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數控車床常見 PLC 控製係統故障診斷與維修

2024-5-16 來源：江蘇（sū）聯合職業技術學院淮安生（shēng）物（wù）工程分院作者：花春梅，陳福雲

摘要：數控車床的控製越（yuè）來越智能化，但是在實際工作過程中會（huì）遇到各（gè）種各樣（yàng）的問題，其中，PLC 控製係統故障經常出現。該文對數控車床 PLC 控製係統故障類型、診斷方法進行總（zǒng）結（jié），提出從故障現象、發（fā）生時間等方麵分析 PLC 控製係統發生故障，從電源電壓和各個（gè）模（mó）塊的供（gòng）電是否正（zhèng）常（cháng）著手診斷 PLC 控（kòng）製（zhì）係統的硬件部分，通過對 PLC 控製係（xì）統進行編程測試來發現軟件方麵出現的故障。通過案例分析數控車床 PLC 控製係統故障檢測和維修過程。及時對 PLC 控製係統中出現的問題進行全麵分（fèn）析和總結（jié），根據問題出現的原因，有針（zhēn）對性地（dì）采取（qǔ）科學的措施來進（jìn）行處理，可以有效提高數控車（chē）床運（yùn）行效率。

關鍵詞：PLC 控製係統；故障；診斷（duàn）；維修

0、引言

數控車床的控製越來越智能化，在機械（xiè）製（zhì）造領域的應用越來越廣泛。但在實際（jì）工作過程中，有很多用戶不知（zhī）道如何檢（jiǎn）查和處理機床出現的故障。在對（duì）數控車床的故障進行維修的過程（chéng）中，可能會遇到各種各樣的問題，比如說數控係統的問題、機械零件的（de）問題等，其（qí）中，PLC 控製係統故障是經常出現的，特別是在使用（yòng）時間較（jiào）長的情況下。PLC 控製（zhì）係統是由 CPU、存儲器（qì）、輸入輸出接口模塊（I/O）等組成（chéng）的，其主要功能是接收數控裝置發出的指（zhǐ）令信息，按照指令（lìng）要求對輸入（rù）的數據進（jìn）行處理，並對執行結果進行輸出，從而實現機床的自動加工（gōng）。可見（jiàn），PLC 控製係統（tǒng）在數控（kòng）車床中尤為重要。在數控車床出現故障時，如果不能及時有效地解決，可能會造成很大（dà）的經濟損失。本文對數控車床常見 PLC 控製係統故障診斷中的（de）方法及步驟進行分析，總結常見故障類型，並結合實際案例（lì）說明數（shù）控車床 PLC 控製係統故障（zhàng）診（zhěn）斷流程和維修方法。對於生產來（lái）說，對 PLC 控製係統故障做出快速準確的判斷（duàn）、診斷（duàn），對保證數控（kòng）機床的穩定性、降低故障率、縮（suō）短維修時間和提（tí）高（gāo）機床的使用率至關（guān）重要。

1、數控車床 PLC 控製（zhì）係統故障分類

PLC 控製係統發生故障時，可從故障現象、發生時間等方麵進行分（fèn）析，其故障類型如（rú）要有（yǒu）如下幾種：

（1）可根（gēn）據係統功能模塊（SFC）與 PLC 的連接方式，將（jiāng）係統故障分（fèn）為係統 I/O 故障和軟件程序故障兩類。

（2）可根據係統工作（zuò）狀態的變（biàn）化，將係統故障分為正常狀（zhuàng）態、不正（zhèng）常（cháng）狀態和異常狀態三類。

（3）可根據係統所處工作環境（jìng）的溫度和濕度條件，將係統故障分為常溫狀（zhuàng）態（tài）下的故障和（hé）高溫狀態下的故障（zhàng）。

（4）可根據 PLC 硬件上電源連接方式的不同，將係統故障分為外部電（diàn）源故障和內部電源故（gù）障兩類（lèi）。

（5）可根據係統電（diàn）路中（zhōng）元器件數量多少，將係統故障分為元器件損壞型和元器件開路型兩類。

（6）可根據控製邏輯關係（包括輸入輸出）與（yǔ） PLC連接方式的不同（tóng），將係統故障分為直接（jiē）接觸式和間接接觸式兩類。

對於 PLC 控製（zhì）係統發生（shēng）的故障，簡單（dān）來說（shuō），可分為硬件和軟件兩種類型。硬件（jiàn）故障一（yī）般表現為係統死機（jī）、CPU 運行不正常、電源故障等；軟（ruǎn）件故障則主要表現為係統死機（jī）、程序出錯等。要想更好地處（chù）理 PLC控製係統發生的故障，就（jiù）必（bì）須要（yào）做到對 PLC 控製係（xì）統出現故障進行全（quán）麵分析和總結。

