數(shù)控機(jī)床用可編程控制器LC概述

四、數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器PLC1本講主要內(nèi)容PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC的工作原理數(shù)控機(jī)床用可編程控制器的類型及特點PLC在數(shù)控機(jī)床上的配置方式可編程控制器與外部的信息交換數(shù)控機(jī)床用可編程控制器的控制功能2引言數(shù)控機(jī)床的控制除了對坐標(biāo)軸的進(jìn)給進(jìn)行位置伺服控制外，還需要對機(jī)床的主軸、刀具和各種開關(guān)信號進(jìn)行控制。如主軸的正、反轉(zhuǎn)，起動和停止，刀具交換，工件夾緊、松開，工作臺交換以及切削液的開、關(guān)和潤滑系統(tǒng)的啟動等進(jìn)行順序控制。順序控制的信息主要是開關(guān)量信號，如控制開關(guān)、行程開關(guān)、壓力開關(guān)和溫度開關(guān)等輸入元件輸入的信號和繼電器、接觸器、電磁閥等輸出元件所需要的輸出信號。在數(shù)控機(jī)床上用可編程控制器完成這一控制任務(wù)。3一、PLC的基本結(jié)構(gòu)41．PLC的硬件結(jié)構(gòu)（1）

可編程控制器實質(zhì)上是一種工業(yè)控制用的專用計算機(jī)，PLC與微型計算機(jī)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。CPU是PLC的核心部件，其上不僅有CPU集成芯片，而且還有一定數(shù)量的內(nèi)存儲器RAM和系統(tǒng)程序存儲器EPROM，用戶程序存儲器EPROM，輸入輸出（I／O）模塊及電源等組成，其各部分均采用總線結(jié)構(gòu)。PLC的基本結(jié)構(gòu)P2315可編程控制器結(jié)構(gòu)框圖PLC的基本結(jié)構(gòu)61．PLC的硬件結(jié)構(gòu)（2）

中央處理單元CPUPLC中的CPU與通用微機(jī)中的CPU一樣，是PLC的核心部分。CPU按系統(tǒng)程序賦予的功能，接收并存儲從編程器鍵人的用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描方式查詢現(xiàn)場輸入裝置的各種信號狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入狀態(tài)寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中，在診斷了電源、PLC內(nèi)部電路及編程語句無誤后，PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。在PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲器逐條讀取用戶程序，完成用戶程序中規(guī)定的邏輯運(yùn)算或算術(shù)運(yùn)算等任務(wù)。根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，再由輸出狀態(tài)寄存器的位狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容，實現(xiàn)輸出控制、制表打印、數(shù)據(jù)通信等功能。PLC的基本結(jié)構(gòu)71．PLC的硬件結(jié)構(gòu)（3）

存儲器PLC存儲器一般有隨機(jī)存儲器RAM和只讀儲器EPROM。RAM中一般存放各種暫存數(shù)據(jù)，中間結(jié)果及用戶正在調(diào)試的程序。PLC所用的只讀存儲器為EPROM，內(nèi)部存儲有PLC控制的系統(tǒng)程序，如檢查程序、鍵盤輸入處理程序、編譯程序、信息傳遞程序及監(jiān)控程序等，由廠家固化到EPROM中。有時，用戶程序也可固化到EPROM中，避免RAM中存儲的用戶程序丟失。PLC的基本結(jié)構(gòu)81．PLC的硬件結(jié)構(gòu)（4）

輸入輸出模塊（I／O模塊）

I／O模塊是PLC與現(xiàn)場I／O裝置或其他外部設(shè)備的連接部件?，F(xiàn)場輸入裝置有控制按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、行程開關(guān)、接近開關(guān)、壓力開關(guān)及溫控開關(guān)等，這些信號經(jīng)接口電路接入PLC后，還要經(jīng)過抗強(qiáng)電干擾的光電耦合、消抖動電路、濾波電路才能送到PLC輸入數(shù)據(jù)寄存器。PLC的基本結(jié)構(gòu)91．PLC的硬件結(jié)構(gòu)（5）

