數(shù)控車床常見 PLC 控制系統(tǒng)故障診斷與維修
2024-5-16 來源：江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院淮安生物工程分院 作者：花春梅，陳福云
摘要：數(shù)控車床的控制越來越智能化，但是在實(shí)際工作過程中會遇到各種各樣的問題，其中，PLC 控制系統(tǒng)故障經(jīng)常出現(xiàn)。該文對數(shù)控車床 PLC 控制系統(tǒng)故障類型、診斷方法進(jìn)行總結(jié)，提出從故障現(xiàn)象、發(fā)生時間等方面分析 PLC 控制系統(tǒng)發(fā)生故障，從電源電壓和各個模塊的供電是否正常著手診斷 PLC 控制系統(tǒng)的硬件部分，通過對 PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行編程測試來發(fā)現(xiàn)軟件方面出現(xiàn)的故障。通過案例分析數(shù)控車床 PLC 控制系統(tǒng)故障檢測和維修過程。及時對 PLC 控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行全面分析和總結(jié)，根據(jù)問題出現(xiàn)的原因，有針對性地采取科學(xué)的措施來進(jìn)行處理，可以有效提高數(shù)控車床運(yùn)行效率。
關(guān)鍵詞：PLC 控制系統(tǒng)；故障；診斷；維修
0、引 言
數(shù)控車床的控制越來越智能化，在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。但在實(shí)際工作過程中，有很多用戶不知道如何檢查和處理機(jī)床出現(xiàn)的故障。在對數(shù)控車床的故障進(jìn)行維修的過程中，可能會遇到各種各樣的問題，比如說數(shù)控系統(tǒng)的問題、機(jī)械零件的問題等，其中，PLC 控制系統(tǒng)故障是經(jīng)常出現(xiàn)的，特別是在使用時間較長的情況下。PLC 控制系統(tǒng)是由 CPU、存儲器、輸入輸出接口模塊（I/O）等組成的，其主要功能是接收數(shù)控裝置發(fā)出的指令信息，按照指令要求對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行輸出，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動加工。可見，PLC 控制系統(tǒng)在數(shù)控車床中尤為重要。在數(shù)控車床出現(xiàn)故障時，如果不能及時有效地解決，可能會造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。本文對數(shù)控車床常見 PLC 控制系統(tǒng)故障診斷中的方法及步驟進(jìn)行分析，總結(jié)常見故障類型，并結(jié)合實(shí)際案例說明數(shù)控車床 PLC 控制系統(tǒng)故障診斷流程和維修方法。對于生產(chǎn)來說，對 PLC 控制系統(tǒng)故障做出快速準(zhǔn)確的判斷、診斷，對保證數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性、降低故障率、縮短維修時間和提高機(jī)床的使用率至關(guān)重要。
1、 數(shù)控車床 PLC 控制系統(tǒng)故障分類
PLC 控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，可從故障現(xiàn)象、發(fā)生時間等方面進(jìn)行分析，其故障類型如要有如下幾種：
（1）可根據(jù)系統(tǒng)功能模塊（SFC）與 PLC 的連接方式，將系統(tǒng)故障分為系統(tǒng) I/O 故障和軟件程序故障兩類。
（2）可根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)的變化，將系統(tǒng)故障分為正常狀態(tài)、不正常狀態(tài)和異常狀態(tài)三類。
（3） 可根據(jù)系統(tǒng)所處工作環(huán)境的溫度和濕度條件，將系統(tǒng)故障分為常溫狀態(tài)下的故障和高溫狀態(tài)下的故障。
（4）可根據(jù) PLC 硬件上電源連接方式的不同，將系統(tǒng)故障分為外部電源故障和內(nèi)部電源故障兩類。
（5）可根據(jù)系統(tǒng)電路中元器件數(shù)量多少，將系統(tǒng)故障分為元器件損壞型和元器件開路型兩類。
（6）可根據(jù)控制邏輯關(guān)系（包括輸入輸出）與 PLC連接方式的不同，將系統(tǒng)故障分為直接接觸式和間接接觸式兩類。
對于 PLC 控制系統(tǒng)發(fā)生的故障，簡單來說，可分為硬件和軟件兩種類型。硬件故障一般表現(xiàn)為系統(tǒng)死機(jī)、CPU 運(yùn)行不正常、電源故障等；軟件故障則主要表現(xiàn)為系統(tǒng)死機(jī)、程序出錯等。要想更好地處理 PLC控制系統(tǒng)發(fā)生的故障，就必須要做到對 PLC 控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障進(jìn)行全面分析和總結(jié)。
