張洛杰

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PLC在數控機床安全設計中應用

數控設備是技術密集型和知識密集型的機、電一體化產品，其技術、結構復雜、價格昂貴，隨著生產企業規模的不斷擴大及設備自動化程度的不斷提高，數控車間里所用的數控設備種類和數量也在不斷增加。要想更好地利用數控機床，就必須對數控機床的結構功能及系統有充分的了解。數控機床的動作控制通常由兩種方式來實現：一種是通過CNC系統(專用計算機)的數字信息來控制，即“數字控制”，如數控機床工作臺的前、后、左、右移動，主軸箱的上、下移動和圍繞某一直線軸的旋轉運動位移量等。這些控制是用插補計算出的理論位置與實際反饋位置比較后得到的差值對伺服進給電機進行控制而實現的。這種控制的核心是保證實現被加工零件的輪廓，即除點位加工外，各個軸的運動時刻都必須保持嚴格的比例關系；另一種是在數控機床運行過程中，以CNC系統內部和機床上各行程開關、傳感器、按鈕、繼電器等開關量信號的狀態為條件，并按照預先規定的邏輯順序，對諸如主軸的開停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開。液壓、冷卻、潤滑系統的運行控制。這一類動作的控制主要是進行開關量信號的順序控制，一般由PLC來完成。

1 PLC程序在數控機床上的應用

PLC為可編程控制器．在數控機床上所使用的PLC也稱作PMC。它有以下優點：響應快。控制精度高，可靠性好，控制程序可隨應用場合的不同而改變，與計算機的接口及維修方便。通常，數控機床上所使用的PLC程序包括系統程序和用戶程序。其中系統程序包括監控程序、編譯程序及診斷程序等，由PLC生產廠家提供，并固化在EPROM中，用戶不能直接存取，也不需要用戶干預。麗用戶程序是用戶根據現場控制的需要，用PLC程序語言編制的應用程序，用以實現各種控制要求。常用的PLC程序設計語言主要有梯形囝、語句表、功能塊圖等。

由于數控機床很多執行機構的動作都是通過PLC的控制指令來實現的，可以利用PLC對數控機床進行故障的快速檢測和維修，或者是通過修改、編寫PLC程序為數控機床增添某個可執行動作或功能。

2 數控機床的安全控制設計

在使用數控機床的過程中作者發現：有些系統的機床在操作不當或因機床本身原因出現故障報警停機之后，需要消除報警并重新返回HOME點才能再次執行程序，可是有些系統的機床在消除報警后并不需要返回HOME點就可以直接再次運行程序。后者雖然節省了一點時間，可是卻存在大的安全隱患。某企業有一臺數控加工中心就出現過這樣的情況：某次執行空運行時，產生了機床報警導致停機，操作工消除報警后未回HMOE點就再次運行空運轉程序，使主軸與夾具發生碰撞，造成主軸精度及動平衡超差，無法滿足設備加工的工藝要求。分析其原因：當機床在運行過程中報警停機之后，機床夾具及主軸的位置狀態已經發生了變化(不再是初始狀態)，若是消除報警之后立即重新開始執行后續程序，就很容易導致機床主軸誤動作造成主軸與夾具或工件發生碰撞。為了避免因碰撞造成的不必要的工廢．進一步提高設備本身的防錯能力，作者針對FUNUC系統加工中心設計了一個數控機床動作的安全控制程序，該程序的作用主要是保證在執行加工程序或者空運行程序過程中發生了機床停機報警，在操作人員消除報警后，必須執行回參考點的程序，如果不執行回參考點程序使程序、設備的夾具、主軸、刀具等恢復到初始位置，機床將無法執行加工程序或空運轉程序，這樣就有效避免了設備碰撞的可能性。

2.1 設計思路

為機床增加防錯功能以實現機床動作的安全控制是通過修改數控機床的PMC程序及機床自動運行的條件，增加機床啟動條件的限制，并在操作面板上增加循環啟動準備好指示燈(STEN—L)、返修指示燈(RECUTL)及返修鍵按鈕。具體方案是：

(1)設置的機床啟動條件：①x，y、z軸必須回到第二參考點，且A軸在90。狀態(STA—ENI)；②主軸上的刀具為初始刀具(T6)或者為空刀(T14)(STA—EN2)；③A軸處于夾緊狀態(STA—EN3)；④夾具處于松開狀態(STA—EN4)。機床必須同時滿足這4個條件才能夠執行加工程序進行自動加工(STA—EN)。設計此限制條件的目的是使機床在發生報警后，必須先運行RETURN程序，待機床恢復至可以正常運行的狀態后，才在AUTO或者MEM模式下運行機床，防止程序從中間狀態啟動，引起機床碰撞。