PLC的輸出裝置有繼電器、雙向晶閘管和晶體管三種形式，因此，PLC提供了各種操作電平、驅(qū)動能力以及不同功能的I／O模塊供用戶選用。模擬量輸入輸出模塊和智能接口模塊。模擬量輸入輸出模塊的作用就是將輸入的模擬量經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換變成PLC能處理的數(shù)字量，并將PLC處理后的數(shù)字量經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換變成模擬量輸出。PLC的基本結(jié)構(gòu)101．PLC的硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)（6）編程器編程器用于于用戶程序序的編制、編輯輯、調(diào)試和和監(jiān)視，還可以通通過其鍵盤盤調(diào)用和顯顯示PLC的一些內(nèi)部部狀態(tài)和系系統(tǒng)參數(shù)。。通過接口與與PLC聯(lián)系，完成成人機(jī)對話話連接。簡易型編程程器只能在在線編程，它通過一一個專用接接口與PLC連接。智能型編程程器既可在在線編程又又可離線編編程，還可可與微型計計算機(jī)接口口或與打印印機(jī)接口，，實現(xiàn)程序序的存儲、、打印、通通信等功能能。PLC的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)112．PLC軟件系統(tǒng)（（1）PLC的軟件系統(tǒng)統(tǒng)包括系統(tǒng)程序和和用戶程序序。系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序又又包括監(jiān)控程序、、編譯程序序及診斷程程序等。監(jiān)控程序又稱為管理理程序，主主要用于管管理整機(jī)；；編譯程序用來把程序序語言翻譯譯成機(jī)器語語言；診斷程序用來診斷機(jī)機(jī)器故障。。系統(tǒng)程序序由PLC生產(chǎn)廠家提提供，并固固化在EPROM中，用戶不不能直接存存取，故也也不需要用用戶干預(yù)。。PLC的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)122．PLC軟件系統(tǒng)（（2）用戶程序用戶程序是是用戶根據(jù)據(jù)現(xiàn)場控制制的需要，，用PLC程序語言編編制的應(yīng)用用程序，用以實現(xiàn)現(xiàn)各種控制制要求。用用戶程序由由用戶用編編程器輸入入到PLC內(nèi)存。小型PLC的用戶程序序比較簡單單，不需要要分段，可可按順序編編制；大中中型PLC的用戶程序序很長，也也比較復(fù)雜雜，為使用用戶程序編編制簡單清清晰，可按功能結(jié)結(jié)構(gòu)或使用用目的將用用戶程序劃劃分成各個個程序模塊塊，每個模塊塊用來解決決一個確定定的技術(shù)功功能，這樣樣使程序編編制變得容容易理解，，同時能很很方便地對對程序進(jìn)行行調(diào)試和修修改。PLC的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)13二、PLC的工作原理理141．基本思想用戶程序通通過編程器器輸入到用用戶存儲器器，CPU對用戶程序序循環(huán)掃描描并順序執(zhí)執(zhí)行，這是是PLC的基本工作作原理。掃描與順序序執(zhí)行只要PLC接通電源，，CPU就對用戶存存儲器的程程序進(jìn)行掃掃描，即從從第一條用用戶程序開開始順序執(zhí)執(zhí)行，直到到用戶程序序最后一條條，形成一一個掃描周周期，周而而復(fù)始。用梯形圖形形象地說就就是從上至下，，從左至右右，逐行掃掃描執(zhí)行梯形圖圖所描述的的邏輯功能能。目前在PLC中，執(zhí)行每每條指令的的平均時間間可達(dá)μs級。PLC的工作原理理15２．掃描工工作過程（（1）CPU的一個周期期CPU進(jìn)行輸入點點狀態(tài)采集、用戶程序序邏輯運(yùn)算、相應(yīng)輸出出狀態(tài)的更新和I／O執(zhí)行。當(dāng)有編程器器接入PLC時，CPU還要對編程程器的在線線輸入信號號進(jìn)行響應(yīng)應(yīng)，并更新新顯示。CPU還要對自身的硬硬件進(jìn)行快速自檢，并對監(jiān)視視掃描用的的定時器進(jìn)進(jìn)行復(fù)位。。完成自檢檢后，CPU又從首地址址重新開始始掃描運(yùn)行行。PLC的工作原理理16２．掃描工工作過程（（2）輸入采樣在輸入采樣樣階段，PLC以掃描方式式將所有輸輸入端的輸輸入信號狀狀態(tài)（ON／OFF狀態(tài)）讀入入到輸入映映像寄存器器中寄存起起來，稱為對輸輸入信號的的采樣。在程序執(zhí)行行期間，即即使輸入狀狀態(tài)變化，，輸入映像寄寄存器的內(nèi)內(nèi)容也不會會改變。輸入狀態(tài)態(tài)的變化只只能在下一一個工作周周期的輸入入采樣階段段才被重新新讀入。PLC的工作原理理17２．掃描工工作過程（（3）程序執(zhí)行階階段在程序執(zhí)行行階段，PLC對程序按順順序進(jìn)行掃掃描。如程序用用梯形圖表表示，則總總是按先上上后下、先先左后右的的順序掃描描。每掃描到一一條指令時時，所需要要的輸入狀態(tài)或其他元素素的狀態(tài)分分別從輸入映像寄寄存器或輸輸出映像寄寄存器中讀讀入，然后進(jìn)行行相應(yīng)的邏邏輯或算術(shù)術(shù)運(yùn)算，運(yùn)運(yùn)算結(jié)果再再存入專用用寄存器。。若執(zhí)行程序序輸出指令令時，則將將相應(yīng)的運(yùn)算結(jié)果存入輸出映像寄存器器。PLC的工作原理理18２．掃描工工作過程（（4）輸出刷新階階段在所有指令令執(zhí)行完畢畢后，輸出出映像寄存存器中的狀狀態(tài)就是欲欲輸出的狀狀態(tài)。在輸輸出刷新階階段，將映像寄存存器中的狀狀態(tài)轉(zhuǎn)存到到輸出鎖存存電路，再經(jīng)輸出出端子輸出出信號去驅(qū)驅(qū)動用戶輸輸出設(shè)備，，這就是PLC的實際輸出出。PLC的工作原理理19三、數(shù)控機(jī)機(jī)床用可編編程控制器器