2、 PLC 控制系統(tǒng)故障診斷方法
對于PLC 控制系統(tǒng)的硬件部分，首先要注意的是電源電壓是否符合要求。其次，在檢查硬件方面時，還需要注意各個模塊是否存在供電不正常的情況，并在進(jìn)行故障檢測時要做好相應(yīng)的記錄，以便于日后進(jìn)行分析和解決。在檢查電源電路時，還需要注意確保電源的安全接地。針對軟件方面出現(xiàn)的故障，主要是通過對 PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行編程測試來發(fā)現(xiàn)問題。在進(jìn)行測試時，一般可采用數(shù)字萬用表或模擬萬用表等工具對 PLC 控制系統(tǒng)的輸入輸出接口模塊進(jìn)行檢測。此外，對于 PLC 控制系統(tǒng)中的輸入輸出模塊出現(xiàn)故障時，還可以通過對故障進(jìn)行直接測量來發(fā)現(xiàn)故障。
對于數(shù)控車床，可根據(jù)所發(fā)生的故障現(xiàn)象來確定可能存在的故障點(diǎn)。比如，數(shù)控車床在進(jìn)行加工時出現(xiàn)了卡盤不走車等現(xiàn)象。這時，可先檢查一下機(jī)床的位置編碼器是否正常，如果有問題，則可找出原因，如果沒有問題，則可能是控制系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。對于數(shù)控車床的控制系統(tǒng)故障來說，可先進(jìn)行手動操作，看一下數(shù)控車床能否正常地運(yùn)轉(zhuǎn)。如果數(shù)控車床能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)的話，說明控制系統(tǒng)沒有問題，如果不能運(yùn)轉(zhuǎn)或者無法啟動的話，則需要找出故障原因后再進(jìn)行維修。
3、PLC 控制系統(tǒng)的常見故障及原因分析
數(shù)控車床故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)為 PLC 控制系統(tǒng)發(fā)生故障。對 PLC 控制系統(tǒng)發(fā)生的故障進(jìn)行分析，一般可分為硬件故障和軟件故障兩種類型。對于硬件故障，主要是指 PLC 控制系統(tǒng)本身出現(xiàn)的問題，其原因通常是由元器件老化、損壞造成的。對于軟件故障，主要是指程序出現(xiàn)的問題。程序錯誤或程序沖突是導(dǎo)致軟件故障的主要原因，例如，由于軟件設(shè)計不當(dāng)造成PLC 控制系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)、死循環(huán)等現(xiàn)象。在數(shù)控車床的實(shí)際運(yùn)行過程中，可能會出現(xiàn)一些影響其正常運(yùn)行的其他因素，例如，溫度過高、電機(jī)過熱、機(jī)械磨損等都會對數(shù)控車床造成影響。另外，在對 PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行維修時，還可能會由于操作不當(dāng)或設(shè)備原因等造成系統(tǒng)死機(jī)、程序錯誤等現(xiàn)象。
3.1 PLC 輸入故障
（1）檢查 PLC 輸入故障時，應(yīng)首先檢查輸入信號的可靠性，其次檢查輸入信號的接線是否正確，特別是數(shù)字量輸入信號的接線，如圖 1 所示。輸入信號正常，但不能進(jìn)行邏輯運(yùn)算或模擬運(yùn)算時，則可能是該功能模塊內(nèi)部電路或外部電路出現(xiàn)故障；若輸入信號可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算或模擬運(yùn)算，但輸出值無變化時，則可能是該功能模塊出現(xiàn)故障。
圖 1 PLC 在數(shù)控機(jī)床中的配置方式
（2）檢查 PLC 輸出故障時，首先應(yīng)檢查輸出繼電器的狀態(tài)是否正常。若輸出繼電器無變化，則可能是該功能模塊內(nèi)部電路出現(xiàn)故障；若輸出繼電器有變化，則可能是該功能模塊外部電路出現(xiàn)故障。
（3）檢查 PLC 輸入信號是否與給定值相對應(yīng)。若發(fā)現(xiàn)給定值不相符時，應(yīng)先檢查 PLC 與輸入信號之間的連接情況，若發(fā)現(xiàn) PLC 與輸入信號之間沒有任何連接問題，則應(yīng)檢查 PLC 與外部電路之間的連接情況。
3.2 程序錯誤
程序錯誤是指數(shù)控車床在控制過程中由于設(shè)計或制造方面的原因造成了程序出錯，這也是最常見的PLC 故障之一，通常也會由硬件或軟件問題造成。硬件上的原因有：CPU 內(nèi)部的程序存儲器容量不夠；CPU 內(nèi)部程序存儲器中有錯誤代碼；CPU 的存儲單元損壞或數(shù)據(jù)線接觸不良。軟件上的原因有：輸入/輸出模塊程序錯誤；控制程序中的錯誤代碼、控制程序中的數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)不完整。
