数控机床与可编程序控制器

第七章数控机床与可编程序控制器（PLC）数控机床与使用维修本讲主要内容PLC的基本结构PLC的工作原理数控机床用可编程控制器的类型及特点PLC在数控机床上的配置方式可编程控制器与外部的信息交换数控机床用可编程控制器的控制功能引言数控机床的控制除了对坐标轴的进给进行位置伺服控制外，还需要对机床的主轴、刀具和各种开关信号进行控制。如主轴的正、反转，起动和停止，刀具交换，工件夹紧、松开，工作台交换以及切削液的开、关和润滑系统的启动等进行顺序控制。顺序控制的信息主要是开关量信号，如控制开关、行程开关、压力开关和温度开关等输入元件输入的信号和继电器、接触器、电磁阀等输出元件所需要的输出信号。在数控机床上用可编程控制器完成这一控制任务。一、PLC的基本结构1．PLC的硬件结构（1）可编程控制器实质上是一种工业控制用的专用计算机，PLC与微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。CPU是PLC的核心部件，其上不仅有CPU集成芯片，而且还有一定数量的内存储器RAM和系统程序存储器EPROM，用户程序存储器EPROM，输入输出（I／O）模块及电源等组成，其各部分均采用总线结构。可编程控制器结构框图1．PLC的硬件结构（2）中央处理单元CPUPLC中的CPU与通用微机中的CPU一样，是PLC的核心部分。CPU按系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器键人的用户程序和数据，用扫描方式查询现场输入装置的各种信号状态或数据，并存入输入状态寄存器或数据寄存器中，在诊断了电源、PLC内部电路及编程语句无误后，PLC进入运行状态。在PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户程序，完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务。根据运算结果，更新有标志位的状态和输出状态寄存器的内容，再由输出状态寄存器的位状态或数据寄存器的有关内容，实现输出控制、制表打印、数据通信等功能。1．PLC的硬件结构（3）存储器PLC存储器一般有随机存储器RAM和只读储器EPROM。RAM中一般存放用户程序，如梯形图和语句表等，为了防止掉电后RAM中的内容丢失，PLC使用了锂电池作为对RAM的后备供电，能使RAM中的程序保持好几年。PLC所用的只读存储器为EPROM，内部存储有PLC控制的系统程序，如检查程序、键盘输入处理程序、编译程序、信息传递程序及监控程序等，由厂家固化到EPROM中。有时，用户程序也可固化到EPROM中，避免RAM中存储的用户程序丢失。1．PLC的硬件结构（4）输入输出模块（I／O模块）I／O模块是PLC与现场I／O装置或其他外部设备的连接部件。现场输入装置有控制按钮、转换开关、行程开关、接近开关、压力开关及温控开关等，这些信号经接口电路接入PLC后，还要经过抗强电干扰的光电耦合、消抖动电路、滤波电路才能送到PLC输入数据寄存器。1．PLC的硬件结构（5）PLC的输出装置有继电器、双向晶闸管和晶体管三种形式，因此，PLC提供了各种操作电平、驱动能力以及不同功能的I／O模块供用户选用。模拟量输入输出模块和智能接口模块。模拟量输入输出模块的作用就是将输入的模拟量经A／D转换变成PLC能处理的数字量，并将PLC处理后的数字量经D／A转换变成模拟量输出。1．PLC的硬件结构（6）编程器编程器用于用户程序的编制、编辑、调试和监视，还可以通过其键盘调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。通过接口与PLC联系，完成人机对话连接。简易型编程器只能在线编程，它通过一个专用接口与PLC连接。智能型编程器既可在线编程又可离线编程，还可与微型计算机接口或与打印机接口，实现程序的存储、打印、通信等功能。2．PLC软件系统（1）PLC的软件系统包括系统程序和用户程序。系统程序系统程序包括监控程序、编译程序及诊断程序等。监控程序又称为管理程序，主要用于管理整机；编译程序用来把程序语言翻译成机器语言；诊断程序用来诊断机器故障。