我國20世紀90年代以前生產的機床、軋機、噴涂生產線等機電設備，普遍采用繼電器控制，由于繼電器的自身特點，對電氣元件故障的識別能力較弱。為了提高控制系統的可靠性和機床的加工效率，采用PLC對控制系統進行改造，取得了一定效果。但在采用PLC對原有繼電器控制的機電設備進行改造的過程中，除了考慮完成系統工作所需要的控制功能以外，還非常有必要考慮機床電氣元件本身故障的自動識別和處理。
一、機床電氣系統進行PLC改造的基本方法
利用PLC改造機床電氣系統，可大大簡化電氣線路。它的設計方法是，將各個電氣元件直接與PLC的各個輸入、輸出端口相連，元件之間的連接關系，以及各線圈的狀態由邏輯程序確定，元件之間不存在直接的串聯或并聯，所以線路簡單，而邏輯關系由程序確定，維護和設計比較容易。
1.1 電氣元件與PLC的硬件連線
電氣元件與PLC的連線主要就是將控制電路所需要的各開關、按鈕、繼電器觸點、接觸器輔助觸點等連到PLC的輸入端口，并確定各觸點對應的端口號，1個元件的多個觸點一般只需要連接1個輸入口。繼電器線圈、接觸器線圈、電磁閥線圈、指示燈、照明燈等耗能元件連接輸出端口，然后建立輸入、輸出端口分配表，各端口號將是邏輯程序進行邏輯運算的重要邏輯量。
1.2 邏輯程序設計
在將各元件與PLC的端口連接以后，還需要編寫邏輯程序，確定各輸出端口得電、失電的邏輯條件，從而控制各輸出端口對應耗能元件的狀態。邏輯程序的編寫應根據機床的控制要求和原來繼電器控制線路中的邏輯關系進行。PLC在運行時，能夠采集各輸入端口的狀態，并根據建立的邏輯程序進行邏輯運算，然后控制各輸出端口，使與輸出端口相連接的各線圈得電或斷電，從而控制電動機、液壓系統和其他電氣元件工作，即通過開發邏輯程序代替原來元器件間的串、并聯接線。
采用上述方法可以完成機床工作所需要的控制要求，結合PLC的功能特點，可以考慮在已有的元器件基礎上通過編寫邏輯程序或者根據需要添加少量元件就能實現機床的故障自診斷，這對于提高機床的可靠性、高效性、易維護性、避免事故的進一步發生是非常有利的。
二、故障的自診斷設計
2.1 開關信號量的故障診斷設計
PLC控制機電設備時，設備中的開關、按鈕、繼電器的觸點等開關信號與PLC的輸入端口相連，每個輸入端口在PLC的內存中為1個地址。通過讀取PLC輸入位的狀態值作為識別開關量故障信號的依據。診斷開關量故障的實質是將PLC正常的輸入位狀態值與相應輸入位的實際狀態值作比較:如果二者比較的結果是一致的，則表明設備處于正常工作狀態；若不一致，則表明對應輸入位的元件處于故障狀態。下面就常用的幾種診斷方法作一敘述。
2. 1. 1 邏輯錯誤故障檢測診斷法
在機床設備正常工作的情況下，控制系統的各個輸入、輸出信號和內部繼電器的信號之間存在確定的邏輯關系，一但輸入元器件發生故障，就會引起邏輯錯誤，控制系統不能按設計的要求進行工作。在這種情況下，我們可以根據元器件發生的故障，建立元器件故障發生時的邏輯關系。因此，一旦故障發生，就能作出相應的警告和處理，如停止進給，停止主軸轉動等。
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圖1所示的組合機床滑臺工作時檢測3個行程開關X00l(起點)， X002 (快進終點)，X003(工進終點)是否正常的邏輯程序。Y030， Y031，Y032表示快進、工進、快退。表示在任何一個工作狀態下，這3個行程開關任何2個都不應該同時閉合，如果同時閉合，則表示有行程開關失靈的故障發生，應該進行停機檢查。
2. 1. 2 附加觸點連接診斷法
在進行機床的PLC改造時，往往只是根據系統控制的需要，接入最必需的外部輸入元器件觸頭，這可以節約輸入點數。但為了提高系統的可靠性，可以考慮把一些非常重要的元器件的常開觸點和常閉觸點分別接到PLC的2個輸入點，并在軟件部分加上相應的檢測判斷程序，以實現在出現卡死或失效時能準確找出故障所在。
如在電氣控制系統中有一中間繼電器K，其一常開觸點與X401輸入端口相連，為了能夠自動判斷繼電器K是否卡死或失效，現將其常開觸點與X401相連，另一常閉觸點與X402相連，如果卡死或發生失效，在繼電器K線圈得電時，常閉觸點斷開了，但常開觸點沒有閉合；我們可采用圖2的邏輯關系進行檢測，即可發現故障。所以，在端口數量有多余的時候，多串入1個常閉觸點，有利于準確發現故障。
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2. 1. 3 時間限制法
自動機床在工作循環中，各個動作都要求在一定的時間內完成，超過了規定的時間限制還沒有完成動作，則可認為是機床設備運行出現故障，因此可以在被檢測工步動作開始時，同時啟動一個定時器，定時時間可以根據實際情況確定，但應比正常工作所需時間要長一些，如果定時器有輸出信號則說明已出現故障，然后可以采取相應的處理措施。
圖3表述了在組合機床上快進轉變為工進時的故障檢測程序，Mll0表示快進工步，壓下行程開關后，應轉變為工進，如果超過了規定的時間限制未切換，應視為在快進工步上出現了故障，出現故障的原因可能是行程開關，也可能是液壓元件或其他電氣元器件。雖然不能確定是何種故障原因，但能確切地控制故障的繼續發生。
2.2 模擬信號量的故障診斷設計
由于PLC具有模擬量的處理功能，在進行機床PCL控制改造時，對一些比較重要的能反映機床工作狀態的參數，如液壓系統的壓力、流量，機床重要機械部件的溫度、振動等參數，可以考慮選用相應的傳感器或變送器與PLC的專用A/D模塊對機床工作參數實現實時檢測，并與極限要求值進行比較，以判斷機床工作狀態是否正常，若不正常，則可以進行顯示、報警或者停機等處理。機床設備參數的檢測流程框圖見圖4。
三、結語
在進行機床PLC改造的過程中，在完成主要的控制要求設計基礎上，應該附加考慮利用PI刀程序控制的功能特點，通過編寫邏輯程序和添加少量電氣元器件的基礎上進行機床設備故障的自診斷和及時的處理，這樣，可以提高機床的可靠性，提升機床的工作效率，改善機床的自動化程度。
：鞏經理
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