在出現(xiàn)程序錯誤時，可先采用軟復(fù)位功能來清除程序錯誤，再用 PLC 自診斷功能來檢查可能出現(xiàn)問題的地方。如確定 PLC 上無相應(yīng)控制元件或其參數(shù)設(shè)置錯誤，則應(yīng)檢查 PLC 輸入/輸出模塊是否有錯誤代碼或數(shù)據(jù)線接觸不良，同時還應(yīng)檢查是否有數(shù)據(jù)線不能正常工作或與其他設(shè)備通訊等故障。
在進(jìn)行上述檢查后，若仍無法解決問題，則可將PLC 從系統(tǒng)中隔離出來，然后重新進(jìn)行系統(tǒng)初始化。
3.3 硬件故障
數(shù)控車床內(nèi)裝型 PLC 形式如圖 2 所示，這類故障是由于系統(tǒng)硬件損壞而引起的，包括系統(tǒng)元件損壞、系統(tǒng)電源故障、系統(tǒng)電路邏輯關(guān)系異常等 3 種情況。
（1）元器件損壞型故障。處理方法：首先檢查硬件上是否存在短路、斷路、接地等問題，然后逐一進(jìn)行更換，即可解決。
圖2 數(shù)控車床內(nèi)裝型 PLC 形式
（2）系統(tǒng)電源故障。處理方法：首先檢查電源是否正常，若電源正常，則可根據(jù)邏輯關(guān)系檢查 I/O 的輸入輸出端是否有信號產(chǎn)生，若無信號產(chǎn)生，則應(yīng)檢查電源電路中的交流電源輸入端和直流電源輸出端是否有電壓產(chǎn)生，若無電壓產(chǎn)生，則應(yīng)檢查輸入輸出線是否存在短路、斷路或接地問題。然后逐一檢查 PLC的 I/O 點(diǎn)是否存在短路、斷路或接地問題。若無問題，則可進(jìn)入下一步工作。
（3）電路邏輯關(guān)系異常。電路邏輯關(guān)系異常是指系統(tǒng)在工作過程中，出現(xiàn)了異常的錯誤現(xiàn)象。這類故障原因復(fù)雜，出現(xiàn)的幾率較低，但也不能排除。對于這類故障，我們可采用如下方法處理：根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生異常的原因不同，可以用萬用表測試各元件的工作電壓是否正常，如有異常應(yīng)及時更換元件；對各元件進(jìn)行測試，判斷其工作電壓是否正常；如果確定是某些元件出現(xiàn)問題，可在正常情況下反復(fù)測試以找出故障點(diǎn)；如果是某個電路邏輯關(guān)系出現(xiàn)異常，應(yīng)對其進(jìn)行調(diào)整或更換；若故障依舊，則說明系統(tǒng)硬件電路上有短路、開路等故障存在，應(yīng)根據(jù)情況采取相應(yīng)措施排除故障。
4、數(shù)控車床 PLC 控制系統(tǒng)故障案例分析
在對數(shù)控車床進(jìn)行維修時，我們可以根據(jù)其控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行。數(shù)控車床控制系統(tǒng)的控制方式一般分為兩種，分別是集中控制和分散控制。集中控制方式一般用于具有一定規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)，而分散控制方式則適用于中小型企業(yè)。我們在維修數(shù)控車床時，要先對其進(jìn)行初步的檢測，然后再采取相應(yīng)的措施。這些問題如果不能及時解決，可能會對數(shù)控車床造成很大的影響和損失，所以我們要對數(shù)控車床出現(xiàn)故障時進(jìn)行及時有效地維修，盡量減少其影響和損失。
有一臺西門子數(shù)控車床，其控制程序（PLC）在維修時發(fā)現(xiàn)在開機(jī)時無顯示現(xiàn)象。停機(jī)后發(fā)現(xiàn)該機(jī)床顯示有：“I/O 錯誤”、“PLC 無效”等字樣，說明機(jī)床控制系統(tǒng)（PLC）已損壞。
在開機(jī)時，機(jī)床顯示有“I/O 錯誤”、“PLC 無效”等字樣，而機(jī)床沒有任何報警。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，機(jī)床的 I/O口一直處于接通狀態(tài)，且有許多外部信號在此控制下接通，并且這些外部信號一直在變化。經(jīng)分析認(rèn)為，這
是 PLC 程序中存在錯誤。該機(jī)床的 PLC 程序中存在一個循環(huán)條件為“I/O 錯誤”的語句，并且該語句是一個循環(huán)語句，即每輸入或輸出一條信息后，便有一個循環(huán)條件來判斷是否執(zhí)行下一條信息。對于這種循環(huán)條件語句，在實(shí)際應(yīng)用中很少出現(xiàn)這種情況，PLC 程序中并沒有對這種情況進(jìn)行說明，在實(shí)際應(yīng)用中可能有多種原因會導(dǎo)致該語句的出現(xiàn)。筆者認(rèn)為存在如下問題。
4.1 機(jī)床 I/O 口與 PLC 之間的接線方式
