1756-A10 1756-A10机架PLC

泉州金盛源电子贸易有限公司

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ZX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ZX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。

随着plc在工业控制中的推广普及，plc产品的种类越来越多，其结构型号、性能、容量、指令系统，编程方法等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择plc对于提高其在控制系统中的应用有着重要作用。应用plc首先要详细分析被控对象、控制过程与要求,熟悉了解工艺流程后列出控制系统的所有功能和指标要求，与继电器控制系统和工业控制计算机进行比较后加以选择。plc适合于控制对象的工业环境较差，而安全性、可靠性要求特别高，系统工艺复杂，输入输出以开关量为多，用常规的继电器接触器难以实现，工艺流程又要经常变动的对象和现场。其次要确定控制范围，一般讲，能够反映生产过程的运行情况，能用传感器进行直接测量的参数；用人工进行控制工作量大，操作复杂容易出错或操作过于频繁，人工操作不容易满足工艺要求的往往由plc控制。



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，选择可靠、维护使用方便以及性能价格优的机型。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机(其中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Z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，Z大存储能力：一般小型机Z大存储能力低于6kb，中型机的Z大存储能力可达64kb，大型机的Z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。存储容量计算的一种方法是：根据编程使用的节点数精确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。



2.4 编程器和电源模块选择



在系统的实现过程中，plc的编程问题是非常重要的。用户应当对所选择plc产品的软件功能及编程器有所了解。小型控制系统一般选用价格便宜的简易编程器，如果系统较大或多台plc共用，可以选用功能强，编程方便的图形编程器。如果有个人计算机，可以选用能在个人计算机上运行的编程软件包。同时，为了防止因干扰、锂电池电压下降等原因破坏ram中的用户程序，可以选用eeprom模块作为外部设备。



对于结构为模块式的plc，电源模块和额定电流必须大于或等于主机、i/o模块、专用模块等总的消耗电流之和。当使用专用机架时，从主机架电源模块到远一个扩展机架的线路压降必须小于0.25v。



2.5 程序设计和总装统调



在确定控制对象的控制任务、选择好plc的机型后，就可以进行控制系统的流程设计，画出流程图，进一步说明各信息流之间的关系，然后具体安排i/o的配置，并对i/o进行地址编号。i/o地址编号确定后，再画出plc端子和现场信号联络图表，进行系统设计即可将硬件设计和程序编写二项工作平行进行，编写程序的过程就是软件设计过程。



用户编写的程序在总装统调前需要进行模拟调试。用装在plc上的模拟开关模拟输入信号的状态，用输出点的指示灯模拟被控对象，检查程序无误后便把plc接到系统里，进行总装统调，如果统调达不到指标要求则可对硬件和软件作调整，全部调试结束后，一般将程序固化在有长久记忆功能的eprom盒中长期保存。



3 plc的抗干扰措施



由于plc是专为工业环境而设计的控制装置，应该具有很强的抗干扰功能，但是如果环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈或安装使用不当都不能保证系统的正常运行，干扰会造成plc误动作或使plc内部数据丢失，甚至使系统失控，所以在系统设计时，应采取硬件措施再配合软件措施，以提高plc的可靠性和抗干扰能力。

华菱衡阳钢管厂石油管生产线是华菱衡阳钢管厂为适应市场需求新投资建设的一条生产线。生产线主要由加厚修磨线、热处理线以及水处理等组成。

该生产广泛地应用了罗克韦尔自动化A-B品Pai的产品和技术，包括1397DC Drive直流传动、1336 Plus II

交流传动、ControlLogix系统、ProcessLogix系统、ControlNet、DeviceNet、EtherNet 。此项目为罗克韦尔自动化集成架构策略一次较为全面、典型的应用。

