数控机床PLC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 116620；2.博世力士乐中国，辽宁大连 116011）

数控机床PLC的顺序控制及故障诊断方法

刘永强1，谭劲松2

（1.大连机床集团有限责任公司，辽宁大连 116620；2.博世力士乐中国，辽宁大连 116011）

顺序控制是一种先进的PLC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。

逻辑控制；顺序控制；故障诊断

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［1］。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（PLC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［2］。

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［3］。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［4］。

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（STAT）、循环步号（STEP）、循环通用计时器（GENT）、循环特殊计时器（SPET）、循环所用的掩码数据（DADA）。

顺序状态（STAT）：包括有启动（Initiate）、终止（Terminate）、禁止诊断（Diagnostics）、重新计时（Retime）、循环使能（Enable）、循环待机（Passive）、警告（Alarm）、错误（Error）和报警（Warning），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（STEP）：它记录了一个循环现行步号。

通用计时器（GTIM）：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入条件，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（STIM）：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入下一步的条件。

掩码数据（DATA）：掩码数据包括有每一步需要的输入条件（ICON）、每一步需要检查的输入掩码（INMA）、每一步正常情况时所要发出的输出（OUTG）、每一步在机床保持时要发出的输出（OUTS）、每一步会引起报警的输入（ALRM）、每一步会引起错误的输入（EROR）和每一步会引起警告的输入（WARN）。

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。

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（Passive），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（Initiate），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（00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01步的输入条件，循环顺序步入01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入，其监控和故障诊断原理和00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02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09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。

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16位的顺序控制。它可以管理16个输入位和16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。在进入顺序控制或者通过调用子程序方式之前，将实际输入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16个输入而下半部分是由顺序控制器生成的16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“on”或者“off”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（INMA）”和“输入条件掩码（ICON）”。“INMA”是确定要监控还是不监控，而“ICON”是确定所需要的输入状态是“on”还是“off”。

在表中是通过“1”来表示所需要的状态是“on”，而通过“0”来表示所需要的状态是“off”。如果一个输入不需要监控的话，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ALRM”、“错误EROR”和“警告WARN”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。

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（Alarm）、一般故障（Error）、轻度故障（Warning）和信息记录（Message Log）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［2］。

严重故障（Alarm）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（Error）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（Warning）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“on”而“0”表示“off”。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（OUTG）”和“机床保持状态下的输出（OUTS）”。在顺序表中显示的状态是“OUTG”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“OUTS”状态，在机床保持时顺序控制输出。如果这个状态与“OUTG”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“off”改变成“on”的那些步时，“OUTS”状态是不同于“OUTG”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“on”状态，使得门继续保持开门状态，而不是输出“off”，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入条件不同，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入状态。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（ICON），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（DATA）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（Alarm）需要关机外，在出现错误（Error）和警告（Warning）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。

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

［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，2008（6）：62-64.

［2］王海，巩亚东，王宛山.基于PLC的故障诊断及处理［J］.组合机床与自动化加工技术，2006（2）：66-68.

［3］韩朝晖.基于顺序控制的流程实现方法［J］.工矿自动化2006（5）：88-89.

［4］肖丽仙.顺序控制设计法在PLC设计中的应用［J］.自动化技术与应用2013，32（2）：42-45.

（编辑 赵蓉）

Sequence Control and Fault Diagnosis of CNC Machine Tool

LIU Yong-qiang1，TAN Jin-song2
（1.Dalian Machine Tool Group Co.，Ltd.，Dalian Liaoning 116620，China；2.Bosch Rexroth China，Dalian Liaoning 116011，China）

Sequence control is an advanced PLC programming methods.The fault diagnostics performed in the sequence control is an effective diagnostic way for the diagnostics of machine tool logical.By the sequence number（step number）of the sequence control can know the details operation of machine tool in each sequence step and the required conditions for this operation.If the input conditions have not reached its required state within the time limit or some of them change unexpectedly in any time then a fault is generated.But the faults maybe come from the input conditions or the actuators.Paper describes the mechanism of fault diagnosis based on the sequence control and describes programming methods in PLC.

logic control；sequence control；fault diagnostics

TH165；TG659

A

1001-2265（2015）02-0110-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.031

2014-12-08；

2014-12-28

刘永强（1969—），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-mail）lyq@dmtg.com。