第5章数控机床用PLC

1第五章数控机床用可编程控制器第一节概述一、PLC的产生与发展可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC,它是一类以微处理器为基础的通用型自动控制装置。它一般以顺序控制为主，回路调节为辅，能够完成逻辑、顺序、计时、计数和算术运算等功能。即能控制开关量，也能控制模拟量。近年来PLC技术发展很快，每年都推出不少新产品。据不完全统计，美国、日本、德国等生产PLC的厂家已达150多家，产品有数百种。PLC的功能也在不断增长，主要表现在：1）控制规模不断扩大，单台PLC可控制成千乃至上万个点，多台PLC进行同位链接可控制数万个点。2）指令系统功能增强，能进行逻辑运算、计时、计数、算术运算、PID运算、数制转换、ASCⅡ码处理。高档PLC还能处理中断、调用子程序等。使得PLC能够实现逻辑控制、模拟量控制、数值控制和其他过程监控，以至在某些方面可以取代小型计算机控制。3）处理速度提高，每个点的平均处理时间从10μs左右提高到1μs以内。4）编程容量增大，从几K字节增大到几十K，甚至上百K字节。5）编程语言多样化，大多数使用梯形图语言和语句表语言，有的还可使用流程图语言或高级语言。6）增加通信与联网功能，多台PLC之间能互相通信，互相交换数据，PLC还可以与上位计算机通信，接受计算机的命令，并将执行结果告诉计算机。通信接口多采用RS-422／RS-232C等标准接口，以实现多级集散控制。目前，为了适应不同的需要，进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，PLC正朝着以下两个方向发展。其一是低档PLC向小型、简易、廉价方向发展，使之广泛地取代继电器控制；其二是中、高档PLC向大型、高速、多功能方向发展，使之能取代工业控制微机的部分功能，对大规模的复杂系统进行综合性的自动控制。在数控机床上采用PLC代替继电器控制，使数控机床结构更紧凑，功能更丰富，响应速度和可靠性大大提高。在数控机床、加工中心等自动化程度高的加工设备和生产制造系统中，PLC是不可缺少的控制装置。二、PLC的基本功能在数控机床出现以前，顺序控制技术在工业生产中已经得到广泛应用。许多机械设备的工作过程都需要遵循一定的步骤或顺序。顺序控制即是以机械设备的运行状态和时间为依据，使其按预先规定好的动作次序顺序地进行工作的一种控制方式。数控机床所用的顺序控制装置（或系统）主要有两种，一种是传统的“继电器逻辑电2路”，简称RLC（RelayLogicCircuit）。另一种是“可编程序控制器”，即PLC。RLC是将继电器、接触器、按钮、开关等机电式控制器件用导线连接而成的以实现规定的顺序控制功能的电路。在实际应用中，RLC存在一些难以克服的缺点。如：只能解决开关量的简单逻辑运算，以及定时、计数等有限几种功能控制，难以实现复杂的逻辑运算、算术运算、数据处理，以及数控机床所需要的许多特殊控制功能，修改控制逻辑需要增减控制元器件和重新布线，安装和调整周期长，工作量大；继电器、接触器等器件体积较大，每个器件工作触点有限。当机床受控对象较多，或控制动作顺序较复杂时，需要采用大量的器件，因而整个RLC体积庞大，功耗高，可靠性差等。由于RLC存在上述缺点，因此只能用于一般的工业设备和数控车床、数控钻床、数控镗床等控制逻辑较为简单的数控机床。与RLC比较，PLC是一种工作原理完全不同的顺序控制装置。PLC具有如下基本功能：1）PLC是由计算机简化而来的。为适应顺序控制的要求，PLC省去了计算机的一些数字运算功能，而强化了逻辑运算控制功能，是一种功能介于继电器控制和计算机控制之间的自动控制装置。PLC具有与计算机类似的一些功能器件和单元，它们包括：CPU、用于存储系统控制程序和用户程序的存储器、与外部设备进行数据通信的接口及工作电源等。为与外部机器和过程实现信号传送，PLC还具有输入、输出信号接口。PLC有了这些功能器件和单元，即可用于完成各种指定的控制任务。PLC系统的基本功能结构框图如图5-1所示。图5-1PLC系统的基本功能结构2）具有面向用户的指令和专用于存储用户程序的存储器。用户控制逻辑用软件实现。适用于控制对象动作复杂，控制逻辑需要灵活变更的场合。3）用户程序多采用图形符号和逻辑顺序关系与继电器电路十分近似的“梯形图”编辑。梯形图形象直观，工作原理易于理解和掌握。4）PLC可与专用编程机、编程器、个人计算机等设备联接，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。5）PLC没有继电器那种接触不良、触点熔焊、磨损和线圈烧断等故障。运行中无振动、无噪音，且具有较强的抗干扰能力，可以在环境较差（如：粉尘、高温、潮湿等）的条件下稳定、可靠地工作。6）PLC结构紧凑、体积小、容易装入机床内部或电气箱内，便于实现数控机床的机电一体化。PLC的开发利用，为数控机床提供了一种新型的顺序控制装置，并很快在实际应用中显示了强大的生命力。现在PLC已成为数控机床的一种基本的控制装置。与RLC比较，采用PLC的数控机床结构更紧凑，功能更丰富，工作更可靠。对于车削中心、加工中心、FMC、FMS等机械运动复杂，自动化程度高的加工设备和生产制造系统，PLC则是不可缺少的控制3装置。三、PLC的基本结构PLC实质上是一种工业控制用的专用计算机，PLC系统与微型计算机结构基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。1.通用型PLC的硬件结构通用型PLC的硬件基本结构如图5-2所示，它是一种通用的可编程控制器，主要由中央处理单元CPU、存储器、输入/输出（I/O）模块及电源组成。图5-2通用型PLC的硬件基本结构主机内各部分之间均通过总线连接。总线分为电源总线、控制总线、地址总线和数据总线。各部件的作用如下：（1）中央处理单元CPUPLC的CPU与通用微机的CPU一样，是PLC的核心部分，它按PLC中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；用扫描方式查询现场输入装置的各种信号状态或数据，并存入输入过程状态寄存器或数据寄存器中；诊断电源及PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误等；在PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路；分时、分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等动作，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，更新有关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。