系统程序由PLC生产厂家提供，并固化在EPROM中，用户不能直接存取，故也不需要用户干预。2．PLC软件系统（2）用户程序用户程序是用户根据现场控制的需要，用PLC程序语言编制的应用程序，用以实现各种控制要求。用户程序由用户用编程器输入到PLC内存。小型PLC的用户程序比较简单，不需要分段，可按顺序编制；大中型PLC的用户程序很长，也比较复杂，为使用户程序编制简单清晰，可按功能结构或使用目的将用户程序划分成各个程序模块，每个模块用来解决一个确定的技术功能，这样使程序编制变得容易理解，同时能很方便地对程序进行调试和修改。二、PLC的工作原理1．基本思想用户程序通过编程器输入到用户存储器，CPU对用户程序循环扫描并顺序执行，这是PLC的基本工作原理。扫描与顺序执行只要PLC接通电源，CPU就对用户存储器的程序进行扫描，即从第一条用户程序开始顺序执行，直到用户程序最后一条，形成一个扫描周期，周而复始。用梯形图形象地说就是从上至下，从左至右，逐行扫描执行梯形图所描述的逻辑功能。目前在PLC中，执行每条指令的平均时间可达μs级。２．扫描工作过程（1）CPU的一个周期CPU进行输入点状态采集、用户程序逻辑运算、相应输出状态的更新和I／O执行。当有编程器接入PLC时，CPU还要对编程器的在线输入信号进行响应，并更新显示。CPU还要对自身的硬件进行快速自检，并对监视扫描用的定时器进行复位。完成自检后，CPU又从首地址重新开始扫描运行。PLC执行程序的一个扫描周期输入映像寄存器输入端子输入信号输入采样阶段程序执行阶段重复工作输出端子输出锁存电路输出信号输出映像寄存器输出刷新阶段２．扫描工作过程（2）输入采样在输入采样阶段，PLC以扫描方式将所有输入端的输入信号状态（ON／OFF状态）读入到输入映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样。在程序执行期间，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。２．扫描工作过程（3）程序执行阶段在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描。如程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序扫描。每扫描到一条指令时，所需要的输入状态或其他元素的状态分别从输入映像寄存器或输出映像寄存器中读入，然后进行相应的逻辑或算术运算，运算结果再存入专用寄存器。若执行程序输出指令时，则将相应的运算结果存入输出映像寄存器。２．扫描工作过程（4）输出刷新阶段在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中的状态就是欲输出的状态。在输出刷新阶段，将映像寄存器中的状态转存到输出锁存电路，再经输出端子输出信号去驱动用户输出设备，这就是PLC的实际输出。三、数控机床用可编程控制器的类型及特点1．概述数控机床中所用的PLC可分为两类：一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的内装型PLC，另一类是那些输入输出技术规范，输入输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等均能满足数控机床控制要求的独立型PLC。２．内装型PLC（１）内装型PLC从属于CNC装置，PLC与NC之间信号传送在CNC装置内部就可完成，而PLC与机床侧的信息传送则要通过输入输出接口来完成。２．内装型PLC（２）内装型PLC特点（1）：是作为CNC装置带有的PLC功能，一般是作为一种可选功能提供给用户。内装型PLC的性能指标（如输入输出点数、程序最大步数、每步执行时间、程序扫描周期、功能指令数目等）是根据所从属的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系统一起统一设计制造的。２．内装型PLC（3）内装型PLC特点（2）：在系统结构上，内装型PLC既可以与CNC共用一个CPU，也可以单独使用一个CPU，此时的PLC对外有单独配置的输入输出电路，而不使用CNC装置的输入输出电路。