张洛杰
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PLC在数控机床安全设计中应用
数控设备是技术密集型和知识密集型的机、电一体化产品，其技术先进、结构复杂、价格昂贵，随着生产企业规模的不断扩大及设备自动化程度的不断提高，数控车间里所用的数控设备种类和数量也在不断增加。要想更好地利用数控机床，就必须对数控机床的结构功能及系统有充分的了解。数控机床的动作控制通常由两种方式来实现：一种是通过CNC系统(专用计算机)的数字信息来控制，即“数字控制”，如数控机床工作台的前、后、左、右移动，主轴箱的上、下移动和围绕某一直线轴的旋转运动位移量等。这些控制是用插补计算出的理论位置与实际反馈位置比较后得到的差值对伺服进给电机进行控制而实现的。这种控制的核心是保证实现被加工零件的轮廓，即除点位加工外，各个轴的运动时刻都必须保持严格的比例关系；另一种是在数控机床运行过程中，以CNC系统内部和机床上各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号的状态为条件，并按照预先规定的逻辑顺序，对诸如主轴的开停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开。液压、冷却、润滑系统的运行控制。这一类动作的控制主要是进行开关量信号的顺序控制，一般由PLC来完成。
1 PLC程序在数控机床上的应用
PLC为可编程控制器．在数控机床上所使用的PLC也称作PMC。它有以下优点：响应快。控制精度高，可靠性好，控制程序可随应用场合的不同而改变，与计算机的接口及维修方便。通常，数控机床上所使用的PLC程序包括系统程序和用户程序。其中系统程序包括监控程序、编译程序及诊断程序等，由PLC生产厂家提供，并固化在EPROM中，用户不能直接存取，也不需要用户干预。丽用户程序是用户根据现场控制的需要，用PLC程序语言编制的应用程序，用以实现各种控制要求。常用的PLC程序设计语言主要有梯形囝、语句表、功能块图等。
由于数控机床很多执行机构的动作都是通过PLC的控制指令来实现的，可以利用PLC对数控机床进行故障的快速检测和维修，或者是通过修改、编写PLC程序为数控机床增添某个可执行动作或功能。
2 数控机床的安全控制设计
在使用数控机床的过程中作者发现：有些系统的机床在操作不当或因机床本身原因出现故障报警停机之后，需要消除报警并重新返回HOME点才能再次执行程序，可是有些系统的机床在消除报警后并不需要返回HOME点就可以直接再次运行程序。后者虽然节省了一点时间，可是却存在极大的安全隐患。某企业有一台数控加工中心就出现过这样的情况：某次执行空运行时，产生了机床报警导致停机，操作工消除报警后未回HMOE点就再次运行空运转程序，使主轴与夹具发生碰撞，造成主轴精度及动平衡超差，无法满足设备加工的工艺要求。分析其原因：当机床在运行过程中报警停机之后，机床夹具及主轴的位置状态已经发生了变化(不再是初始状态)，若是消除报警之后立即重新开始执行后续程序，就很容易导致机床主轴误动作造成主轴与夹具或工件发生碰撞。为了避免因碰撞造成的不必要的工废．进一步提高设备本身的防错能力，作者针对FUNUC系统加工中心设计了一个数控机床动作的安全控制程序，该程序的作用主要是保证在执行加工程序或者空运行程序过程中发生了机床停机报警，在操作人员消除报警后，必须执行回参考点的程序，如果不执行回参考点程序使程序、设备的夹具、主轴、刀具等恢复到初始位置，机床将无法执行加工程序或空运转程序，这样就有效避免了设备碰撞的可能性。
2.1 设计思路
为机床增加防错功能以实现机床动作的安全控制是通过修改数控机床的PMC程序及机床自动运行的条件，增加机床启动条件的限制，并在操作面板上增加循环启动准备好指示灯(STEN—L)、返修指示灯(RECUTL)及返修键按钮。具体方案是：
(1)设置的机床启动条件：①x，y、z轴必须回到第二参考点，且A轴在90。状态(STA—ENI)；②主轴上的刀具为初始刀具(T6)或者为空刀(T14)(STA—EN2)；③A轴处于夹紧状态(STA—EN3)；④夹具处于松开状态(STA—EN4)。机床必须同时满足这4个条件才能够执行加工程序进行自动加工(STA—EN)。设计此限制条件的目的是使机床在发生报警后，必须先运行RETURN程序，待机床恢复至可以正常运行的状态后，才在AUTO或者MEM模式下运行机床，防止程序从中间状态启动，引起机床碰撞。
(2)如果未满足启动条件，循环启动准备好指示灯不亮时，按下[CYCLE START]按键，机床则产生“61．0 CYCLE START NOT REDAY，PLEASERETURN!”报警，提醒操作人员机床被禁止自动加工的原因及应该采取的措施。
(3)当有工件需要返修时，可能只需要执行某个特定的程序段，此时可以接下返修键，返修指示灯亮后，即可进行返修工件的加工。在返修加工或单段加工模式下，设备不受“循环启动准备好”条件的限制，可以循环启动。
2 plc的选择
2.1 机型选择
机型的选择主要是指在功能上如何满足自己需要，而不浪费机器容量。选择机型前，首先要对控制对象进行下面估计：有多少开关量输入，电压分别为多少，有多少开关量输出，输出功率为多少；有多少模拟量输入和模拟量输出；是否有特殊控制要求，如高速计数器；现场对控制器响应速度有何要求；机房与现场分开还是在一起等。