2、 PLC 控製係統故障診斷方法

對於PLC 控製係統的硬件部分，首先要注意的是電源電壓是否符合（hé）要求。其次，在檢查硬件（jiàn）方麵時，還需要注意各個模塊是否存在供電不（bú）正（zhèng）常（cháng）的情況，並在進（jìn）行故障檢測（cè）時要做好相應的記錄，以便於日後進行分析和解決（jué）。在（zài）檢查電（diàn）源電路時（shí），還需要注意確保（bǎo）電源的安（ān）全接（jiē）地。針對軟件方麵出現的故障，主（zhǔ）要是通過對 PLC 控（kòng）製係統進行編程測試（shì）來發現問題。在進行測試時，一般可采用（yòng）數字萬用表或模擬萬用表等工具（jù）對 PLC 控製係統的輸入輸出接口模塊進行檢測。此外，對於 PLC 控製係統中的輸（shū）入輸出模塊出現故障時，還（hái）可以（yǐ）通過對故障進行直接測量來發現（xiàn）故障。

對於數控車床，可根據所發生的故障現（xiàn）象來確定可能存在的故障點。比如，數控車床在進行加工時出現了卡盤不走車等現象。這時，可先檢查一下機床的位置編碼器是（shì）否正常，如（rú）果有問題（tí），則可找出原因，如果沒有問題，則可（kě）能是控製（zhì）係（xì）統出現了故障。對於數控車床的控製係統故（gù）障（zhàng）來說，可先進行手動操（cāo）作，看一下數（shù）控車床能否正常地（dì）運轉。如果數控車床能夠正常運轉的話，說明控製係（xì）統沒有（yǒu）問（wèn）題，如果不能運轉或者無法啟動的話，則需要找出故障原因後再進行（háng）維（wéi）修（xiū）。

3、PLC 控製係統的常見故障及原因分析

數控車床（chuáng）故障現（xiàn）象（xiàng）主要表現為 PLC 控製係統發生故障。對 PLC 控製係（xì）統發生的故障進行（háng）分析，一般可分為硬件（jiàn）故障和軟件故障兩種類型。對（duì）於硬件故障，主要（yào）是指 PLC 控製（zhì）係統本身出現的問（wèn）題，其原因通（tōng）常是由元器（qì）件老化、損壞造成的。對於軟（ruǎn）件故障，主要是指程序出現的問（wèn）題。程序錯誤或程序衝突是導致軟件故障的主要原因，例如，由於軟件設計不（bú）當造成PLC 控製係統出現死機、死循環等現象。在數控車床的實際運行過程中（zhōng），可能會出現（xiàn）一些影響其正常運行的其他因素，例如，溫度過高、電機過熱（rè）、機械磨（mó）損等都會對數控車床造成影響。另外，在對 PLC 控（kòng）製係統（tǒng）進行維（wéi）修時，還可能會由於操作（zuò）不當或設備原因等（děng）造成係統死機、程序錯誤等現象。

3.1 PLC 輸入故障

（1）檢查 PLC 輸（shū）入故障時，應首先檢查輸入信號的可靠性，其次檢查（chá）輸入信號的接線（xiàn）是否正確，特別（bié）是數字量輸入信號的接線，如圖 1 所示。輸入信號正常，但不能進行邏輯運算或模（mó）擬運算時，則可能是該（gāi）功能模塊內部電路或外部（bù）電路出現（xiàn）故障；若輸入信號可以進行邏輯運算或模擬運算，但輸出值無變化時，則可能是該功能模塊出現故障（zhàng）。

圖 1 PLC 在數控機床中的配置方式

（2）檢查 PLC 輸出故障時，首先（xiān）應檢查輸出繼電器的狀態是否正常。若輸出繼（jì）電器無變（biàn）化，則可能是該功能模塊內部電路出現故障；若輸出繼電器有（yǒu）變化，則可能是該功（gōng）能模塊外部電路出現故障。

（3）檢查（chá） PLC 輸入信號（hào）是否與給定值相對應。若發現給定值不相符時，應先檢查 PLC 與輸入信（xìn）號之間的（de）連接情況，若發現 PLC 與輸入信（xìn）號之間沒有任何（hé）連接問題，則應檢查 PLC 與外（wài）部電路之間的連接情況。

3.2 程序錯誤

程序錯誤是指數控車床在控製過程中由於設計或製造方麵的原因造成了程序出錯，這也是最常見（jiàn）的PLC 故障之一，通（tōng）常也會由硬件或軟件問題造成（chéng）。硬件上的原因有：CPU 內部的程序存儲器容量不夠；CPU 內部程序存儲器中有錯誤（wù）代碼（mǎ）；CPU 的存儲單元損壞或數據線接觸不良。軟件（jiàn）上的原因有：輸入/輸出模塊程序（xù）錯誤；控製程序中的錯誤代碼、控製程序中的數據丟失或數據不完整。

