数控机床PLC控制

数控机床PLC控制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（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（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可编程控制器的组成及工作方式(2）存储器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。（3）用户输入/输出部分（4）I/O扩展模块（5）外围设备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（2）程序执行阶段（3）输出刷新阶段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竖线）。梯形图和语句表梯形图和语句表是PLC中最常用的两种编程语言，下面将对这两种编程语言作一阐述。1.梯形图(2）梯形图与继电器逻辑电路（RLC）在操作上的差别梯形图与继电器电路的控制逻辑相似，但其工作顺序与继电器电路不同。在RLC中，逻辑控制的结果取决于继电器线圈、触点和其它机电器件的动作时间。而梯形图则是沿从上到下，从左到右，一个梯级一个梯级顺序地进行工作；当执行至顺序程序结束时，又返回开头重复执行。（3）高级顺序和低级顺序数控机床的PLC处理时间一般在1—100ms之间，对于数控机床的绝大多数信号，这个速度已足够了。但有些信号（尤其是脉冲信号）要求响应时间约20ms。为适应整机控制信号的不同响应要求，PLC程序常分为高级顺序和低级顺序两部分。只应把需要迅速处理的信号及快速响应的顺序编在高级顺序中，如急停、坐标轴极限超程等逻辑，其它信号则编在低级顺序中。采用语句表编程的PLC的指令各有不同，一般包括两种指令：基本指令；功能指令。在设计顺序程序时，使用得最多的是基本指令，如RD、AND、OR等。数控机床执行的顺序逻辑往往比较复杂，仅使用基本指令编程十分困难，即使可以实现，程序规模往往很庞大，因此，必须借助功能指令以简化程序。功能指令如DEC、ROT、COIN等。2．语句表(1)基本指令(2）功能指令数控机床用PLC的指令必须满足数控机床信息处理和动作控制的特殊要求。例如，由NC输出的M、S、T二进制代码信号的译码，机械部件运动状态或液压系统动作状态的延时确认，加工零件计数，刀库、分度工作台沿最短路径旋转和现在位置至目标位置步数的计算等。FANUC0系统的PMC只有47条指令（基本指令有12条,功能指令有35条）。基本指令为2进制位的逻辑运算，功能指令主要有数据定义、数据变换、译码和代数运算。在为数控机床编辑顺序程序时，对于上述译码、定时、计数、最短路径选择，以及比较、检索、转移、代码转换、数据四则运算、信息显示等控制功能，仅用执行一位操作的基本指令编程，实现起来将会十分困难。因此，就需要增加一些具有专门控制功能的指令来解决基本指令无法处理的那些控制问题。这些专门指令就是“功能指令”。功能指令一般包括，定时器指令、计数器指令、顺序结束指令、译码指令、旋转指令及乘除运算等。数控机床所受控制可分为两类：一类是“数字控制”，数控机床各坐标轴的移动距离，各轴运行的插补、补偿控制等；另一类是“顺序控制”，根据机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等的开关量信号，并根据预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的启/停、换向、刀具的更换、工件的夹紧/松开、液压、冷却、润滑系统的运行等进行的控制。PLC应用的基本电气知识1.NC侧与MT侧的概念数控机床从结构上看通常可分为三部分：CNC系统（计算机数控系统）；（CNC侧）机床电气；（PLC侧）机床本体。（MT侧）MT侧顺序控制的最终对象的数量随数控机床的类型、结构、辅助装置等的不同而有很大的差别。一般来说，机床结构越复杂，辅助装置越多，受控对象数量就越多。相比而言柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）的受控对象数量多，而数控车床、数控铣床的受控对象数量较少。2.接口信息数控机床PLC主要包括两类接口信息：硬件电气接口信息PLC与数控装置、机床及机床电气设备之间的电气连接部分；软件寄存器接口信息。PLC为了运算和实现某些特殊功能的需要，以及内装式PLC与NC间数据交换的需要设置的寄存器变量或功能函数。1.电气接口电气接口从信号的流向看包括输入接口和输出接口；从信号的幅值特性看包括模拟量接口和开关量接口。对PLC而言，由机床或NC等外部设备向PLC传送的信号称为输入信号，由PLC向机床或NC等外部设备传送的信号称为输出信号；若信号的幅值是连续变化的称为模拟量信号，若只有导通和断开两种状态则称为开关量信号；开关量接口一般采用直流24V供电，低电平有效，