楊紅兵 閆宮君

摘??要：PLC全稱為可編程邏輯控制器（Programmable?Logic?Controller），是一種專門用于控制工業(yè)自動化系統(tǒng)的電子設(shè)備。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，PLC技術(shù)以其高度的靈活性和可靠性，成為機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的核心技術(shù)。它能實現(xiàn)對機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化，提升機(jī)床運行穩(wěn)定性與響應(yīng)速度，減少維護(hù)成本，同時增加系統(tǒng)的可編程性，使其能更好地適應(yīng)多樣化和個性化的生產(chǎn)需求。因此，基于PLC技術(shù)的機(jī)床電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化不僅能夠推動制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，還能為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù)???機(jī)床電氣控制???性能優(yōu)化???性能評估

中圖分類號：TG659

Research?on?the?Optimization?of?the?Electrical?Control?System?of?Machine?Tools?Based?on?PLC?Technology

YANG?Hongbing??YAN?Gongjun

（Gansu?Institute?of?Mechanical?&?Electrical?Engineering，Tianshui，??Gansu?Province，?741000?China）

Abstract：?PLC?stands?for?Programmable?Logic?Controller，?and?it?is?an?electronic?device?that?is?specially?used?to?control?industrial?automation?systems.?With?the?development?of?industrial?automation，?PLC?technology?has?become?the?core?technology?of?the?electrical?control?system?of?machine?tools?due?to?its?high?flexibility?and?reliability，?which?can?optimize?the?electrical?control?system?of?machine?tools，?improve?the?operation?stability?and?response?speed?of?machine?tools，?reduce?maintenance?costs，?and?increase?the?programmability?of?the?system，?enabling?it?to?better?adapt?to?diverse?and?personalized?production?needs.?Therefore，?optimizing?the?electrical?control?system?of?machine?tools?based?on?PLC?technology?can?not?only?promote?technological?progress?in?the?manufacturing?industry，?but?also?create?greater?economic?benefits?for?enterprises.

Key?Words：?PLC?technology;?Electrical?control?of?machine?tools;?Performance?optimization;?Performance?evaluation

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)床在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要角色。機(jī)床電氣控制系統(tǒng)作為機(jī)床的核心組成部分，對機(jī)床的性能和穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。然而，傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)仍存在問題，如響應(yīng)速度慢、可靠性差、難以實現(xiàn)復(fù)雜的控制策略等。因此，為了滿足現(xiàn)代制造業(yè)對機(jī)床性能和質(zhì)量的要求，對機(jī)床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究勢在必行。

1?PLC技術(shù)在機(jī)床電氣控制中的應(yīng)用

可編程邏輯控制器（Programmable?Logic?Controller?，PLC）技術(shù)在機(jī)床電氣控制中被廣泛應(yīng)用。首先，PLC技術(shù)可以對機(jī)床工作過程進(jìn)行實時控制。它能接收各種傳感器的輸入信號，如溫度、壓力等，根據(jù)信號進(jìn)行實時邏輯判斷，輸出相應(yīng)控制指令，降低了因人為操作失誤而產(chǎn)生的風(fēng)險。

其次，它可以對主軸、進(jìn)給軸和伺服系統(tǒng)等多運動部件進(jìn)行精確控制，通過預(yù)設(shè)程序控制部件運動參數(shù)、模式切換及軌跡控制，以此實現(xiàn)復(fù)雜加工任務(wù)。

進(jìn)而，實現(xiàn)進(jìn)給控制。機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)涵蓋進(jìn)給速度、位置和方向等內(nèi)容，能通過PLC進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，使機(jī)床能根據(jù)不同工件特點與加工需求，調(diào)整進(jìn)給參數(shù)，滿足多樣化生產(chǎn)需求，具體如圖1所示。

