進入自動工作方式；M8047：STL 監(jiān)控有效。
因此，如果采用 IST 指令設(shè)計該雙面銑床控制程序時，可將程序設(shè)計成四部分，第一部分 IST 指令；第二部分為手動程序，設(shè)計在狀態(tài)點 S0 下；第三部分為返回原點程序，設(shè)計在狀態(tài)點 S1 下，且在該部分程序最后，到達原點時對 M8043 置 1，表示返回原點完成；第四部分為自動和單周程序，設(shè)計在狀態(tài)點 S2 下。若 X20 為 ON 時，狀態(tài)器 S0 為 1，表示工作在手動工作狀態(tài)；若 X21 為 ON 時，狀態(tài) S1為 1，處于返回工作原點狀態(tài)，當返回工作原點完成時，M8043 置 1，，此時如果 X22 為 ON，則工作于單步工作狀態(tài)即步進狀態(tài)，每按一次啟動按鈕，就進行一次狀態(tài)轉(zhuǎn)移，如果輸入端 X23 為 ON，則處于單周期工作狀態(tài)，每按一次啟動按鈕，掃行完一個周期后，停止在起始狀態(tài) S2；如果輸入端 X24 為 1 時，則處于自動工作方式，循環(huán)執(zhí)行用戶程序。由此可見，該程序完全滿足該雙面銑床控制系統(tǒng)的四種工作方式。但是我們同時也可以發(fā)現(xiàn)，一旦采用 IST 指令，其輸入端一次性占用 X20~X27 共 8 個輸入點，對于三菱 FX2N-32MR 的 PLC 來說，有可能輸入點是不夠用的，并且它必須采用至少有五檔的轉(zhuǎn)換開關(guān)，那我們可不可以不采用 IST 指令同樣也可以實現(xiàn)控制要求呢？
2.2 采用基本指令實現(xiàn)程序設(shè)計
2.2.1 程序的總體結(jié)構(gòu)
圖 3 雙面銑床控制系統(tǒng) PLC 梯形圖總體結(jié)構(gòu)
圖 3 為雙面銑床的 PLC 梯形圖程序的總體結(jié)構(gòu)，將程序分為公用程序、手動程序和自動程序三個部分，其中自動程序包括單步、單周期、自動循環(huán)和自動回原點四部分。這是因為它們的工作都是按照同樣的順序進行，所以將它們合在一起編程更加簡單。回原點程序放在自動程序的初始狀態(tài)點 S0 中，因為自動循環(huán)等工作方式起點就要求動工作臺處于原點位置，梯形圖中使用跳轉(zhuǎn)指令使得自動程序和手動程序不會同時執(zhí)行。
2.2.2 各部分程序的設(shè)計
（1）公用程序。公用程序如圖 4 所示，用于自動程序和手動程序相互切換的處理。當選擇自動 X7、單周 X10、步進 X11 這三種工作方式時，程序跳轉(zhuǎn)至 P0 執(zhí)行自動程序，反之若選擇的是手動
X12，則執(zhí)行手動程序。當執(zhí)行手動程序時，首先將狀態(tài)點 S0~S13復(fù)位，同時將輸出 Y0~Y4 復(fù)位，再進行手動工作方式，必免同時有兩個活動步的異常情況，同時為避免手動工作時的越程故障，可在左動力頭和右動力頭輸出上分別加上 SQ3 和 SQ1 的常閉觸點，進行位置限制。
圖4 公用程序
自動程序初始狀態(tài)點 S0 的激活，由自動 X7、單周 X10、步進X11 三個輸入的并聯(lián)進行觸發(fā)，并采用邊沿觸發(fā)，如果采用普通觸發(fā)，當以上三個輸入開關(guān)閉合時，會出現(xiàn)初始狀態(tài)點 S0 一直處于激活狀態(tài)，當自動程序開始執(zhí)行時，會同時出現(xiàn)兩個活動步的異常情況，而采用上升沿觸發(fā)，只有當開關(guān)合上一瞬間，初始狀態(tài)點 S0 才會被激活，當下一個狀態(tài)點滿足條件激活時，S0 狀態(tài)點關(guān)閉。
步進工作狀態(tài)依靠特殊輔助繼電器 M8040 來實現(xiàn)，由啟動按鈕X0 的常閉觸點和步進工作狀態(tài)選擇開關(guān) S11 的常開狀態(tài)驅(qū)動特殊輔助繼電器 M8040。當步進選擇開關(guān) S11 閉合，沒有按下啟動按鈕X0 時，M8040 為 1，禁止狀態(tài)轉(zhuǎn)移，按下啟動按鈕 X0 時，常閉觸點斷開，M8040 為 0，允許狀態(tài)轉(zhuǎn)移，即跳轉(zhuǎn)至下一個狀態(tài)點，執(zhí)行下一步動作，由此，每按一次，自動程序執(zhí)行一步，即實現(xiàn)了步進控制。
（2）自動程序。自動程序功能圖如圖 5 所示，其中包含單周、自動循環(huán)以及自動回原點程序。其中單同和自動循環(huán)通過狀態(tài)點 S13下的跳轉(zhuǎn)實現(xiàn)，當選擇單周或步進時，程序跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)點 S0，當選擇自動或步進時，程序跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)點 S10。自動回原點程序設(shè)計在初始狀態(tài)點 S0 下。當返回原點后，即到達行程開關(guān) SQ1 位置，給出原點信號 Y5，作為下一個狀態(tài) S10 激活的條件之一。同時需注意的是，因為步進工作方式與自動程序是合在一起編程的，當程序工作在單周或自動時，滿足下一個狀態(tài)點激活條件時，則跳轉(zhuǎn)至下一個狀態(tài)點執(zhí)行，而工作在步進工作狀態(tài)時，盡管滿足了下一個狀態(tài)點激活條件，但沒有按下啟動按鈕，程序不會執(zhí)行下一個狀態(tài)點的動作，即當前狀態(tài)點一直處于激活狀態(tài)，當前狀態(tài)點也一直有輸出，為了避免這種情況的出現(xiàn)，在每個狀態(tài)點的輸出元件上，加上條件限制，當滿足跳轉(zhuǎn)條件時，盡管沒有跳轉(zhuǎn)，當前狀態(tài)點也無輸出。如在狀態(tài)點 S10 的輸出元件前串上 SQ2 的常閉觸點。
圖5 自動程序的功能表圖
（3）程序調(diào)試。程序調(diào)試時，可各部分程序分別調(diào)試，然后再進行全部程序的調(diào)試，也可直接進行全部程序的調(diào)試。
3.總結(jié)
本文介紹的在雙面銑床控制系統(tǒng)中應(yīng)用 PLC 替代繼電器—接觸器電氣控制線路的技術(shù)改造，經(jīng)過實際運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能很好的保證其加工精度和定位精度，兩個編程方法各有優(yōu)缺點，采用IST 指令，編程方法簡單，程序結(jié)構(gòu)清晰，但在工作方式的選擇開關(guān)上一定要采用五檔轉(zhuǎn)換開關(guān)來實現(xiàn)，采用普通指令，編程較為復(fù)雜但開關(guān)無特殊要求。總之，PLC 的應(yīng)用不但大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性和抗干擾能力，降低了設(shè)計運行的故障率，同時給設(shè)計維護帶來極大的便利，對同類設(shè)備的技術(shù)改造有較大的參考價值。
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