数控机床PLC的顺序控制及故障诊断方法

第 2期 2 0 1 5年 2月 组 合 机 床 与 自动 化 加 工 技 术 M o du l a r M a c h i n e To o l Aut o ma t i c M a n uf a c t u r i ng Te c h ni q u e NO 2 Fe b 20 1 5 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 5 0 2 0 1 1 0 0 3 D O I 1 0 1 3 4 6 2 j c n k i m m t a m t 2 0 1 5 0 2 0 3 1 数控机床 P L C的顺序控制及故障诊断方法 刘永 强 谭劲松 1 大连机床集团有限责任公司 辽宁 大连 1 1 6 6 2 0 2 博世力士乐 中国 辽宁 大连 1 1 6 0 1 1 摘要 顺序控制是一种先进的 P L C编程方法 在顺序控制 中进行故障诊断是一种有效的机床逻辑诊 断方法 通过顺序控制 中的顺序号 步号 可以知道机床每一步 的具体动作和 实现这一动作所需要 的条件 在规定时间内任一输入条件没有达到所要求的状 态 或者在任意时间 内它们变成 了不希望 的状 态 都是故障 这些故障可能是 源于检测输入条件也可能来 自执行机构 文章 阐述 了以顺序控 制为基础的故障诊断机理 并介绍了实现的方法 关键词 逻辑控制 顺序控制 故障诊 断 中图分类号 T H1 6 5 T G 6 5 9 文献标识码 A S e q u e n c e Co n t r o l a nd Fa u l t Di a g n o s i s o f CNC M a c hine To o l L I U Yo n g q i a n g TAN J i n s o n g 1 Da l i a n Ma c h i n e T o o l Gr o u p C o L t d D a l i a n L i a o n i n g 1 1 6 6 2 0 C h i n a 2 B o s c h Re x r o t h C h i n a Da l i a n L i a o n i n g 1 1 6 0 1 1 C h i n a Abs t r a c t S e q u e n c e c o n t r o l i s a n a d v a n c e d P LC p r o g r a mmi n g me t h o d s Th e f a u l t d i a g n o s t i c s p e r f o r me d i n t h e s e q u e n c e c on t r o l i s a n e f f e c t i v e d i a g n o s t i c wa y f o r the d i a g n o s t i c s o f ma c h i n e t o o l l o g i c a 1 By the s e q u e n c e n u mb e r s t e p n u mb e r o f the s e q u e n c e c o n t r o l c a n k n o w the d e t a i l s o p e r a ti o n o f ma c h i n e t o o l i n e a c h s e qu e n c e s t e p a n d the r e q u i r e d c o n d i t i o n s f o r t h i s o p e r a t i o n I f the i n p u t c o n di tio ns ha v e n o t r e a c h e d i t s r e q u i r e d s t a t e wi thi n the t i me l i mi t o r s o me o f the m c h a n g e u n e x p e c t e d l y i n a n y t i me the n a f a u l t i s g e n e r a t e d Bu t the f a u l t s ma y b e c o me f r o m the i n p u t c o n d i t i on s o r the a c t u a t o r s Pa p e r d e s c r i b e s the me c h a n i s m o f f a u l t d i a g n o s i s b a s e d o n the s e q u e n c e c o n tro l a n d d e s c r i b e s p r o g r a mm i n g me tho d s i n PLC Ke y wo r d s l o g i c c o n tro l s e q u e n c e c o n t r o l f a u l t d i a g n o s t i c s 0 引言 数控机床是集机械制造 计算机 液压 气动 传感 检测 信息处理 光机 电等技术于一体 的机 电产品 具 有高效率 高质量 柔性好等特点 是当今机械加工 的 主要设备 正是由于这样的高技术产品 也给其维 护和维修带来 了困难 如果维修不及时 长时间停机 将 给生产带来 巨大 的损 失 为 了将这 种损失减少 到最 