二、设备

加厚修磨包括运输辊道、液压站、加厚机以及修磨等组成，使用ControlLogix与Flex I/O共有9个站点、1 台1397 DC

Drive直流传动和3 台1336 Plus II交流变频器。

热处理包括运输辊道、液压站、回火炉、淬火炉、高压水除磷、水泵站、矫直机、探伤、DCS系统，使用ControlLogix与Flex

I/O共有22个站点、DCS采集系统、2台1397 DC Drive直流传动和36 台1336 Plus II交流变频器。

ControlLogix系统，采用Logix5550处理器，是32位的总线控制器，其控制能力可达280000个数字量/4000个模拟量，不仅能组态本地框架的输入模块，还能组态控制网上其他远程ControlNet的输入输出模块，支持热插拔。

水处理采用的FlexLogix系统，其使用与ControlLogix系统同样的组态编程软件，支持ControlNet、DeviceNet、EtherNet网络。

ProcessLogix系统包括一个工程师站，两个操作人员工作站；ProcessLogix系统使用一天服务器和两个操作人员工作站，用来对系统进行维护和监控。

三、软件

工程师站使用RSLogix5000、RSLinx、RSNetWorx for ControlNet、RSNetWorx for DeviceNet，操作人员工作站使用上位监控软件RSView32与RSLinx。

ProcessLogix系统服务器安装设置：WINOOWs NT4 for Engling SP6、RSLinx、ProcessLogix R320.0；操作员站安装设置：WINOOWs NT4 for SP6、ProcessLogix R320.0。

四、网络

随着自动化控制设备、工业控制网络一级计算机技术的发展，越来越多的工厂自动化系统采用设备总线、分布式控制、集中信息管理的系统结构。这种结构极大的降低了工程投资，有效地增强了系统的开发性、可维护性，缩短了设计开发的周期，从而获得了广泛的应用。罗克韦尔自动化的ControlLogix

可编程控制器、ControlNet、DeviceNet 等网络技术就是顺应这种发展方向开发的产品。

用通讯网络代替以往的硬电缆连接，在国内很多时候被认为不好维护的方式。因为一旦发生故障，常规工人会不知如何下手，而要求电气维护人员具备的不仅是常规电气知识，还必须具有自动化知识和网络知识。

但网络的优点是无可比拟的，系统越大越体现出网络的优势：

1．设计简单，减少设计时间和设计出错的可能性；

2．减少现场控制柜之间的控制电缆数量，使施工变得简单；

3．减少了柜间控制电缆的校对工作，使调试过程大大缩短；

4．维护极为方便。

正因为如此，所以减少了投资的三个要素：劳动成本（减少50%），材料成本（减少15%），时间成本（减少50%）。从而节省了成本，获得GX益：

设计（减少20%）―→硬件（减少15%）―→软件（减少20%）―→验收（减少＞50%）―→维护 (减少＞50%)。

DeviceNet连接1397 DC Drive直流传动和1336 Plus II交流变频器等现场设备，其传输速率为125—500Kbps，传输Z大距离500m，每段节点数为64，允许在线热插拔。DeviceNet支持主从、多主和对等通讯，用户应用程序和PC数据可以通过DeviceNet实现设备的有效控制，并且网络具有24VDC电源，以此可以省去连接每一台设备的独立供电电源。DeviceNet使用RSNetWorx

for DeviceNet软件对网络管理和组态。DeviceNet网络结构简单，实时性强，通讯简单，即插即用，是一种理想的设备层现场总线网络，用以实现低成本，高性能的网络互连。

ControlNet连接主控设备ControlLogix或ProcessLogix，Flex I/O以及工程师站和操作人员工作站等。ControlNet是一个开放的高速的确定网络，它用于传输对时间有苛刻要求的信息，通讯速度为5Mbps，提供实时的对等的通讯服务。ControlNet融合了现有远程I/O和DH+网的性能，对于离散和连续过程控制应用均具有确定性和可重复性功能，用户可自设定网络交换时间达毫秒级，从而大大改善了网络控制的实时性和快速性，采用生产者/客户方式，将传动网络针对不同站点需要多次发送改为一次发送多点共享，减少网络发送次数，从而使网络实时GX。

ControlNet网络中的I/O，无论CPU框架还是远程扩展框架均通过通讯模块挂在ControlNet网上，然后由软件管理其归属，从而使网络扩展和走线十分灵活。

