基于PLC的金属切割机床控制系统的设计与研究

摘要：结合笔者相关工作经验，文章结合PLC的优点主要对PLC金属切割机床控制系统的设计与研究进行了探讨，旨在进一步提高企业生产效率。

关键词：PLC；金属切割机床控制系统

中图分类号：S611文献标识码： A

前言：当前，在金属切割工具的应用中，仍有很多企业采用普通车床，即传统的继电器控制的普通车床。由于继电器系统接线复杂，故障的诊断与排除比较困难，以及存在缺陷较多，其利用布线组成各种逻辑来实现控制，需要大量机械触点，因此安全性较差；当生产流程变更的同时，需要改变大量的硬件接线，甚至重新设计系统，要耗费大量的人力物力，花费很多时间。因而造成了这些企业的生产率低下，效益差。因此，在金属切割机床控制系统中采用PLC技术势在必行，在提高企业的设备利用率的同时，也能促进产品的质量和产量的提升。

一、可编程控制器的概念及优点

可编程控制器简称PLC,普遍被运用在内部程序的存储工作中,为系统提供了良好的编程条件,用户可以借助该存储器进行计数、算数操作、逻辑运算等活动,而通过输入定时、顺序控制等指令后即可生效,而生产过程中可以依靠PLC 进行数字、模拟方式的输入/输出控制。PLC 数控机床利用了传统数控机床的优势,同时嵌入了先进的PLC 技术、通讯技术、计算机技术,发挥自动控制和微电子 的作用,使其满足数控机床运行和新型工业生产的双重要求。其具有下列优点：

（一）通用性、适应性强；

（二）完善的故障自诊断能力且维修方便；

（三）可靠性高及柔性强等优点，且小型 PLC 的价格目前亦很便宜．因此，在普通车床的控制电路改造中发挥了及其重要的作用．本文以 C650 车床的控制系统为例，详细说明采用 PLC 改造传统控制系统的设计过程．

二、PLC金属切割机床控制系统的设计与研究

（一）PLC机型的选择

PLC机型的选择应是在满足控制要求的前提下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比。具体应考虑以下几方面：

1、性能与任务相适应。对于小型单台、仅需要数字量控制的设备，一般的小型PLC（如西门子公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM1/CPM2系列、三菱的FX系列等）都可以满足要求。

对于以数字量控制为主，带少量模拟量控制的应用系统，比如在切割生产中常遇到的温度、压力、流量等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器（对温度控制系统可选用温度传感器直接输入的温度模块）和驱动装置，并选择运算、数据处理功能较强的小型PLC（如西门子公司的S7-200或S7-300系列、OMRON的公司的CQM1/CQM1H系列等）。

对于控制比较复杂，控制功能要求更高的工程项目，例如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能时，可视控制规模及复杂程度，选用中档或高档机（如西门子公司的S7-300或S7-400系列、OMRON的公司的C200H@或CV/CVM1系列、等）。

2、结构上合理、安装要方便、机型上应统一 按照物理结构，PLC分为整体式和模块式。整体式每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，所以人们一般倾向于在小型控制系统中采用整体式PLC。但是模块式PLC的功能扩展方便灵活，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类和块数、特殊I/O模块的使用等方面的选择余地都比整体式PLC大得多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便。因此，对于较复杂的和要求较高的系统一般应选用模块式PLC。

根据I/O设备距PLC之间的距离和分布范围确定PLC的安装方式为集中式、远程I/O式还是多台PLC联网的分布式。

对于一个企业，控制系统设计中应尽量做到机型统一。因为同一机型的PLC，其模块可互为备用，便于备品备件的采购与管理；其功能及编程方法统一，有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；其外部设备通用，资源可共享。同一机型PLC的另一个好处是，在使用上位计算机对PLC进行管理和控制时，通信程序的编制比较方便。这样，容易把控制各独立的多台PLC联成一个多级分布式系统，相互通信，集中管理，充分发挥网络通信的优势。

3、对联网通信功能的要求。近年来，随着工厂自动化的迅速发展，企业内小到一块温度控制仪表的RS-485串行通信、大到一套制造系统的以太网管理层的通信，应该说一般的电气控制产品都有了通信功能。PLC作为工厂自动化的主要控制器件，大多数产品都具有通信联网能力。选择时应根据需要选择通信方式。