低 除了提高生产设备本身的可靠性之外 就要通过快 速的故障诊断和缩短维修时间来实现 生产设备的可 靠性不论有多高 其发生故障都是不可避免的 因此我 们最关心的还是在设备出现故障时如何快速地发现故 障并精确地指示故障点而进行及时维修 这就要求设 备制造商对其所生产的设备要设计出完善的逻辑控制 程序 P L C程序 这些程序不但要完成机床本身所要 求的控制动作 还要尽可能地保护运行过程 中的设备 和其对人身的伤害 同时它还要具备强大的监控和故 障诊断功能 以保证可以记录监视机床的运行状态和 快速准确地诊断机床运行时出现的故障 顺序控制就是按照生产工艺预先规定的顺序 在 各个输入条件的作用下 根据系统功能所规定的动作 由系统 中各个执行 机构 自动地 有秩序地动 作 如果 一 个控制系统可以分解成几个独立的控制动作 且这 些动作必须严格按照一定的先后次序执行才能保证生 产过程的正常运行 那么系统的这种控制称为顺序控 制 顺序控制设计是一种先进 的设计方法 其设计思 想 是将系统 的工 作 周期 划分 为若 干顺 序 相连 的阶段 我们称之为 步 当步之间的转换条件满足后 步所 代表的行动或命令将被执行 这样一步一步按 照顺 序 执行机构就能够顺序 前进 当然 也可以根据 需要 通过手动的方式让其按照相应顺序 后退 1 具备故障诊断的顺序控制的基础 为了实现可以监控动态的外部输入条件 我们必 须要建立一些具有共性 的条件 如果 以子程序方式创 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 0 8 修 回日期 2 0 1 4 1 2 2 8 作者简介 刘永强 1 9 6 9 一 男 辽宁大连人 大连机床集 团有限责任公司工程师 研究方向为数控技术与制造 E ma i l l y q d mt g c o rn 2 0 1 5年 2月 刘永强 等 数控机床 P L C的顺序控制及故障诊断方法 1 1 1 建一个顺序控制器 这些就是子程序的形式参数 主 要的 基 本 参 数 是 循 环 状 态 S T A T 循 环 步 号 S T E P 循环通用计时器 G E N T 循环特殊计时器 S P E T 循 环所用 的掩码数据 D A D A 顺序状 态 S T A T 包括 有启 动 I n i t i a t e 终 止 T e r m i n a t e 禁止诊 断 D i a g n o s t i c s 重新计 时 R e t i m e 循环使 能 E n a b l e 循 环待机 P a s s i v e 警告 A l a r m 错误 E r r o r 和报警 Wa r n i n g 这些状态标 志基本 上可 以涵 盖一个循 环 的所 有状态 可以通过 这 些状态标志来协调顺序控制 的执行 也可以借此掌握 顺序控制的执行情况 顺序步号 S T E P 它记录了一个循环现行步号 通用计时器 G T I M 给定用来监控在一个循环 中 从一步进 入到下 一步 的最 长时 间限制 如果超 过 了这 个时间限制还没有满足下一步的输人条件 就有错误 发生 这也是顺序控制故障检测的重要思想之一 特殊计时器 S T I M 对于有些顺序步 要求机械 部件运动稳定后 才可以步入到下一步 这个计时器 就是一个延时 达到延时后才算是输入条件满足步人 下一步的条件 掩码数据 D A T A 掩码数据包括有每一步需要 的输入条件 I C O N 每一步需要检查的输入掩码 I N M A 每一步正常情况时所要发出的输 出 O U T G 每 一 步在机床保持时要发出的输出 O U T S 每一步会引 起报警 的输入 A L R M 每一步会 引起错 误 的输人 E R O R 和每一步会引起警告的输入 WA R N 为了便于编写和阅读一个完整循环 的顺序控制 我们引入一个顺序表的方式 其格式如图 1 所示 赣恒 O E O E O E O o 5 0 ri o 即ri o A 1 曩懂 追 1 E O E 0 E 0 A 1 鄹 晦点薯麓 2 E 0 E 0 A 1 E O E o O 鼬 瞎点 毒 E O 锄E o E 0 A I E l E O E 0 E O 1 4 降辣计 时簟螺 袖 蕾 t l O O O 0 0 1 0 O 0 口 睑越 C j吗 0 0 a l O 2 o 0 6 e 1 0 避 a 1 1 0 0 0 0 O 0 0 0 蔓鞋 1 O O 1 1 1 0 0 O O 0 量遇 I O O O 口 O O O 1 1 O 快强 3 O O O O O O O O 折计时 4 O 0 O O O 0 O O 0 O l 1 4 恃 蛑计 时 启动位 伯 0 O O 0 1 O 0 O 0 0 图 1顺 序 表 在图 1 这个顺序表 中 它是描述一个如图 2所示 的机 械输送臂 的整个循 环所需要 的数据 动作循 环 图 如 图 3所示 顺序控制正常处于原位位置 经过调试初始化后 它就进入了循环顺序控制之 中 没有启动之前 它处 于待机状态 P a s s i v e 顺序步为最后一步 系统处于顺 序控制的监控状态 当外部逻 辑发出一个启动命令 I n i t i a t e 这个命令可能是来之按钮操作或者数控系 统的辅助代码 循环顺序控制进入开始步 0 0步 此 时顺序控制输出快进动作 等待离开原位 若在时间 限制内没有离开 说明不是原位开关故障就是输 出或 执行机构出现故 障 同时 如果有其它三个输入任何 一 个出现都是故障状态 当原位输入消失 马上满足 