EtherNet 在此用来连接ProcessLogix系统服务器与操作员站。

EtherNet 作为信息层网络，同样可以实现与ControlNet互连，用户通过工厂EtherNet网络对系统进行维护，真正地实现系统管控、信息一体化。

罗克韦尔自动化网络从结构上看，一个典型的控制系统由三层网络组成，即信息层、控制层和设备层。但各层之间可灵活运用：在设备层的DeviceNet除连接现场设备外同时还可以是I/O，同样在ControlNet同时也可以是现场设备，ControlNet网也可以用EtherNet来实现。

五、调试、问题和解决

由于此系统站点数以及I/O量较大，我们采用分段的方法，将整个系统按工艺区分两部分调试。每工艺区有由中控室往外站点逐一连通，分站点调试。ProcessLogix部分先调试服务器，然后调试工作站，ControlNet调试完成后调试DeviceNet。

调试过程中问题是难免的，主要有ControlLogix、网络以及ProcessLogix方面的问题。

ControlLogix及网络方面表现在以下几点：

1．连接数的问题和解决

ControlLogix系统的控制能力虽然可达280000个数字量/4000个模拟量，以及ControlNet网络每段能达到99个节点。但在使用规划时，还有一个重要的参数——连接数，我们在调试过程中随着站点的增加出现了网络不通，就控制器的处理能力以及网络的节点数来说远远没达到，原因就是超出了控制器连接数。

在ControlLogix系统中连接可以是：

控制器到本地I/O模块或者本地通讯模块；

控制器到远程I/O模块或者远程通讯模块；

生产者和客户标签

通讯

由于在RSLogix5000里对I/O模块组态时采用的是I/O模块直接连接，致使每个数字I/O模块的占用一个连接，使得连接数超出。当重做I/O模块组态采用机架优化连接，这样一来I/O模块的连接压缩到了一个机架优化连接内，节省了连接数量和带宽。

2．NUT、RPI、带宽

NUT（Network Update Time）、RPI（Requested Packet

Interval）这两个参数在网络中常常影响到网络的带宽，使得网络不畅通或效率不高。在理论上来说当带宽在60%~70%网络效率较高，当带宽不够时就应该减少NUT与RPI时间。另外NUT，RPI之间按一定的关系来确定数值，也能提高网络效率减少带宽，即RPI=2nNUT。

3．安装

除了软件设置，安装不合格同样会引起很多问题。

敷设ControlNet网络的RG6电缆保护要做好。电缆破损，分支器进水以及BNC头做得不好都将影响网络的畅通。在网线敷设好后，分支器不联入节点，装上终端电阻，测量分支器联入节点的BNC芯线与外层电阻应在37.5 ~43Ω之间，小于37.5则有短路现象，过大则接触不好。BNC头的制作建议使用1786-CTK专用工具制作，在工具箱内光盘中有制作的全过程的影像文件。

DeviceNet

网络采用的五芯屏蔽电缆，注意不要接错，另外当电缆接入分接器时，线头如不烫锡或不使用接线鼻，很容易断线引起网络不通，所以要特别注意。

Flex I/O中经常有能扫描到站点而扫描不到模块或个别模块的现象，这主要是由于使用的安装轨道不平整或质量不高，以至于模块底座安装不稳，底座之间联接不可靠引起。拆下模块重新安装到位即可。建议使用质量高不易变形的安装导轨安装Flex I/O。

4．接地

系统接地的可靠性大家一般不会忽略，但计算机的接地往往会忽略。当计算机连接于ControlNet时，如果计算机接地不好，很容易损坏与其连接的CNB模块。

5．ProcessLogix

ProcessLogix系统关键是软件的安装，由于ProcessLogix R320.0 软件在很多地方与WINOOWs NT4 系统相关联，所以建议从WINOOWs NT4系统安装开始就照着手册一步一步安装，否则可能会出现不可预见的问题。当然，如果对WINOOWs NT4熟悉也不会有大问题。

六、总结：

在ControlLogix系统要注意：先规划，再实施；调试中注意连接数、NUT、RPI、带宽以及安装，系统就可以顺利地开通。

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