以上这些都是在CPU的控制下完成的。PLC常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。（2）存储器存储器（简称内存），用来存储数据或程序。它包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。PLC配有系统程序存储器和用户程序存储器，分别用以存储系统程序和用户程序。系统程序存储器用来存储监控程序、模块化应用功能子程序和各种系统参数等，一般使用EPROM；用户程序存储器用作存放用户编制的梯形图等程序，一般使用RAM，若程序不经常修改，也可写入到EPROM中；存储器的容量以字节为单位。系统程序存储器的内容不能由用户直接存取。因此一般在产品样本中所列的存储器型号和容量，均是指用户程序存储器。（3）输入/输出（I/O）模块I/O模块是CPU与现场I/O设备或其他外部设备之间的连接部件。PLC提供了各种操作电平和输出驱动能力的I/O模块供用户选用。I/O模块要求具有抗干扰性能，并与外界绝缘因此，多数都采用光电隔离回路、消抖动回路、多级滤波等措施。I/O模块可以制成各4种标准模块，根据输入、输出点数来增减和组合。I/O模块还配有各种发光二极管来指示各种运行状态。（4）电源PLC配有开关式稳压电源的电源模块，用来对PLC的内部电路供电。（5）编程器编程器用作用户程序的编制、编辑、调试和监视，还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。它经过接口与CPU联系，完成人机对话。编程器分简易型和智能型两种。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。智能型编程器即可在线编程又可离线编程，还以远离PLC插到现场控制站的相应接口进行编程。智能型编程器有许多不同的应用程序软件包，功能齐全，适应的编程语言和方法也较多。2.PLC软件系统PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合。它包括系统程序和用户程序。（1）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，主要用于管理全机。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）用户程序用户程序是用户根据现场控制的需要，用PLC的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键入到PLC内存。小型PLC的用户程序比较简单，不需要分段，而是顺序编制的。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。按模块结构组成的用户程序，每个模块用来解决一个确定的技术功能，能使很长的程序编制得易于理解，还使得程序的调试和修改变得很容易。对于数控机床来说，数控机床PLC中的用户程序由机床制造厂提供，并已固化到用户EPROM中，机床用户不需进行写入和修改，只是当机床发生故障时，根据机床厂提供的梯形图和电气原理图，来查找故障点，进行维修。四、PLC的规模和几种常用名称在实际运用中，当需要对PLC的规模作出评价时，较为普遍的作法是根据输入／输出点数的多少或者程序存储器容量（字数）的大小作为评价的标准，将PLC分为小型、中型和大型（或小规模、中规模和大规模）三类，如表5-1所示。表5－1PLC的规模分类评价指标PLC规模输入/输出点数（二者总点数）程序存储容量（KB＝千字）5小型PLC小于128点1KB以下中型PLC128点至512点1－4KB大型PLC512点以上4KB以上存储器容量的大小决定存储用户程序的步数或语句条数的多少。输入／输出点数与程序存储器容量之间有内在的联系。当输入／输出点数增加时，顺序程序处理的信息量增大，程序加长，因而需加大程序存储器的容量。一般来说，数控车床、铣床、加工中心等单机数控设备所需输入或输出点数多在128点以下，少数复杂设备在128点以上。而大型数控机床，FMC、FMS、FA则需要采用中规模或大规模PLC。为了突出可编程序控制器作为工业控制装置的特点，或者为了与个人计算机“PC”或脉冲编码器“PLC”等术语相区别，除通称可编程控制器为“PLC”外，目前不少厂家，其中有些是世界著名的PLC厂家，还采用了与PLC不同的其他名称。现将几种常见名称列举如下：微机可编程控制器（MicroprocessorProgrammableController-MPC）；可编程接口控制器（ProgrammableInterfaceController-PIC）；可编程机器控制器（ProgrammableMachineController-PMC），可编程顺序控制器（ProgrammableSeguenceController-PSC）。第二节数控机床用PLC一、数控机床用PLC数控机床用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”（Built-inType）PLC。另一类是输入／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等均能满足数控机床控制要求的“独立型”（Stand-aloneType）PLC。1.“内装型”PLC“内装型”PLC（或称“内含型”PLC、“集成式”PLC）从属于CNC装置，PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部即可实现。PLC与MT间则通过CNC输入／输出接口电路实现信号传送（如图5-3所示）。图5-3具有内装型PLC的CNC机床系统框图内装型PLC有如下特点：1）内装型PLC实际上是CNC装置带有的PLC功能，一般是作为一种基本的或可选