扩大了CNC内部直接处理的通信窗口功能，可以使用梯形图的编辑和传送等高级控制功能，且造价便宜，提高了CNC的性能价格比。具有内装型PLC的CNC系统2．独立型PLC（1）独立型PLC又称通用型PLC。独立型PLC独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件，能独立完成规定控制任务的装置。数控机床用独立型PLC，一般采用模块化结构，装在插板式笼箱内，它的CPU系统程序、用户程序、输入输出电路、通信等均设计成独立的模块。独立型PLC主要用于FMS、CIMS形式中的CNC机床，具有较强的数据处理、通信和诊断功能，成为CNC与上级计算机联网的重要设备。独立型PLC的CNC系统2．独立型PLC（2）独立型PLC具有以下特点（１）：独立型PLC本身是一个完整的计算机系统，其具有CPU、EPROM、RAM、I/O接口以及编程器等外部设备通信接口、电源等。独立型PLC的I/O模块种类齐全，其输入输出点数可通过增减I/O模块灵活配置。2．独立型PLC（3）独立型PLC具有以下特点（２）：与内装型PLC比较，独立型PLC功能更强，但一般要配置单独的编程设备。独立型PLC与数控系统之间的信息交换可通过I/O接口对接方式，也可采用通信方式。I/O接口对接方式就是将数控系统的输入输出点通过连线与PLC的输入输出点连接起来，适应于数控系统与各种PLC的信息交换。但由于每一点的信息传递需要一根信号线，所以这种方式连线多，信息交换量小。采用通信的方式可克服上述I/O对接的缺点。但采用这种方式的数控系统与PLC必须采用同一通信协议。采用通信方式时，数控系统与PLC的连线少，信息交换量大而且非常方便。四、PLC在数控机床上的配置方式PLC在数控机床上配置方式图例（1）PLC在数控机床上配置方式图例（2）１．PLC在数控机床上的配置方式（1）第一种PLC安装在机床侧，用于完成传统继电器的逻辑控制，PLC与数控系统之间通过I／O点连线对接交换信息，PLC通过I／O点再控制机床的逻辑动作。在这种配置中，PLC可选用任意一种型号的产品，可选择余地大。此时PLC需N+M根连线，因此连线复杂。１．PLC在数控机床上的配置方式（2）第二种采用内装PLC。此时PLC仅有M根输入输出连线控制机床，而PLC与数控系统之间的信息交换在数控系统内部完成，因此连线少，易于维修，成本也较低。１．PLC在数控机床上的配置方式（3）第三种独立型PLC安装在靠近CNC处（或使用内置PLC），但将PLC的I／O模块安装在机床侧，PLC与I／O模块之间使用远程I／O通信线连接（通常PLC均有远程I/O模块）。这种配置特别适用于重型、大型机床，可使用多个远程I／O模块，各远程I／O模块安装在靠近各自的控制对象处，从而减少和缩短了连线，简化了强电结构，提高了系统的可靠性。１．PLC在数控机床上的配置方式（4）第四种使用独立型PLC，但PLC与数控系统之间通过通信线连接，简化了连线，通信信息量也大大增加。五、可编程控制器与外部的信息交换2．PLC至机床（PLC→MT）PLC控制机床的信号通过PLC的开关量输出接口送到机床侧，所有开关量输出信号的含义及所占用PLC的地址均可由PLC程序设计者自行定义。举例在SINUMERIK810数控系统中，机床侧某电磁阀的动作由PLC的输出信号来控制，设该信号用Q1．4来定义。该信号通过I／O模块和I／O端子板输出至中间继电器线圈，继电器的触点又使电磁阀的线圈得电，从而控制电磁阀的动作。同样，Q1．4信号可在PLCSTATUS状态下，通过观察QBl的第4位“0”或“1”来获知该输出信号是否有效。3．CNC至PLC（CNC→PLC）CNC送至PLC的信息可由CNC直接送入PLC的寄存器中，所有CNC送至PLC的信号含义和地址（开关量地址或寄存器地址）均由CNC厂家确定，PLC编程者只可使用，不可改变和增删。举例数控指令的M、S、T功能，通过CNC译码后直接送入PLC相应的寄存器中。在SINUMERIK810数控系统中，M03指令经译码后，送入FY27．3寄存器中。4．PLC至CNC（PLC→CNC）PLC送至CNC的信息也由开关