2??基于PLC技術(shù)的機(jī)床電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化方法

2.1??硬件優(yōu)化

2.1.1??采用高性能的PLC控制器

為提高機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的性能，需選擇高性能PLC控制器，其核心優(yōu)勢在于顯著運算能力與大額存儲空間。具體來說，控制器能以高速處理復(fù)雜數(shù)據(jù)，實現(xiàn)精密機(jī)械加工與機(jī)床高速運轉(zhuǎn)，較大存儲空間使PLC控制器能存儲更多程序與指令，讓機(jī)床實現(xiàn)事半功倍。高性能PLC控制器還支持更多輸入輸出點位，使得機(jī)床能連接更多傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，傳感器的廣泛應(yīng)用使得機(jī)床能夠?qū)崟r監(jiān)測各種工作參數(shù)，如溫度、壓力、位移等，確保加工過程精準(zhǔn)度和安全性，意味著機(jī)床能實現(xiàn)復(fù)雜自動化操作，提高生產(chǎn)效率，降低人工成本。

2.1.2??優(yōu)化輸入輸出模塊

輸入輸出模塊是機(jī)床電氣控制系統(tǒng)與外部設(shè)備之間溝通的橋梁，其性能直接影響到系統(tǒng)運行效率與可靠性。為提高機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的整體性能，需針對輸入輸出模塊進(jìn)行優(yōu)化，此過程中可采取以下幾種策略：首先，選擇高速響應(yīng)的輸入輸出模塊，以高響應(yīng)來大幅減少傳感器至控制系統(tǒng)的信號傳輸延遲，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，提升整體生產(chǎn)安全性；其次，增加輸入輸出模塊數(shù)量與種類，不同機(jī)床電氣控制系統(tǒng)需要連接多種不同設(shè)備，因此，多樣化輸入輸出模塊能更好滿足設(shè)備連接需求，保留物理接口種類，通信協(xié)議種類等，確保系統(tǒng)與各種設(shè)備的兼容性；最后，配置合適的輸入輸出接口，合適的接口能減少電磁干擾，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。因此在設(shè)計輸入輸出接口時，需要考慮電磁干擾、接口的物理位置，以及電纜的布局等因素，確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和長期可靠性[2]。

2.1.3?設(shè)計可靠的電源系統(tǒng)

機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行能夠保證機(jī)床的精確加工和高效生產(chǎn)，其中電源供應(yīng)穩(wěn)定性起著核心作用。在設(shè)計和優(yōu)化機(jī)床電氣控制系統(tǒng)時，相關(guān)人員應(yīng)考慮電源穩(wěn)定性對提高機(jī)床性能的影響，并利用電源的穩(wěn)態(tài)降低因電源問題導(dǎo)致的故障率。對此，應(yīng)當(dāng)選擇高質(zhì)量的電源模塊，避免因電壓波動和電流過載對機(jī)床電氣控制系統(tǒng)造成損害。在此基礎(chǔ)上，添加電源濾波器和穩(wěn)壓器，這能有效減少電源線路中的電磁干擾與噪聲。同時，還需使用電源自動切換機(jī)制，應(yīng)對突發(fā)電源故障，保證機(jī)床在主電源故障時仍能繼續(xù)運行，避免因突然停機(jī)導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷。

2.2??軟件優(yōu)化

2.2.1??采用高效的編程語言

選擇合適且高效的編程語言能確保機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的性能和開發(fā)效率至關(guān)重要，機(jī)床電氣控制系統(tǒng)作為現(xiàn)代制造業(yè)中核心組成部分，其性能影響著生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。因此，編程語言選擇不僅關(guān)乎程序?qū)崿F(xiàn)，更涉及生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定性。眾多編程語言中，梯形圖、結(jié)構(gòu)化文本和功能塊圖等是最常用于機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的編程語言。梯形圖以其直觀的邏輯結(jié)構(gòu)和易于理解的布局，特別適用于邏輯控制和簡單的自動化任務(wù)；結(jié)構(gòu)化文本則類似于傳統(tǒng)的高級編程語言，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和靈活的編程結(jié)構(gòu)，適合于處理復(fù)雜的算法和邏輯；功能模塊圖則通過預(yù)定義的功能模塊來簡化編程過程，適合于模塊化設(shè)計和快速開發(fā)[3]。

