解析基于PLC和工控機的數控維修方法

數控維修大概有以下幾種方法，包括PLC輸入輸出類記錄法、硬盤備份法、備件快速替代法、關鍵點維修法和缺陷改進法。數控改造的基本方法有采用PLC、商用CNC、工控機和PC-based NC幾種可能。下面就數控維修和改造二個方面，敘述其基本方法，供大家參考。
1 數控維修的基本方法
1.1 “集體會診”法
由主管人員主持，召集工藝、設備、操作等方面的人員進行會診，各人提個人的方案，逐一排查，進行解決。該方法在外資公司經常采用。
1.2 PLC輸入輸出點記錄法(PLC I/O LED photo record)
在以往的維修中，我們發現很多設備的故障發生在上班開機時。其實設備并沒有硬件故障，往往是由于操作不當或其他原因造成PLC輸入信號丟失。雖然故障不大，但查找起來也比較費事。為此，我們用數碼相機將正常時PLC上的輸入輸出指示燈情況拍攝下來，并打印出來貼在PLC旁邊。這樣，一旦出現類似問題，維修工只要對照照片，就能很快查出問題，甚至有時操作工都能據此發現問題。用數碼相機的好處是可以將圖片保存在微機中，方便分類管理和長期保存。這種照片記錄對照法，我們還用在一些可調閥門、限位開關和機械定位裝置上，對指導操作和維修起到了很好的作用。
1.3 硬盤備份法(hard disk backup)
現有的很多設備都采用了工業微機作為上位機控制裝置或人機界面。微機的故障80%以上是軟件故障。以前，出現軟件故障往往請專業計算機技術人員前來維修，一般是重新安裝系統，非常耗時。我們現在采用的硬盤備份法就是預先購置一塊與原機相同或相似的新硬盤，用Ghost或類似軟件將原機的所有硬盤數據包括系統全部拷貝在新硬盤上，作為備份。一旦出現軟件故障，只要簡便地將備份硬盤換上即可，大大縮短了維修時間。而且還能預防真正的硬盤損壞。這樣的工作一般維修工即可完成。
1.4 備件快速替代法(spare parts rapid replacement)
由于電子元器件發展相當迅速，一些電氣備件更新換代得很快。如變頻器等高科技產品幾乎兩三年就更新換代一次。因此，備件在采購時很難買到與原來完全相同的型號，有時還可能購買不同公司的產品。對于這些備件的更換，一般維修工有一定的難度，特別是像變頻器，若換不同廠家的產品，不但硬件接線上有所不同，而且參數的設定也不一樣。為保證維修工能準確快速更換，我們事先根據現場使用的變頻器和備件庫現存變頻器的技術參數，畫一張直接替換的操作流程圖和參數設定表發到各維修工手中，并貼在現場變頻器旁邊。其他復雜備件也采用類似方法，有效縮短了備件替換時間。
1.5 關鍵點維修法(key point checking and main taining)
如何利用人數有限的維修人員最大程度地保證設備正常運轉，是我們設備管理人員研究的課題。很多大型設備、生產線可能出現故障的部位面多而廣，維修工在巡檢時要想面面俱到是很困難的。相反很多維修工常常是不得要領，在一些次要問題上花費很多精力。針對這種情況，我們實施了一種名為“點檢維修”的工作方法，用來指導維修工日常的巡檢和維修。這種方法就是根據每臺設備的不同情況，列出幾處最為關鍵的部分，以圖表形式下發到相關維修工，要求每天對這幾處進行重點巡視檢查，發現異常及時維修，取得了較好效果。在制定點檢表時，必須注意以下兩點。
1)關鍵點必須找得恰當、準確 我們綜合了設備的技術手冊、有經驗維修技師的意見、以及以前設備出現故障情況這三方面來確定的。
2)關鍵點要“精”. 一般一臺大型設備或500 m２范圍生產線中的關鍵點不超過10個，否則很可能流于形式。
