数控机床PLC的顺序控制及故障诊断方法.pdf

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 sl 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 41 20 8 修 回日期 2 0 1 41 22 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 m 需要关机外 ， 在 出现错误 E r r o r 和警告 Wa r n i n g 时， 循序顺序都会停止在当前步 ， 直 到故障排除而再次启动。 只有当循环顺序没有故障时， 同时在没有其它循 环顺序状态参数约束而实际输入满足了下一步的输入 条件时 ， 循环顺序才可以步入下一步。 根据步号从参数I N M A il I C O N 中取 出现行步和下一步的掩码 ，计算出 不变的监控条件下不变输入条件 不变的输入条件与实际输入比较操 星 通 用计 时 器计时 到 二 ] 否 孺 修 改步号t - r _ 故障 处理 图 4 顺 序 控 制及 故 障诊 断流 程 3 结束语 大部分数控机床逻辑控制程序的设计都是将动作 控制和故障诊断分开来设计 ， 更有很多机床逻辑控制 设计人员不注重故障诊断程序的设计。数控机床的 自 动化程度高， 一旦发生故障， 检测和维修都 比较 困难 ， 因此 在数控机床 开发 之初 ， 就 应该 充分 考 虑故 障诊 断 的问题， 开发出较好的机床逻辑级的故障诊断程序 ， 以 避免给用户带来经济损失和对机床厂商带来的负面影 响。具有故障诊断的顺序控制既可以满足机床逻辑控 制的要求 ， 又能够很好的实现机床故障的实时诊断， 是 一 种数控机床逻辑控制设计值得推荐的方案 [ 参考文献] [ 1 ]卢庆林 ， 贺天怀．数控 机床 的 自诊断 功能 与冷却 子系统 的故障诊断[ J ] ． 组合机 床与 自动化加 工技术 ， 2 0 0 8 6 6 2 6 4． [ 2 ]王海， 巩亚东， 王宛山．基于 P L C的故障诊断及处理[ J ] ． 组合机床与自动化加工技术， 2 0 0 6 2 6 66 8 ． [ 3 ]韩朝晖． 基于顺序控制的流程实现方法 [ J ] ． 工矿自动化 2 0 0 6 5 8 88 9 ． [ 4 ]肖丽仙． 顺序控制设计法在 P L C设计中的应用[ J ] ． 自动 化技术与应用 2 0 1 3 ， 3 2 2 4 2 4 5 ． 编辑赵蓉