0 1步的输入条件 循环顺序步人 0 1步 通过顺序表 我们可以发现 在这一步中 原位减速输入不被监视 这是由于在快进过程 中它是一个不确定状态 且对循 环控制不受影响 这一步等待的是终点减速输人 其 监控和故 障诊 断原理和 0 0相 同 一旦满 足原位是 0 原位减速是 0 终点是 0 而终点减速是 1 顺序控制就步入 0 2步 输出是关断快进 接通慢进 依次完成一个完整 的循环停止在最后步 即 0 9步上 又处于待机状态 等待下一个循环顺序 其它步就不 再赘述 可以结合下面对顺序表的说明加以理解 C r 图 2 机械输送臂示意图 图 3机械 输 送 臂 动作 循 环 图 在这个顺序表中 我们在此示例了一个 1 6位的顺 序控制 它可以管理 1 6个输入位和 1 6个输 出位 其 中有一位的输入和一位的输出是保 留给特殊计时器 在进人顺序控制或者通过调用子程序方式之前 将实 际输人和输 出按照顺序表顺序建立在两个标志字中 在顺序表中有两个 区域 上半部分是为顺序控制器提 供的 1 6个输入而下半部分是 由顺序控制器生成的 1 6 位输出 典型情况下 这些输入是标志 开关或者触点 而输出是标志 电磁线圈或者是继电器和接触器 每步的每个输入都可能被监控或者在特殊步时不 被监控 如果要监控 的话 那么就要按照 o n 或者 o f f 去定义它所需的状态 有两个掩码用来完成这 项工作 它们分别被称之为 输入检查掩码 I N M A 和 输入条件掩码 I C O N I N M A 是确定要监控还 是不监控 而 I C O N 是确定所需要的输入状态是 o n 还是 o ff 在表中是通过 1 来表示所需要 的状态是 o n 而通 过 0 来表示 所需要 的状 态是 o f f 如果 一个输 人不需 要监控 的话 那 么在表 中就是 空 白 如果一个输入在一个时间限制内没有达到它所需 要的状态或者变成了不是希望的状态 那么就会产生 故障 有三个掩码 报警 A L R M 错误 E R O R 和 警 告 WA R N 来定 义故 障 的类 型 在顺序 表 中分 别用 A E 和 w 来表示这些信息 如果这些掩码没 有被定义 则在序列表中就没有这种类型的故障存在 1 1 2 组合机床与 自动化加工技术 第 2期 故障类型的定义一般是按照故障轻重缓急 及响 应故障的时间要求来定义的 通常我们将故障分为严 重故障 A l a r m 一般故 障 E r r o r 轻度故 障 Wa r n i n g 和信息记录 Me s s a g e L o g 这几种故障等级 以便 于在组织故障处理功能时采取相应的措施 严重故障 A l a r m 是可能产生严重后果的故障 包括设备损坏 危及人身安全 要求系统 即时响应或 立即停机 并向操作人员发出各种报警 如各种压力 保护 流程设备的闭锁 机床的刀具破损 碰撞等 为 了便于叙述 本文将这一故障等级称为 报警 一般 故障 E r r o r 可能对控制过程产生影响 采取 的措施 是将机床处于机床保持状态 等待排除故 障后才能继 续工作 否则将造成产 品质量问题和影响机床寿命 本文称之为 错误 轻度故障 Wa rni n g 不会立 即对 机床和生产造成影响 可以允许机床完成当前零件程 序段的执行而后机床进入机床保持状态 本文称之为 警告 在表中的每一个输出对于顺序中的每一步来说 都可能有两种状态 这里 1 表示 o n 而 0 表示 o 两个掩码包含了这些需要的状态 分别是 正 常状态下的输出 O U T G 和 机床保持状态下的输出 O U T S 在 顺 序 表 中显 示 的状 态 是 O U T G 的 状 态 并且它将根据顺序表 的输入条件 在正常时输出 另外一种输出是 O U T S 状态 在机床保持时顺序控制 输出 如果这个状态与 O U T G 表 中的不 同的话 在 表中就是通过标注 来表示的 通常 当要求输 出从 o 改变成 o n 的那些步 时 O U T S 状 态 是 不 同 于 O U T G 状 态 的 安 全 规 定 当机床保持时 所有部件应该停止运动 但是 也 有特例 例如 当施加机床保持时 如果一个机床防护 门已经开始打开 这时如果 门已经打开了 那么输出就 必须保持 o n 状态 使得 门继续保持开 门状态 而不 是输出 o f f 即不能由于防护 门关门而造成设备损坏 和人员伤害 2 顺序控制及故 障诊 断的程序设计 顺 序控 制程序 可 以采 用各种 程 序设计 方 法 常用 的有基于梯形图的起保停电路和锁存解锁电路等 但 是为了能够充分发挥数据操作的作用 建议使用语句 表编程方式 图4简述 了具备故障诊断的顺序控制流 程 从流程图中我们可以总结 出 顺序控制 中的故障 诊 断分 成两部分 第 一部分为循 环顺序 中各 步之 间输 入状态没有变化 的部分 凡是处于监控的输入状态 只要实际输入状态与输人条件不同 就是故障 通过 相关参数数据操作 可以建立起故障发生的所在步 哪 一 个输入 是输入缺失还是输入多出等故障信息 第 二部分是监控循环顺序的动态输人状态 这一部分的 核心就是使用了通用计时器 这个计时器对于那些各 步之间要改变状态的那些输入提供了一个最大时间限 制 当时间 到达 如果 这些 输 入状 态没 有 变化 到所 期 望的输入条件 I C O N 那么就生成故障 采用与第一 部分相同的方法可以建立起必要的故障信息 无论如 何 当故障发生时 顺序控制都会按照掩码数据 D A T A 所定义的故障等级做 出相应 的动作 除了最高级 等级的报警 A l a r