数控机床PLC控制

数控机床PLC控制可编程控制器PLC是20世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制装置，已广泛应用于各种工业设备，而本书中仅仅讨论PLC在数控机床中的应用。PLC的分类、组成及其工作方式；常用的编程语言；应用PLC时需要掌握的电气基本知识；数控机床PLC系统设计及调试；机床数控中PLC控制应用实例。主要内容可编程控制器是计算机技术与自动控制技术有机结合的一种通用工业控制器。在此之前，机床的顺序控制是以机床当前运行状态为依据，使机床按预先规定好的动作依次地工作，这种控制方式的实现，是由传统的继电器逻辑电路RLC（RelayLogicCircuit）完成的。RLC是将继电器、接触器、按钮、开关等机电式控制器件用导线、端子等连接起来的电路，以实现规定的顺序控制功能。可编程控制器概述只能解决开关量的简单逻辑运算，定时、计数功能；修改控制逻辑时，需要增减控制元器件和重新布线，安装；调试周期长，工作量大；继电器、接触器等器件体积较大，每个器件工触点有限。当机床中的受控对象较多，或控制动作顺序较复杂时，需要采用大量的器件，使得整个RLC体积庞大，功耗高，可靠性差等，因此，只能用于工业设备和简单的数控机床。PLC存在一些难以克服的缺点：1969年，美国DEC公司研制出世界上第一台型号为“PDP-14”的可编程控制器，在通用汽车公司的自动装配线上使用，获得了成功。因为这种装置当时称为“可编程逻辑控制器”（ProgrammableLogicController），故简称PLC。1980年，美国电气制造协会（NEMA）正式将这类装置命名为“ProgrammableLogicController”，简称PC。由于个人电脑（PersonalComputer）也简称PC，而且已被广为使用，故可编程控制器，习惯上仍称作PLC。1987年，国际电工委员会（IEC）在颁布的可编程控制器国际标准草案中，对PLC作了如下的规定：“可编程控制器是一种数字运算电子系统，专为在工业环境下运用而设计。它采用可编程序的存储器，用于存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等特定功能的用户指令，并通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其辅助设备都应按易于构成一个工业控制系统，且它们所具有的全部功能易于应用的原则设计。”数控机床的控制由数控装置和可编程控制器协调配合共同完成：数控装置主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控制等；可编程控制器（以下简称PLC）主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有实现轨迹运动上的具体要求。（1）PLC是一种专用于工业顺序控制的微机系统。为了适应顺序控制的要求，PLC省去了微机的一些数字运算功能，而强化了逻辑运算控制功能，是一种介于继电器控制和微机控制之间的自动控制装置；（2）PLC是专为在恶劣的工业环境下使用而设计的，所以具有很强的抗干扰能力。除输入/输出部分采用光电隔离的措施外，对电源、运算器、控制器、存储器等也设置了多种保护和屏蔽。PLC没有继电器那种机械触点，因此，不存在触点的接触不良、熔焊、磨损和线圈损坏等故障；可编程控制器的特点与分类：可编程控制器（PLC）具有如下特点：（3）相对于RLC，PLC采用软件实现用户控制逻辑，结构紧凑、体积小，很容易装入机床内部或电气箱内，便于实现动作复杂的控制逻辑和数控机床的机电一体化；（4）目前大多数的PLC，均采用梯形图编程方式。梯形图与继电器逻辑控制电路图十分相似，图形符号形象直观、工作原理易于理解和掌握、编程简单、操作方便、改变程序灵活；（5）PLC可与编程器、个人计算机等联接，可以很方便地实现程序的显示、编辑、诊断、存储和传送等操作。PLC的产品很多，型号规格也不统一，可以从结构、原理、规模等方面分类。