在出現程序錯誤時，可先（xiān）采用軟複位功能來（lái）清除程序錯誤，再用 PLC 自診（zhěn）斷功（gōng）能來檢查可能出現問題的地方。如確定 PLC 上無相應（yīng）控製元（yuán）件或其參數設置錯誤，則應檢查 PLC 輸入/輸出模塊是否有錯誤（wù）代碼或（huò）數據（jù）線接觸不良，同時還應檢查（chá）是（shì）否有數據線不能正常工作或與其他設備通訊等故障。

在進行上述檢查後，若（ruò）仍無法解決問題，則可將PLC 從係統中隔（gé）離出來，然後重（chóng）新進行係統初始（shǐ）化。

3.3 硬件故障

數控車床內裝型 PLC 形式如圖 2 所（suǒ）示，這（zhè）類故障是由於係統硬件損壞而引起的，包括（kuò）係統（tǒng）元件損壞、係統電源故障、係（xì）統電路邏（luó）輯關係異常（cháng）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（duàn）路（lù）、接（jiē）地等問題，然後逐一進行更換，即可解決。

圖2 數控車床內裝型 PLC 形式

（2）係統電源故障（zhàng）。處理方法：首先檢查電源是否（fǒu）正常，若電源正常，則可（kě）根據邏輯關（guān）係檢（jiǎn）查 I/O 的輸入輸出端（duān）是否有信號產生，若無（wú）信號產生，則應檢查電源電路中的交流電源輸入（rù）端和（hé）直流電源輸出端是（shì）否有電壓產生，若無電壓產生，則應檢查輸入輸出線是否存在短路、斷路（lù）或接地問（wèn）題。然後逐一檢查 PLC的 I/O 點是否存在短路、斷路或接地（dì）問題。若無問題，則可進入下一步工作。

（3）電路邏輯（jí）關係異常。電路邏輯關係異常是指係統（tǒng）在工作過程中，出現了異常的錯誤現象。這類故障原因（yīn）複雜，出現的（de）幾率較低，但也不能排除。對於這（zhè）類故障，我們（men）可采用如下方法處理：根據係（xì）統發生（shēng）異常的原因（yīn）不同，可以用萬（wàn）用表（biǎo）測試各元件的工作電壓是（shì）否正（zhèng）常，如有異常應及時（shí）更換（huàn）元件；對各（gè）元件（jiàn）進行測試，判斷其工作電壓是否正常；如（rú）果確定是某些元件出現問題，可在正常情（qíng）況下反複測試以找出故障點（diǎn）；如（rú）果是某（mǒu）個電路邏輯關係出現異常，應對其進行調整或更（gèng）換；若故障依舊，則說明係統硬件電路上有（yǒu）短路、開路等（děng）故障存在，應根據情況采取相應措施排（pái）除故障。

4、數控車床 PLC 控製係統故障案例分析

在（zài）對數控車床進行維修時，我們可以根據其控製係統（tǒng）的特點進行。數（shù）控車床控製係統的控製方式一般分為（wéi）兩種，分別是集中控製和分散控製。集中控製方（fāng）式一般用（yòng）於具（jù）有一定（dìng）規模的（de）生產企業，而（ér）分散（sàn）控製方式則適用於中小型企業（yè）。我們在維修數（shù）控車床時，要先對其進行（háng）初步的檢測，然後再采取相應的措施。這些問題如果不能（néng）及時解決（jué），可（kě）能會對數控車床（chuáng）造成很大的（de）影響和損失，所以我們要對（duì）數控車床出現故障時進行（háng）及時有效地維修，盡量減少其影（yǐng）響和損失。

有一台西門子數控（kòng）車床，其控製程序（PLC）在維（wéi）修時發（fā）現在開機時無顯示現象。停機後發（fā）現該機床顯示有（yǒu）：“I/O 錯誤”、“PLC 無效”等字樣，說明機床控製係統（PLC）已損壞。

在開機時，機床顯示有（yǒu）“I/O 錯誤”、“PLC 無效”等（děng）字樣（yàng），而機（jī）床沒有任何報警。經（jīng）檢查發現，機床的 I/O口一直處於（yú）接通狀態，且有許多外部信號在此控製下接通，並且這些外（wài）部信號一直在變化。經分析認為，這