(2)如果未滿足啟動條件，循環啟動準備好指示燈不亮時，按下[CYCLE START]按鍵，機床則產生“61．0 CYCLE START NOT REDAY，PLEASERETURN!”報警，提醒操作人員機床被禁止自動加工的原因及應該采取的措施。

(3)當有工件需要返修時，可能只需要執行某個特定的程序段，此時可以接下返修鍵，返修指示燈亮后，即可進行返修工件的加工。在返修加工或單段加工模式下，設備不受“循環啟動準備好”條件的限制，可以循環啟動。

隨著plc在工業控制中的推廣普及，plc產品的種類越來越多，其結構型號、性能、容量、指令系統，編程方法等各不相同，適用場合也各有側重。因此，合理選擇plc對于提高其在控制系統中的應用有著重要作用。應用plc先要詳細分析被控對象、控制過程與要求,熟悉了解工藝流程后列出控制系統的所有功能和指標要求，與繼電器控制系統和工業控制計算機進行比較后加以選擇。plc適合于控制對象的工業環境較差，而安全性、可靠性要求特別高，系統工藝復雜，輸入輸出以開關量為多，用常規的繼電器接觸器難以實現，工藝流程又要經常變動的對象和現場。其次要確定控制范圍，一般講，能夠反映生產過程的運行情況，能用傳感器進行直接測量的參數；用人工進行控制工作量大，操作復雜容易出錯或操作過于頻繁，人工操作不容易滿足工藝要求的往往由plc控制。

2 plc的選擇

2.1 機型選擇

機型的選擇主要是指在功能上如何滿足自己需要，而不浪費機器容量。選擇機型前，先要對控制對象進行下面估計：有多少開關量輸入，電壓分別為多少，有多少開關量輸出，輸出功率為多少；有多少模擬量輸入和模擬量輸出；是否有特殊控制要求，如高速計數器；現場對控制器響應速度有何要求；機房與現場分開還是在一起等。

在功能滿足要求的前提下，選擇可靠、維護使用方便以及性能價格優的機型。通常的做法是：在工藝過程比較固定、環境條件較好的場合，選用整體式結構的plc；其他情況則選用模塊式結構的plc；對于開關量控制以及以開關量控制為主、帶少量模擬量控制的，一般其控制速度無須考慮，因此選用帶a/d轉換，d/a轉換，加減運算、數據傳送功能的低檔機就能滿足要求；而控制比較復雜，控制功能要求比較高的(如要實現pid運算、閉環控制、通訊聯網等)，可根據控制規模及復雜程度來選用中檔或機(其中機主要用于大規模過程控制，全plc的分布式控制系統以及整個工廠的自動化等)。

應該注意的是，同一個企業應盡量做到機型統一，這樣同一個機型的plc模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理；同時，其統一的功能及編程方法也有利于技術力量的培訓、技術水平的提高和功能的開發；此外，由于其外部設備通用，資源可以共享，因此配上計算機后即可把控制各系統的多臺plc聯成一個dcs系統，這樣便于相互通信，集中管理[2]。

2.2 i/o的選擇

plc與工業生產過程的聯系是通過i/o接口模塊來實現的，plc有許多i/o接口模塊，包括開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊以及其他一些特殊模塊，使用時應根據它們的特點進行選擇。

(1)確定i/o點數。不同的控制對象所需要的i/o點數不同，一些典型的傳動設備及常用的電氣元件所需plc的i/o點數是固定的，如一個單線圈電磁閥用2個輸入點，一個輸出點；一個按紐需一個輸入點；一個信號燈占用一個輸出點等，但對于同一個控制對象，由于采用的控制方法不同或編程水平不同，i/o點數也應有所不同。根據控制系統的要求確定所需的i/o點數時，應再增加10%～20%的備用量，以便隨時增加控制功能。

(2)開關量i/o。開關量i/o接口可以從傳感器和開關(如按紐、限位開關等)及控制設備(如指示燈、報警器、電動機啟動器等)接收信號。典型的交流i/o信號為24～240v，直流i/o信號為5～240v。盡管輸入電路因制造廠家不同而不同，但有些特性是相同的，如用于消除錯誤信號的抖動電路等。此外，大多數輸入電路在高壓電源輸入和接口電路的控制邏輯部分之間都沒有可選的隔離電路。在評估離散輸出時，應考慮熔絲、瞬時浪涌保護和電源與邏輯電路間的隔離電路[3]。