數(shù)控機(jī)床 I/O 口與 PLC 之間的接線方式主要有三種：并聯(lián)方式、串聯(lián)方式、并聯(lián)與串聯(lián)混合方式。并聯(lián)方式是指 PLC 與 I/O 口直接連接，這種連接方式的優(yōu)點(diǎn)是 I/O 口的連接非常方便，但它的缺點(diǎn)是當(dāng) PLC有故障時，機(jī)床不能進(jìn)行正常操作；串聯(lián)方式是指PLC 與 I/O 口先通過中間繼電器進(jìn)行連接，再經(jīng)過中間繼電器再與機(jī)床的 I/O 口連接，這種接線方式的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng) PLC 故障時，機(jī)床可以進(jìn)行正常操作，但其缺點(diǎn)是當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)故障時，數(shù)控系統(tǒng)無法進(jìn)行正常操作。并聯(lián)方式與串聯(lián)方式相比，由于 I/O 口的連接非常方便，因此并聯(lián)方式比串聯(lián)方式更可靠。對于并聯(lián)與串聯(lián)混合的接線方式來說，當(dāng) PLC 出現(xiàn)故障時，機(jī)床可以直接進(jìn)行操作。
4.2 機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的變化
機(jī)床加工工件時，刀具對工件的切削或輔助系統(tǒng)對工件的支撐或夾緊等作用使機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化。當(dāng)出現(xiàn)上述情況時，可以通過以下方法進(jìn)行處理：
（1）檢查所使用的 PLC 程序是否有上述問題；
（2）檢查機(jī)床各運(yùn)動部件是否有異常現(xiàn)象；
（3）檢查 I/O 口是否正常；
（4）檢查各外部信號是否正常，如各種傳感器信號、伺服信號等是否有異常現(xiàn)象；
（5）檢查機(jī)床控制系統(tǒng)是否有異常現(xiàn)象，如電源、機(jī)械等故障。
4.3 機(jī)床輸入信號的變化
機(jī)床的輸入信號由機(jī)械和電氣兩部分組成。電氣部分主要由各種輸入信號、各種輸出信號以及它們之間的公共點(diǎn)構(gòu)成，這些信號有電壓、電流、熱效應(yīng)等。在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計中，除了要考慮到機(jī)床本身的加工能力外，還要考慮到數(shù)控系統(tǒng)所能接受的最大輸入信號。在 PLC 程序設(shè)計中，對輸入信號的處理通常采用變換函數(shù)或轉(zhuǎn)換矩陣的方法來實(shí)現(xiàn)。
對于輸入信號變化引起的 PLC 程序錯誤，主要表現(xiàn)為：當(dāng)某一輸入信號發(fā)生變化時，會使輸出端對應(yīng)的輸出狀態(tài)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致程序中出現(xiàn)“I/O 錯誤”“PLC 無效”等語句。解決此類問題時可以采用以下方法：一是改變機(jī)床輸入信號（如更換 PLC 型號、輸入信號類型等）；二是修改 PLC 程序。
對 PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行維修時要注意以下幾點(diǎn)：
（1）對可編程控制器進(jìn)行檢查，主要是檢查其輸入/輸出端是否存在短路問題。
（2）檢查可編程控制器的電源電壓是否正常。
（3）在對可編程控制器進(jìn)行檢測時，要注意檢測其是否存在故障。
（4）在對可編程控制器進(jìn)行檢查時，要注意觀察PLC 的內(nèi)部接線是否正確。
（5）對可編程控制器進(jìn)行檢測時，要注意檢查其輸入/輸出端子之間的連線是否正確。
5、結(jié) 語
在 PLC 控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，一定要做到不盲目檢修，要根據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理以及電氣線路的分布情況，從軟件和硬件兩個方面，及時對 PLC 控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行全面分析和總結(jié)，然后根據(jù)問題出現(xiàn)的原因，有針對性地采取科學(xué)的措施來進(jìn)行處理。數(shù)控車床 PLC 控制系統(tǒng)常見故障，通過采取有效措施處理 PLC 控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題后，就可以減少機(jī)床運(yùn)行過程中產(chǎn)生的故障率，有效提高數(shù)控車床運(yùn)行效率。
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