在選擇編程語言時，應(yīng)考慮系統(tǒng)的具體應(yīng)用需求，如控制精度、處理速度和系統(tǒng)復(fù)雜度等。例如：在需要高速數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜算法支持的場合，結(jié)構(gòu)化文本可能是更佳的選擇；而在進(jìn)行簡單的邏輯控制時，工作人員應(yīng)當(dāng)意識到梯形圖則可能更為合適。此外，合理地利用所選編程語言的特性進(jìn)行程序設(shè)計，如有效地使用結(jié)構(gòu)化文本的算法處理能力或梯形圖的邏輯控制優(yōu)勢，這對提升系統(tǒng)整體性能與開發(fā)效率有較強(qiáng)的現(xiàn)實意義。

2.2.2??優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)

優(yōu)化機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)能提升其整體性能，此過程主要涉及提高代碼的可讀性和維護(hù)性，核心在于通過合理的模塊化設(shè)計，清晰地劃分功能模塊、函數(shù)和子程序。模塊化設(shè)計有助于減少代碼復(fù)雜性，并能有效提高后期維護(hù)和升級的效率。此外，注釋和標(biāo)識符命名的規(guī)范化同樣重要，它們?yōu)榇a的可理解性提供了直觀的支持，尤其是在團(tuán)隊合作開發(fā)中，規(guī)范化命名與充足的注釋能夠使不同的開發(fā)者迅速理解代碼意圖和結(jié)構(gòu)，從而降低溝通成本。在編程實踐中，應(yīng)當(dāng)特別注意避免冗余和重復(fù)的代碼，這會造成資源浪費，進(jìn)而導(dǎo)致程序運行效率的降低和潛在的錯誤。有效地避免此問題的方法之一是通過封裝重復(fù)使用的代碼段為函數(shù)或子程序，在提升代碼重用性的同時，也能增強(qiáng)程序可擴(kuò)展性，確保程序結(jié)構(gòu)合理性與高效性，這是提升機(jī)床電氣控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在[4]。

2.2.3??引入自動診斷和故障處理功能

在現(xiàn)代制造業(yè)中，機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的性能直接影響到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，優(yōu)化這一系統(tǒng)，尤其是其可靠性和可維護(hù)性，成為提升整體工作效率的關(guān)鍵。通過引入自動診斷和故障處理功能，不僅可以實時監(jiān)測機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，還能有效檢測和預(yù)防潛在故障，從而顯著提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

利用程序邏輯控制器（PLC）的自動診斷功能，可以對系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，如電流、電壓、溫度等，以此來及時發(fā)現(xiàn)異常。一旦檢測到潛在故障，系統(tǒng)將自動啟動預(yù)設(shè)的故障處理程序，這些程序能夠快速準(zhǔn)確地定位問題所在，并采取相應(yīng)措施，如調(diào)整控制參數(shù)或啟動緊急停機(jī)程序，以避免損害的擴(kuò)大。

此外，這種優(yōu)化還包括了對系統(tǒng)維護(hù)策略的改進(jìn)。通過記錄和分析故障數(shù)據(jù)，維護(hù)人員可以更有效地進(jìn)行故障診斷和維修工作，從而減少了系統(tǒng)的停機(jī)時間，提高了生產(chǎn)效率。同時，系統(tǒng)的這種自我診斷和修復(fù)能力，也降低了對高級技術(shù)人員的依賴，減少了運營成本。

2.3??網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

2.3.1??使用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)通信

工業(yè)以太網(wǎng)是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，能滿足工業(yè)環(huán)境中對高速度與高可靠性的嚴(yán)格要求。它支持高速數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)工業(yè)通信協(xié)議，使數(shù)據(jù)能在極短時間內(nèi)被處理，以此顯著提升機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和處理能力。同時，工業(yè)以太網(wǎng)支持遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，讓操作員能實時監(jiān)控和控制機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，即使遠(yuǎn)離設(shè)備情況下也能進(jìn)行管理，增強(qiáng)了系統(tǒng)靈活性，為設(shè)備運維能提供便利，提高系統(tǒng)的運行效率。