(3)模擬量i/o。模擬量i/o接口一般用來感知傳感器產生的信號。這些接口可用于測量流量、溫度和壓力，并可用于控制電壓或電流輸出設備。其典型量程為-10～+10v、0～+11v、4～20ma或10～50ma。一些制造廠家在plc上設計有特殊模擬接口，因而可以接收低電平信號，如rtd、熱電偶等。這類接口模塊可用于接收同一模塊上不同類型的熱電偶或rtd混合信號。

(4)特殊功能i/o。在選擇一臺plc時，用戶可能會面臨一些特殊類型且不能用標準i/o實現的i/o限定，如定位、快速輸入、頻率等。此時應考慮供銷廠商是否提供特殊的有助于zui大限度減小控制作用的模塊。有些特殊接口模塊自身能處理一部分現場數據，從而使cpu從耗時的任務中解脫出來。

(5)智能式i/o。大型plc的生產廠家相繼推出了解決典型工藝過程的智能式的i/o模塊，例如pid控制模塊等。這些智能模塊本身帶有處理器，可對輸入或輸出信號作預先規定的處理，并將處理結果送入cpu或直接輸出，這樣可以提高plc的處理速度并節省存儲器的容量。

2.3 存儲器類型及容量選擇

plc系統所使用的存儲器由rom和ram組成，存儲容量則隨機器的大小變化，zui大存儲能力：一般小型機zui大存儲能力低于6kb，中型機的zui大存儲能力可達64kb，大型機的zui大存儲能力可上兆字節。使用時可根據程序及數據的存儲需要來選用合適的機型，必要時也可專門進行存儲器的擴充設計。

plc的存儲器容量選擇要受到內存利用率、開關量的i/o點數、模擬量的i/o點數和用戶的編程水平這四個因素的影響。存儲容量計算的一種方法是：根據編程使用的節點數計算存儲器的實際使用容量。第二種為估算法，用戶可根據控制規模和應用目的來估算，總存儲字數=（開關量輸入點+開關量輸出點）×10+模擬量點數×150，然后按計算存儲器字數的25%考慮裕量。為了使用方便，一般應留有25%～30%的裕量。獲取存儲容量的方法是生成程序，即用了多少字，知道每條指令所用的字數，用戶便可以確定準確的存儲容量。

2.4 編程器和電源模塊選擇

在系統的實現過程中，plc的編程問題是非常重要的。用戶應當對所選擇plc產品的軟件功能及編程器有所了解。小型控制系統一般選用價格的簡易編程器，如果系統較大或多臺plc共用，可以選用功能強，編程方便的圖形編程器。如果有個人計算機，可以選用能在個人計算機上運行的編程軟件包。同時，為了防止因干擾、鋰電池電壓下降等原因破壞ram中的用戶程序，可以選用eeprom模塊作為外部設備。

對于結構為模塊式的plc，電源模塊和額定電流必須大于或等于主機、i/o模塊、專用模塊等總的消耗電流之和。當使用專用機架時，從主機架電源模塊到遠一個擴展機架的線路壓降必須小于0.25v。

2.5 程序設計和總裝統調

在確定控制對象的控制任務、選擇好plc的機型后，就可以進行控制系統的流程設計，畫出流程圖，進一步說明各信息流之間的關系，然后具體安排i/o的配置，并對i/o進行地址編號。i/o地址編號確定后，再畫出plc端子和現場信號聯絡圖表，進行系統設計即可將硬件設計和程序編寫二項工作平行進行，編寫程序的過程就是軟件設計過程。

用戶編寫的程序在總裝統調前需要進行模擬調試。用裝在plc上的模擬開關模擬輸入信號的狀態，用輸出點的指示燈模擬被控對象，檢查程序無誤后便把plc接到系統里，進行總裝統調，如果統調達不到指標要求則可對硬件和軟件作調整，全部調試結束后，一般將程序固化在有長久記憶功能的eprom盒中長期保存。

3 plc的抗干擾措施

由于plc是專為工業環境而設計的控制裝置，應該具有很強的抗干擾功能，但是如果環境過于惡劣，電磁干擾特別強烈或安裝使用不當都不能保證系統的正常運行，干擾會造成plc誤動作或使plc內部數據丟失，甚至使系統失控，所以在系統設計時，應采取硬件措施再配合軟件措施，以提高plc的可靠性和抗干擾能力。