是 PLC 程序中存在錯誤。該機床的 PLC 程序中存在一個循環條件為“I/O 錯誤”的語句，並且（qiě）該語句是一（yī）個循環語句，即每（měi）輸入或輸出一條信息後，便有一個循環條件來（lái）判斷是（shì）否執行（háng）下一條（tiáo）信息。對於這種循環條件語句，在實（shí）際應用中很少出現（xiàn）這（zhè）種情（qíng）況，PLC 程序中並沒有對這（zhè）種情況進行說明，在實際（jì）應用（yòng）中（zhōng）可能（néng）有多種原因（yīn）會導致該語句的出（chū）現。筆者認為存在如下問題。

4.1 機床 I/O 口與 PLC 之間的接線（xiàn）方式

數控機床 I/O 口與 PLC 之間的接線方式主要有三種：並聯方式、串聯方式、並聯（lián）與串聯混合方式。並聯方式是指 PLC 與 I/O 口直接連接，這種連接方（fāng）式的優點是 I/O 口的連接非常（cháng）方便，但它的缺（quē）點是當 PLC有故障時，機床不能進行正常操作；串聯方式（shì）是指（zhǐ）PLC 與 I/O 口先通過（guò）中間繼（jì）電器進行（háng）連（lián）接，再經過中間繼電器再（zài）與機床的 I/O 口連接，這種接線方式的優點是當 PLC 故障時（shí），機床可以進行正常操作，但（dàn）其缺點是當機床出現故障時（shí），數控係統無法進行正常操作。並聯方式（shì）與串聯方式相比，由於 I/O 口（kǒu）的（de）連接非常方便，因此並聯方式（shì）比串聯（lián）方式更（gèng）可靠。對（duì）於（yú）並聯與串聯混合的接線方式來（lái）說，當 PLC 出現故障時，機床可以直接進行操（cāo）作。

4.2 機床運行狀態的變化

機床加工工件時，刀具對工件的切削或輔助係統對工件的支撐或夾緊等（děng）作用使（shǐ）機床運行狀態發生變化。當出現上述情況時，可以通過以下方法進行處理：

（1）檢查所使用的 PLC 程序是（shì）否有上述（shù）問題；

（2）檢查機床各運動（dòng）部件是否有異常（cháng）現象；

（3）檢查 I/O 口是否正常；

（4）檢查各（gè）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象；

（5）檢查機床控製係統是否有異常現象，如（rú）電源、機械等故障。

4.3 機床輸入信號的變化（huà）

機床的輸入信號由機械和（hé）電氣兩部分組成。電氣部（bù）分主要由各種輸入（rù）信號、各種輸（shū）出信號以及它（tā）們之間的公共點構成，這些信號有電壓、電流（liú）、熱效（xiào）應等。在數控機床的設計中，除了要考慮到機床本身的加工（gōng）能力外，還要考慮到數（shù）控係統所能接受的最大輸入信號。在 PLC 程序設計中，對輸（shū）入信號的處（chù）理通常采用變換（huàn）函數或轉換矩陣的方（fāng）法（fǎ）來實（shí）現。

對於輸入信號變化引起的 PLC 程序錯誤，主要表現為：當某一輸入信號發生變化（huà）時，會使輸出端對應的輸（shū）出狀（zhuàng）態發生（shēng）變化，從而導致程序（xù）中出現“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：一是改變機床輸入信號（hào）（如更換 PLC 型號、輸入信號類型等）；二是（shì）修（xiū）改（gǎi） PLC 程序。

對 PLC 控（kòng）製係統進行維修時要注意以（yǐ）下幾點：

（1）對（duì）可編程控（kòng）製器進行檢查，主要是檢查其輸入/輸出端是（shì）否存在短路（lù）問題。

（2）檢查可（kě）編程控製（zhì）器的電源（yuán）電壓（yā）是否正常。

（3）在對可編程控製器（qì）進行檢測時，要注意檢測其是否存在（zài）故障。

（4）在對可編程控製器（qì）進行檢查時，要注意觀察PLC 的內部接（jiē）線是否正確。

（5）對可編程（chéng）控製器進（jìn）行檢測時，要注（zhù）意檢查其輸入/輸（shū）出端子（zǐ）之間的連線是否（fǒu）正確。

5、結語

在（zài） PLC 控製（zhì）係統發生故障時，一定要做到不盲目檢修，要根據控製係統的工作原理以及電氣線路（lù）的分布情況，從軟件（jiàn）和硬（yìng）件兩個方麵，及時對 PLC 控製係統中出現的問題進行全麵分析和總結，然後根據問題出現的（de）原因，有針對性地采取科學的措施來進行處理。數（shù）控車床 PLC 控製係統常見故障（zhàng），通過（guò）采取有效措（cuò）施處理 PLC 控製係統中出現的問題後，就可以（yǐ）減少機床運（yùn）行過程中產生的故障率，有效提高數控（kòng）車床運（yùn）行效率。

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