1.6 缺陷改進法(defect retrofitted)
在長期的維修工作中，我們發覺有些設備經常出現一些重復的故障，而且隨機性很強。對其進一步分析后，我們發現并確認是設備在設計制造過程中存在缺陷，僅靠維修是不能根除的，必須進行改造才能根除隱患。舉一個比較典型的例子，某廠有一臺意大利引進的冰箱內膽真空熱成型機，其加熱控制部分采用了一套單片機系統與一臺上位微機進行聯網數據交換。其經常出現的故障是單片機與微機通訊不暢，但重新上電或換一塊單片機主板可能恢復正常，其中一次故障還將微機的COM1口燒壞。后來經過查找資料，我們發現是設計時采用的通訊方式不合理所致。單片機與微機采用的是RS232C方式直聯，沒有隔離，并且電纜長度超過30 m。我們知道，RS232C通訊方式抗干擾性較差，通訊距離一般小于15 m。為此，我們對通訊電纜進行了改造，兩端分別加裝了ADAM公司的7520-RS485/RS232光隔轉換器，使得在大部分距離內采用RS485方式傳輸數據，從此故障再也沒有發生過。
1.7 實時監控法(real time monitoring)
數控機床經常會發生一些軟故障，這對診斷帶來困難。此時可采用數據采集卡等將關鍵點信號采集并實時記錄，以便診斷時進行綜合分析。“虛擬儀器”的出現為實時監控提供可能性。應該注意的是，該監控系統和CNC是相互獨立的，監控系統是最終用戶自制的。
2 數控改造的幾種選擇
2.1 采用PLC實現數控改造
在一些印刷、包裝等對定位精度要求不是太高的場合，以及一些生產線控制場合，可采用通過PLC完成數控改造任務。此時采用的是通用型PLC，而不是數控專用型如FANUCPMC等。
目前通用型PLC功能已經很強大，包括定位模塊，A/D、D/A、I/O模式，可實現許多工控場合的功能。
2.2 商用CNC(PLC)、伺服系統進行改造
這種方式是目前流行的改造模式。數控系統制造商提供愈來愈方便的調試方法和工具軟件，以方便機床廠和改造商。
調試軟件主要包括伺服系統適配、梯形圖和機床參數。CNC制造商一般會提供光盤和調試手冊。如西門子公司在出售其經濟型數控802D時，會免費提供調試CD盤以及SINUMERIK 802D簡明調試指南。美國A-B公司在銷售9系列CNC時，會讓用戶購買ODS(offline development system)軟盤及手冊。該ODS可在個人計算機上進行梯形圖開發、機床參數設置、零件加工程序編輯等，通過232口和CNC通訊。
2.3 選擇工控機進行數控改造
不僅是金屬切削機床等的數控改造，也包括過程控制、順序控制等工控場合，可利用工控機的可靠性，選擇合適工具軟件或自己開發軟件進行改造。
90年代初期，我們曾用STD工控機和4套直流伺服系統，自己開發軟件改造國產5040數控銑床。
工業控制計算機采用3臺8088 CPU STD計算機組成。由通訊接口連接起來。每一臺STD計算機均由若干模板組成。作為分布計算機數控的硬件支持。
2.4 選擇PC-based CNC