4、其他特殊要求。考虑被控对象对于模拟量的闭环控制、高速计数、运动控制和人机界面（HMI）等方面的特殊要求，可以选用有相应特殊I/O模块的PLC。对可靠性要求极高的系统，应考虑是否采用冗余控制系统或热备份系统。

（二） PLC应用软件设计的内容

PLC的应用软件设计是指根据控制系统硬件结构和工艺要求，使用相应的编程语言，对用户控制程序的编制和相应文件的形成过程。主要内容包括：确定程序结构；定义输入/输出、中间标志、定时器、计数器和数据区等参数表；编制程序；编写程序说明书。PLC应用软件设计还包括文本显示器或触摸屏等人机界面（HMI）设备及其它特殊功能模块的组态。

1、熟悉被控制对象制定设备运行方案

在系统硬件设计基础上，根据生产工艺的要求，分析各输入/输出与各种操作之间的逻辑关系，确定检测量和控制方法。并设计出系统中各设备的操作内容和操作顺序。对于较复杂的系统，可按物理位置或控制功能将系统分区控制。较复杂系统一般还需画出系统控制流程图，用以清楚表明动作的顺序和条件，简单系统一般不用。

2、熟悉编程语言和编程软件

熟悉编程语言和编程软件是进行程序设计的前提。这一步骤的主要任务是根据有关手册详细了解所使用的编程软件及其操作系统，选择一种或几种合适的编程语言形式，并熟悉其指令系统和参数分类，尤其注意那些在编程中可能要用到的指令和功能。

熟悉编程语言最好的办法就是上机操作，并编制一些试验程序，在模拟平台上进行试运行，以便详尽地了解指令的功能和用途，为后面的程序设计打下良好的基础，避免走弯路。

（三）基于PLC的金属切割机床控制系统的设计

我们在金属切割机床控制系统中嵌入可编程控制器,以变频器、电机、光栅尺等装置为主,保持系统的全封闭循环空间,通过存储器编程来加强 数控系统的精度,不 断增加适用对象数量。金属切割机床本身能够检测刀位情况,操作换刀、断刀等活动,还能检测和连接通信,进一步提升了数控机床的性能和作用,在实现生产 自动化的过程中降低成本、提高生产效率,保证数控机床系统的正常运行。

1、系统功能模块设计

针对系统功能模块的设计要同时满足硬件和软件双重要求,而只有符合系统运行和硬件结构的软件才能使用于机床中。嵌入下位机软件的过程中需要满足许多条件,当将其放置到SIMO-TIOND环境中时,下位机会接收来自各部门的数据,将机床运行状态和部件执行情况监测出来。

2、硬件结构设计

针对金属切割机床的硬件设计利用机械部分为基础,通过硬件电路和上下位软件来完成整体构造,机床控制系统中的硬件电路发挥着机床驱动的作用,同时能为各部门传递有效的信息,为系统提供最稳固的保护。机械手换刀、断刀检测都是硬件部分提供的功能之一,气缸外壁的电磁感应系统会控制并显示机床机械手的位置,而光纤传感器会随时检查刀具的情况。

3、系统初始化

系统初始化会提供工作原点复位和机床原点复位两项选择,如图2所示为系统坐标系示意图,在工件原点中放置毛坯和芯模,通过工件、工作和机床三大坐标来完成系统指令。机床原点的复位操作通过数轴的极限开关来控制,而按下复位按钮后机床就会回到初始原点,准确定位旋压加工位置。机床坐标系为整个机床坐标复位工作提供了有效的参照,保证机床待机加工前后的位置符合生产标准,减少位置误差。机床运行过程中零件装卡无恙以及旋压制品装卸正常的基础上要减少原则和位置距离,使得加工起始位置能满足设定原则,机床功能在考虑硬件结构的基础上挖掘可编程控制器的作用。

结语：综上所述，金属切割机床控制系统与PLC的性能结合无疑是提高生产效率、完善机床性能的良好途径。我们通过硬件结构、系统初始化等过程来完善系统结构,加快机电领域自动化发展脚步,为金属切割机床控制系统的性能开发和使用提供借鉴。

参考文献

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