从数控机床应用的角度可编程控制器可分为两类：一类是CNC的生产厂家专为数控机床顺序控制而将数控装置（CNC）和PLC综合起来而设计制造的“内装型”（Build-inType）PLC。另一类是专业的PLC生产厂家的产品，它们的输入/输出信号接口技术规范，输入/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能均能满足数控机床的控制要求，称为“独立型”（Sdand-aloneType）PLC。可编程控制器的分类：内装型PLC从属于CNC装置，PLC与CNC装置之间的信号传送在CNC装置内部即可实现。PLC与数控机床之间则通过CNC输入/输出接口电路实现信号传送：1.内装型PLC（1）内装型PLC实际是CNC装置带有的PLC功能。一般作为CNC装置的基本功能提供给用户；（2）内装型PLC的性能指标是根据从属的CNC系统的规格、性能、适用机床的类型等确定的。其硬件和软件部分是被作为CNC系统的基本功能或附加功能与CNC系统其他功能统一设计、制造的。因此，系统的硬件和软件整体结构十分紧凑，且PLC所具有的功能针对性强，技术指标合理、实用，尤其适用于单机数控设备的应用场合；内装型PLC具有如下特点：(3）在系统的具体结构上，内装型PLC可与CNC共用CPU，也可以单独使用一个CPU；硬件控制电路可与CNC装置其它电路制作在同一块印刷电路板上，也可以单独制成一块附加电路板，当CNC装置需要附加PLC功能时，再将此附加电路板安装到CNC装置上；内装型PLC一般不单独配置输入/输出接口电路，而是使用CNC系统本身的输入/输出电路；PLC所用电源由CNC装置提供，不需另备电源；（4）采用内装型PLC结构，CNC系统可以具有某些高级控制功能。如梯形图编辑和传送功能，在CNC内部直接处理大量信息等。独立型PLC又称外装型或通用型PLC。对数控机床而言，独立型PLC独立于CNC装置，具有完备的硬件结构和软件功能，能够独立完成规定的控制任务。2.独立型PLC独立型PLC具有如下特点：（1)独立型PLC具有如下基本的功能结构：CPU及其控制电路；系统程序存储器；用户程序存储器；输入/输出接口电路；与编程机等外部设备通讯的接口和电源（2)独立型PLC一般采用积木式模块结构或插板式结构，各功能电路多做成独立的模块或印刷电路插板，具有安装方便，功能易于扩展和变更的优点。例如：可采用通讯模块与外部输入/输出设备、编程设备、上位机、下位机等进行数据交换；采用D/A模块可以对外部伺服装置直接进行控制；采用计数模块可以对加工数量、刀具使用次数、旋转工作台的分度数等进行检测和控制；采用定位模块可以直接对诸如刀库、转台、旋转轴等机械运动部件或装置进行控制。（3）性价比不如内装型PLC。目前，提供独立型PLC厂商主要有：德国西门子、美国罗克韦尔、日本三菱等公司。PLC实质是一种专用计算机，它的组成形式基本上与微机相同，主要包括：微处理器（CPU）、存储器、用户输入/输出部分、输入/输出扩展接口、外围设备以及电源等。对于内装型PLC，CPU、存储器、外围设备、电源等部分一般与CNC装置共用。1.PLC各个组成部分的功能如下：（1）CPU与通用微机CPU一样，它是主机的核心。它接收并存储用户程序和数据；用扫描方式接受当前各输入装置的状态；诊断PLC内部电路工作状态和编程中的语法错误；在运行中读取用户程序、解释指令的内容，按指令规定的任务，产生相应的控制信号。可编程控制器的组成及工作方式（2）PLC一般配有系统存储器和用户存储器，前者用作存储监控程序、模块化应用子程序和各种系统参数等。后者用作存放用户程序。系统存储器用户通常不能直接存取，因此，存储器的容量是指用户存储器的容量。存储器程序在硬件上，动态装载部分一般采用RAM，程序存储和备份部分则采用UVEP-ROM（紫外光擦除）、CMOSRAM（后备电池）或FLASH芯片/卡/盘（不需电池）等。（3）用户输入/输出部分用户输入/输出部分包括输入/输出接口，输入/输出控制电路及隔离电路等。用作PLC与外部输入/输出设备进行连接。（4）I/O扩展模块当主机默认I/O点数不够时，可选配I/O扩展模块来扩展I/O点数。