PC-based CNC是開放式數控目前的實現方式。但距真正意義上的開放式數控還有很遠距離。目前，對于“開放式結構”仍沒有一致定義。某些用戶認為開放式表示能夠接受當地使用的通信協議；而另一些用戶認為開放式意味著所有控制器操作界面完全一致。對機床應用工程師而言，開放式意味著對刀架移動、傳感器和邏輯控制有標準的輸入/輸出接口。對大公司和大學的研究工程師來說，開放式意味著以上所有這些均來自隨即拿來就用的積木塊。由于來自用戶和集成商的壓力，開放式結構的開發正在向前發展并將繼續下去。目前的一個積極成果即是基于個人計算機的CNC，即PC-based CNC。目前的具體實現，其硬件組成是個人計算機加運動控制卡。軟件組成主要是計算機軟件平臺(如WIN，DOS)加數控系統軟件。美國Delta Tau公司的PMAC多軸運動控制卡的開發在這方面走得更快一些，已開發出PC總線、VME總線、STD總線的PMAC卡。整個運動控制由PMAC獨立完成。主機上運行的軟件僅為一個開發環境，負責顯示、調試、零件程序編制、通訊等。PMAC運行時前臺負責坐標軸運動控制，后臺負責PLC。采用美國 MOTOROLA 56001 DSP作為CPU，可接直流、交流、步進電機。反饋元件可采用增量/絕對編碼器、旋轉變壓器、光柵尺等。
另一種變通做法是在硬件和軟件上參照個人計算機結構，但已有了變化。比如西門子840D，按照目前MMC、CNC、PLC三位一體的數控控制機模式，在MMC上完全是一臺標準的IPC工控機，但操作系統用的是Flex OS。CNC、PLC集中在NCU中，外圍接口包括主軸、進給模塊，I/O口等。840D和驅動611D之間連接通過總線進行(802D中開始使用現場總線profibus)，更貼近計算機的信息傳遞方式。另外，由于采用操作系統Flex OS，其操作界面跟普通的個人計算機非常相似。
上面舉的PMAC運動控制卡和西門子840D等，他們在基于個人計算機的CNC方面做了許多工作，但是距離真正的開放式還有許多路要走。
理想的模式應該是工控機+實時操作系統＋開發環境＋數控函數庫的模式。數控控制軟件應該是可以裝配的，裝配的對象是數控函數庫中的庫函數。開發環境給用戶提供開發工具，將庫函數納入到實時操作系統中去。這樣一來，就象是PLC程序的開發從CNC 制造商轉移到機床廠、數控集成商一樣，數控系統的形成亦可以從CNC制造商轉移到機床廠、集成商，甚至最終用戶。這才是最終意義上的開放式CNC。
3、數控改造的流程
數控改造流程如下：
1) 訂購時，主要依據主軸功率、進給扭矩、安裝、I/O點數等指標進行選購。如原機床有資料可參考更好，如沒有只能去現場實測。
2) 硬件聯線主要應參考CNC制造商的硬件聯線手冊。
3) 梯形圖開發主要參考制造商PLC編程手冊。
4) 調試時主要依據參數手冊及調試指南。
綜上所述，CNC制造商提供的硬件聯結手冊、PLC編程、調試手冊、參數手冊是必須化大力氣消化的。特別是第一次改造前。
隨著數控系統越來越“個人計算機”化，數控調試時常用軟件進行。如西門子840D，在調試前應將PG編程機和840D的PG口用MPI電纜(多端通信接口)連結。調試內容有兩個，一個是PLC基本程序應用——激活MCP(機床控制面板)和軸使能，第二個是機床數據MD(即機床參數)調整。
4、數控維修和改造的關系
國內從事數控改造的工程技術人員均是搞數控維修或數控系統出身。但是做過維修和改造的人員發覺這二者之間有關系亦還是有很多差異。
有的人說數控改造是維修的高級形式，有人說搞改造的人不一定能做好維修，而大部分搞維修的人沒有做過改造。
應該說這二者均是數控技術服務的內容，但畢竟是兩件不同的事。
按照中國國情，數控維修比改造要更困難一點。主要是因為維修市場不成熟，備件解決困難。加上維修學科牽涉面廣，不確定因素多，診斷技術和裝備落后，費用偏低。而數控改造雖然所需的總體知識水平較高，但不確定因素少，相對命中率較高。
目前國內數控服務企業存在的重改造、輕維修的傾向越來越嚴重。但是最終用戶最迫切需求的、量大面廣的數控維修無法得到滿意的解決。