華菱衡陽鋼管廠石油管生產線是華菱衡陽鋼管廠為適應市場需求新投資建設的一條生產線。生產線主要由加厚修磨線、熱處理線以及水處理等組成。

該生產廣泛地應用了羅克韋爾自動化A-B品牌的產品和技術，包括1397DC Drive直流傳動、1336 Plus II
交流傳動、ControlLogix系統、ProcessLogix系統、ControlNet、DeviceNet、EtherNet 。此項目為羅克韋爾自動化集成架構策略一次較為、典型的應用。

二、設備
加厚修磨包括運輸輥道、液壓站、加厚機以及修磨等組成，使用ControlLogix與Flex I/O共有9個站點、1 臺1397 DC
Drive直流傳動和3 臺1336 Plus II交流變頻器。

熱處理包括運輸輥道、液壓站、回火爐、淬火爐、高壓水除磷、水泵站、矯直機、探傷、DCS系統，使用ControlLogix與Flex
I/O共有22個站點、DCS采集系統、2臺1397 DC Drive直流傳動和36 臺1336 Plus II交流變頻器。

ControlLogix系統，采用Logix5550處理器，是32位的總線控制器，其控制能力可達280000個數字量/4000個模擬量，不僅能組態本地框架的輸入模塊，還能組態控制網上其他遠程ControlNet的輸入輸出模塊，支持熱插拔。
水處理采用的FlexLogix系統，其使用與ControlLogix系統同樣的組態編程軟件，支持ControlNet、DeviceNet、EtherNet網絡。

ProcessLogix系統包括一個工程師站，兩個操作人員工作站；ProcessLogix系統使用一天服務器和兩個操作人員工作站，用來對系統進行維護和監控。

三、軟件
工程師站使用RSLogix5000、RSLinx、RSNetWorx for ControlNet、RSNetWorx for DeviceNet，操作人員工作站使用上位監控軟件RSView32與RSLinx。

ProcessLogix系統服務器安裝設置：WINOOWs NT4 for Engling SP6、RSLinx、ProcessLogix R320.0；操作員站安裝設置：WINOOWs NT4 for SP6、ProcessLogix R320.0。

四、網絡
隨著自動化控制設備、工業控制網絡一級計算機技術的發展，越來越多的工廠自動化系統采用設備總線、分布式控制、集中信息管理的系統結構。這種結構大的降低了工程投資，有效地增強了系統的開發性、可維護性，縮短了設計開發的周期，從而獲得了廣泛的應用。羅克韋爾自動化的ControlLogix
可編程控制器、ControlNet、DeviceNet 等網絡技術就是順應這種發展方向開發的產品。

用通訊網絡代替以往的硬電纜連接，在很多時候被認為不好維護的方式。因為一旦發生故障，常規工人會不知如何下手，而要求電氣維護人員具備的不僅是常規電氣知識，還必須具有自動化知識和網絡知識。

但網絡的優點是無可比擬的，系統越大越體現出網絡的：
1．設計簡單，減少設計時間和設計出錯的可能性；
2．減少現場控制柜之間的控制電纜數量，使施工變得簡單；
3．減少了柜間控制電纜的校對工作，使調試過程大大縮短；
4．維護為方便。

正因為如此，所以減少了投資的三個要素：勞動成本（減少50%），材料成本（減少15%），時間成本（減少50%）。從而節省了成本，獲得益：

設計（減少20%）―→硬件（減少15%）―→軟件（減少20%）―→驗收（減少＞50%）―→維護 (減少＞50%)。

DeviceNet連接1397 DC Drive直流傳動和1336 Plus II交流變頻器等現場設備，其傳輸速率為125—500Kbps，傳輸zui大距離500m，每段節點數為64，允許在線熱插拔。DeviceNet支持主從、多主和對等通訊，用戶應用程序和PC數據可以通過DeviceNet實現設備的有效控制，并且網絡具有24VDC電源，以此可以省去連接每一臺設備的供電電源。DeviceNet使用RSNetWorx
for DeviceNet軟件對網絡管理和組態。DeviceNet網絡結構簡單，實時性強，通訊簡單，即插即用，是一種理想的設備層現場總線網絡，用以實現低成本，高性能的網絡互連。

ControlNet連接主控設備ControlLogix或ProcessLogix，Flex I/O以及工程師站和操作人員工作站等。ControlNet是一個開放的高速的確定網絡，它用于傳輸對時間有苛刻要求的信息，通訊速度為5Mbps，提供實時的對等的通訊服務。ControlNet融合了現有遠程I/O和DH+網的性能，對于離散和連續過程控制應用均具有確定性和可重復性功能，用戶可自設定網絡交換時間達毫秒級，從而大大改善了網絡控制的實時性和快速性，采用生產者/客戶方式，將傳動網絡針對不同站點需要多次發送改為一次發送多點共享，減少網絡發送次數，從而使網絡實時。