在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格最优的机型。通常的做法是：在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，选用整体式结构的plc；其他情况则选用模块式结构的plc；对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的，一般其控制速度无须考虑，因此选用带a/d转换，d/a转换，加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求；而控制比较复杂，控制功能要求比较高的(如要实现pid运算、闭环控制、通讯联网等)，可根据控制规模及复杂程度来选用中档或高档机(其中高档机主要用于大规模过程控制，全plc的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等)。
应该注意的是，同一个企业应尽量做到机型统一，这样同一个机型的plc模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此配上计算机后即可把控制各独立系统的多台plc联成一个dcs系统，这样便于相互通信，集中管理[2]。
2.2 i/o的选择
plc与工业生产过程的联系是通过i/o接口模块来实现的，plc有许多i/o接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其他一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。
(1)确定i/o点数。不同的控制对象所需要的i/o点数不同，一些典型的传动设备及常用的电气元件所需plc的i/o点数是固定的，如一个单线圈电磁阀用2个输入点，一个输出点；一个按纽需一个输入点；一个信号灯占用一个输出点等，但对于同一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，i/o点数也应有所不同。根据控制系统的要求确定所需的i/o点数时，应再增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。
(2)开关量i/o。开关量i/o接口可以从传感器和开关(如按纽、限位开关等)及控制设备(如指示灯、报警器、电动机启动器等)接收信号。典型的交流i/o信号为24～240v，直流i/o信号为5～240v。尽管输入电路因制造厂家不同而不同，但有些特性是相同的，如用于消除错误信号的抖动电路等。此外，大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都没有可选的隔离电路。在评估离散输出时，应考虑熔丝、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路[3]。
(3)模拟量i/o。模拟量i/o接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。其典型量程为-10～+10v、0～+11v、4～20ma或10～50ma。一些制造厂家在plc上设计有特殊模拟接口，因而可以接收低电平信号，如rtd、热电偶等。这类接口模块可用于接收同一模块上不同类型的热电偶或rtd混合信号。
(4)特殊功能i/o。在选择一台plc时，用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准i/o实现的i/o限定，如定位、快速输入、频率等。此时应考虑供销厂商是否提供特殊的有助于最大限度减小控制作用的模块。有些特殊接口模块自身能处理一部分现场数据，从而使cpu从耗时的任务中解脱出来。
(5)智能式i/o。大型plc的生产厂家相继推出了解决典型工艺过程的智能式的i/o模块，例如pid控制模块等。这些智能模块本身带有处理器，可对输入或输出信号作预先规定的处理，并将处理结果送入cpu或直接输出，这样可以提高plc的处理速度并节省存储器的容量。
2.3 存储器类型及容量选择
plc系统所使用的存储器由rom和ram组成，存储容量则随机器的大小变化，最大存储能力：一般小型机最大存储能力低于6kb，中型机的最大存储能力可达64kb，大型机的最大存储能力可上兆字节。使用时可根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。
plc的存储器容量选择要受到内存利用率、开关量的i/o点数、模拟量的i/o点数和用户的编程水平这四个因素的影响。存储容量计算的第一种方法是：根据编程使用的节点数计算存储器的实际使用容量。第二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的来估算，总存储字数=（开关量输入点+开关量输出点）×10+模拟量点数×150，然后按计算存储器字数的25%考虑裕量。为了使用方便，一般应留有25%～30%的裕量。获取存储容量的方法是生成程序，即用了多少字，知道每条指令所用的字数，用户便可以确定准确的存储容量。