扩展模块不能单独使用，只能与主机一起使用。（5）外围设备外围设备根据PLC的型号与厂家的不同可配置编程设备，程序写入器，用户程序卡，磁带机，打印机，A/D，D/A卡，高速计数器，RS232/485通讯接口，光纤通讯接口等。其中，编程设备可以是内置的，也可以是外置编程器或可安装于微机上的编程软件。PLC的基本工作方式是顺序执行用户程序，每一时刻执行一条指令，由于相对于外部电气信号有足够的执行速度，从宏观上看是实时响应的。对用户程序的执行一般有循环扫描和定时扫描两种，扫描过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，2.PLC的基本工作方式（1）输入采样阶段PLC在输入采样阶段以扫描方式顺序读入所有输入端子的状态，并存入输入寄存器。接着转入程序执行阶段。在程序执行阶段即使外部输入信号的状态变化，输入寄存器的状态也不会改变，而状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被读入。（2）程序执行阶段PLC在程序执行阶段顺序对每条指令进行扫描。先从输入寄存器读入所有输入端子的状态。若程序中规定要读入某输出状态，则也在此时读入。然后进行逻辑运算，最后将所有结果送入输出寄存器。（3）输出刷新阶段所有指令执行完毕后，将输出寄存器中所有的输出状态送到输出电路，成为PLC的实际输出。PLC执行完上述的三个阶段称为一个扫描周期，扫描周期因PLC的机型和程序中采用各类指令的组成比例而异，一般执行1000条指令时间约为1ms到20ms之间.PLC执行完一个工作周期后，在第二个工作周期输入采样阶段进行输入刷新，因而输入寄存器的数据，由上一个刷新时间PLC输入端子的状态决定。1.梯形逻辑图（LAD）梯形逻辑图简称梯形图（ladderdiagram简写为LAD）,它是从继电器-接触器控制系统的电气原理图演化而来的，是一种图形语言，它沿用了常开触点、常闭触点、继电器线圈、接触器线圈、定时器和计数器等等术语和图形符号，也增加了一些简单的计算机符号，来完成时间上的顺序控制操作。触点和线圈等的图形符号就是编程语言的指令符号。这种编程语言与电路图相呼应，简单、形象、直观、易编程、容易掌握，是目前应用最广泛的编程语言之一。常见的编程语言2.指令语句表（STL）指令语句表简称语句表（statementlist简写为STL），类似于计算机的汇编语言，它是用语句助记符来编程的。不同的机型有不同的语句助记符，但都要比汇编语言简单得多，很容易掌握，也是目前用得最多的编程方法。命令语句主要使用逻辑语言建立PLC输入和输出的关系，其中包括逻辑AND、OR、NOT及定时器、计数器、移位寄存器、算术运算和PID控制功能等。中小型PLC一般用语句表编程。每条命令语句包括命令部分和数据部分。其命令部分要指定逻辑功能；其数据部分要指定功能存储器的地址号或直接数值。语句表编程简单明了，语句少，其结构类似于电路的串并联方式，容易掌握。计算机通用语言可以实现梯形图法和指令语句表法难以实现的复杂逻辑控制功能，但它没有梯形图法形象，比指令语句表编程复杂，因此较难掌握。常用的通用语言有C、BASIC、PASCAL、FORTRAN等，其中采用C语言较多。另外，还有控制系统流程图（CSF）、逻辑方程式（布尔代数式）等方法，使用较少，而且工程技术人员对于计算机通用语言又比较难掌握，因此，大部分编程方法都采用梯形图法和指令语句表。目前常用的PLC产品很多，不同厂家的PLC各种指标和性能不同，其编程方法、具体的指令格式以及继电器编号也不同，当具体操作时，可查阅有关产品说明书。3.计算机的通用语言（1）梯形图结构梯形图的控制逻辑结构及工作原理与继电器逻辑控制电路十分相似。它采用“触点”、“线圈”（或称继电器线圈）、“功能图”（功能指令，图中未画）等图形符号表达输出与输入的逻辑关系，这些输入/输出可以是硬件上实际的输入/输出信号，也可以是PLC内部虚拟的输入/输出信号。两侧的竖线称为电力轨，用以模拟继电器电路的电源（有些PLC的梯形图只有左侧的