ControlNet網絡中的I/O，無論CPU框架還是遠程擴展框架均通過通訊模塊掛在ControlNet網上，然后由軟件管理其歸屬，從而使網絡擴展和走線十分靈活。

EtherNet 在此用來連接ProcessLogix系統服務器與操作員站。

EtherNet 作為信息層網絡，同樣可以實現與ControlNet互連，用戶通過工廠EtherNet網絡對系統進行維護，真正地實現系統管控、信息一體化。

羅克韋爾自動化網絡從結構上看，一個典型的控制系統由三層網絡組成，即信息層、控制層和設備層。但各層之間可靈活運用：在設備層的DeviceNet除連接現場設備外同時還可以是I/O，同樣在ControlNet同時也可以是現場設備，ControlNet網也可以用EtherNet來實現。

五、調試、問題和解決
由于此系統站點數以及I/O量較大，我們采用分段的方法，將整個系統按工藝區分兩部分調試。每工藝區有由中控室往外站點逐一連通，分站點調試。ProcessLogix部分先調試服務器，然后調試工作站，ControlNet調試完成后調試DeviceNet。

調試過程中問題是難免的，主要有ControlLogix、網絡以及ProcessLogix方面的問題。
ControlLogix及網絡方面表現在以下幾點：

1．連接數的問題和解決
ControlLogix系統的控制能力雖然可達280000個數字量/4000個模擬量，以及ControlNet網絡每段能達到99個節點。但在使用規劃時，還有一個重要的參數——連接數，我們在調試過程中隨著站點的增加出現了網絡不通，就控制器的處理能力以及網絡的節點數來說遠遠沒達到，原因就是超出了控制器連接數。

在ControlLogix系統中連接可以是：
控制器到本地I/O模塊或者本地通訊模塊；
控制器到遠程I/O模塊或者遠程通訊模塊；
生產者和客戶標簽
通訊

由于在RSLogix5000里對I/O模塊組態時采用的是I/O模塊直接連接，致使每個數字I/O模塊的占用一個連接，使得連接數超出。當重做I/O模塊組態采用機架優化連接，這樣一來I/O模塊的連接壓縮到了一個機架優化連接內，節省了連接數量和帶寬。

2．NUT、RPI、帶寬
NUT（Network Update Time）、RPI（Requested Packet
Interval）這兩個參數在網絡中常常影響到網絡的帶寬，使得網絡不暢通或效率不高。在理論上來說當帶寬在60%~70%網絡效率較高，當帶寬不夠時就應該減少NUT與RPI時間。另外NUT，RPI之間按一定的關系來確定數值，也能提高網絡效率減少帶寬，即RPI=2nNUT。

3．安裝
除了軟件設置，安裝不合格同樣會引起很多問題。

敷設ControlNet網絡的RG6電纜保護要做好。電纜破損，分支器進水以及BNC頭做得不好都將影響網絡的暢通。在網線敷設好后，分支器不聯入節點，裝上終端電阻，測量分支器聯入節點的BNC芯線與外層電阻應在37.5 ~43Ω之間，小于37.5則有短路現象，過大則接觸不好。BNC頭的制作建議使用1786-CTK專用工具制作，在工具箱內光盤中有制作的全過程的影像文件。

DeviceNet
網絡采用的五芯屏蔽電纜，注意不要接錯，另外當電纜接入分接器時，線頭如不燙錫或不使用接線鼻，很容易斷線引起網絡不通，所以要特別注意。
Flex I/O中經常有能掃描到站點而掃描不到模塊或個別模塊的現象，這主要是由于使用的安裝軌道不平整或質量不高，以至于模塊底座安裝不穩，底座之間聯接不可靠引起。拆下模塊重新安裝到位即可。建議使用質量高不易變形的安裝導軌安裝Flex I/O。

4．接地
系統接地的可靠性大家一般不會忽略，但計算機的接地往往會忽略。當計算機連接于ControlNet時，如果計算機接地不好，很容易損壞與其連接的CNB模塊。

5．ProcessLogix
ProcessLogix系統關鍵是軟件的安裝，由于ProcessLogix R320.0 軟件在很多地方與WINOOWs NT4 系統相關聯，所以建議從WINOOWs NT4系統安裝開始就照著手冊一步一步安裝，否則可能會出現不可預見的問題。當然，如果對WINOOWs NT4熟悉也不會有大問題。

六、總結：
在ControlLogix系統要注意：先規劃，再實施；調試中注意連接數、NUT、RPI、帶寬以及安裝，系統就可以順利地開通。

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