2.3.2??配置可靠的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在現(xiàn)代機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理配置能有效提高網(wǎng)絡(luò)性能與系統(tǒng)可靠性：（1）通過采用冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能有效避免由單點故障引起的系統(tǒng)中斷，即使部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點出現(xiàn)問題，系統(tǒng)依然能保持正常運行，提升了容錯能力；（2）網(wǎng)絡(luò)隔離技術(shù)能保證網(wǎng)絡(luò)安全性，能有效隔離潛在干擾源，確?？刂葡到y(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸在安全可靠環(huán)境中進(jìn)行。上述技術(shù)的綜合應(yīng)用，不僅提高了機(jī)床電氣控制系統(tǒng)整體性能，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對保障高效、精準(zhǔn)的機(jī)床操作具有極強(qiáng)現(xiàn)實意義。

2.3.3??引入遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)功能

引入遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)功能，能實現(xiàn)對機(jī)床電氣控制系統(tǒng)高效、精準(zhǔn)的遠(yuǎn)程管理與故障診斷。就遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件與設(shè)備運用而言，這能實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)實時監(jiān)測，意味著系統(tǒng)異常的發(fā)現(xiàn)具備實時性，以此支持高效收集關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)長期優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。例如：通過分析長期數(shù)據(jù)，能夠預(yù)測潛在的故障和性能下降，實現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)，從而延長設(shè)備的使用壽命。遠(yuǎn)程故障診斷機(jī)制也大幅提升了維護(hù)效率。在傳統(tǒng)模式下，維護(hù)工作往往需要技術(shù)人員現(xiàn)場出勤，診斷和解決問題，但遠(yuǎn)程監(jiān)控與維護(hù)功能的引入，使技術(shù)人員能在遠(yuǎn)程即可了解問題所在，并迅速制訂解決方案，甚至在很多情況下能直接遠(yuǎn)程解決問題，大幅節(jié)約時間成本[5]。

3??實際應(yīng)用案例

PLC技術(shù)在機(jī)床電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化應(yīng)用案例可以參照DMC公司為其客戶開發(fā)的繃帶張緊切割機(jī)器。案例中，DMC公司與機(jī)械設(shè)計客戶合作，使用了Siemens?S7-1200?PLC（可編程邏輯控制器）和SIMATIC?HMI（人機(jī)界面）來開發(fā)這個切割機(jī)器。S7-1200?PLC提供速度與扭矩調(diào)節(jié)給S210驅(qū)動器，以確?？噹н_(dá)到適當(dāng)張力，且應(yīng)用適當(dāng)扭矩時，PLC還負(fù)責(zé)檢查壓力與傳感器狀態(tài)，顯著提高了應(yīng)用質(zhì)量與一致性。同時，HMI還提供了工具實時數(shù)據(jù)，以繃帶循環(huán)日志與可視化質(zhì)量控制，對每次張緊和切割周期中的壓力、扭矩、速度和傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)監(jiān)測。數(shù)據(jù)隨后被HMI寫入SD卡上的CSV文件中，在最新日志中以XY圖形式顯示，任何日志都可以下載到USB設(shè)備上。

客戶從應(yīng)用中獲得機(jī)器操作更加簡便、質(zhì)量控制得到改進(jìn)以及操作的一致性提高等好處。其中，起到?jīng)Q定性作用的核心技術(shù)是Siemens?S7-1200?PLC、SIMATIC?HMI移動面板、S210驅(qū)動器和Siemens?1FK2伺服電機(jī)。此案例說明了PLC技術(shù)在機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中能具備的應(yīng)用價值，并詳細(xì)闡述了如何通過先進(jìn)控制提升操作效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

4??結(jié)語

本研究通過對基于PLC技術(shù)的機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化方法進(jìn)行研究，提出優(yōu)化編程設(shè)計、優(yōu)化信號處理和優(yōu)化通信與聯(lián)網(wǎng)等方面的解決方案。通過這些優(yōu)化措施，可以提高機(jī)床的工作效率和穩(wěn)定性，促進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展。未來的研究可以進(jìn)一步探索PLC技術(shù)在機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及與其他智能制造技術(shù)的結(jié)合，進(jìn)一步提高機(jī)床的自動化水平和智能化程度。

參考文獻(xiàn)

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