類型及及特點20PLC在數(shù)控機(jī)床床中的作用用機(jī)床的控制制分為數(shù)字字控制和順順序控制：：數(shù)字控制：：刀具軌軌跡順序控制：：輔助機(jī)機(jī)械動作（（強(qiáng)電控制制）主軸轉(zhuǎn)速，，刀具選擇擇，輔助功功能等等。PLC來完成21數(shù)控機(jī)床分分為NC側(cè)和機(jī)床側(cè)側(cè)。NC側(cè)：CNC系統(tǒng)的硬件件和軟件，，以及相關(guān)關(guān)外部設(shè)備備。機(jī)床側(cè)：機(jī)機(jī)床機(jī)械部部分，液壓壓、氣壓、、冷卻、潤潤滑、排屑屑、操作面面板等。PLC處于NC側(cè)與機(jī)床側(cè)側(cè)之間，對對NC和機(jī)床的輸輸入輸出信信號進(jìn)行處處理。22PLC順序控制任任務(wù)：1.主軸啟停，，正反轉(zhuǎn)，，速度控制制；2.冷卻、潤滑滑系統(tǒng)接通通與斷開；；3.刀庫的啟停停與刀具的的選擇和更更換；4.卡盤的松開開與加緊；；5.自動門的打打開與閉合合；6.尾座和和套筒筒的啟啟停、、前進(jìn)進(jìn)、后后退控控制；；7.排屑等等輔助助裝置置的控控制。。231．機(jī)機(jī)床用用PLC分類數(shù)控機(jī)機(jī)床中中所用用的PLC可分為為兩類類：一一類是是專為為實現(xiàn)現(xiàn)數(shù)控控機(jī)床床順序序控制制而設(shè)設(shè)計制制造的的內(nèi)裝型型PLC另一類類是那那些輸輸入輸輸出技技術(shù)規(guī)規(guī)范，，輸入入輸出出點數(shù)數(shù)、程程序存存儲容容量以以及運(yùn)運(yùn)算和和控制制功能能等均均能滿滿足數(shù)數(shù)控機(jī)機(jī)床控控制要要求的的獨立型型PLC。NC用PLC類型及特點24２．內(nèi)裝型PLC（１））內(nèi)裝型PLC從屬于CNC裝置，PLC與NC之間信號傳送送在CNC裝置內(nèi)部就可可完成，而PLC與機(jī)床側(cè)的信信息傳送則要要通過輸入輸輸出接口來完完成。實際上就是CNC裝置帶有PLC的功能。NC用PLC類型及特點25２．內(nèi)裝型PLC（２））內(nèi)裝型PLC特點（1）：是作為CNC裝置帶有的PLC功能，一般是是作為一種可可選功能提供供給用戶。內(nèi)裝型PLC的性能指標(biāo)（（如輸入輸出出點數(shù)、程序序最大步數(shù)、、每步執(zhí)行時時間、程序掃掃描周期、功功能指令數(shù)目目等）是根據(jù)據(jù)所從屬的CNC系統(tǒng)的規(guī)格、、性能、適用用機(jī)床的類型型等確定的，，其硬件和軟件部部分是被作為為CNC系統(tǒng)的基本功功能或附加功功能與CNC系統(tǒng)一起統(tǒng)一一設(shè)計制造的的。NC用PLC類型及特點26２．內(nèi)裝型PLC（3））內(nèi)裝型PLC特點（2）：在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上上，內(nèi)裝型PLC既可以與CNC共用一個CPU，也可以單獨使用一個個CPU，此時的PLC對外有單獨配配置的輸入輸輸出電路，而而不使用CNC裝置的輸入輸輸出電路。擴(kuò)大了CNC內(nèi)部直接處理理的通信窗口口功能，可以以使用梯形圖圖的編輯和傳傳送等高級控控制功能，且且造價便宜，，提高了CNC的性能價格比比。NC用PLC類型及特點27具有內(nèi)裝型PLC的CNC系統(tǒng)NC用PLC類型及特點282．獨立型PLC（1））獨立型PLC又稱通用型PLC。獨立型PLC獨立于CNC裝置，具有完完備的硬件和和軟件，能獨獨立完成規(guī)定定控制任務(wù)的的裝置。數(shù)控機(jī)床用獨獨立型PLC，一般采用模塊塊化結(jié)構(gòu)，裝在插板式式籠箱內(nèi)，它它的CPU系統(tǒng)程序、用用戶程序、輸輸入輸出電路路、通信等均均設(shè)計成獨立立的模塊。獨立型PLC主要用于FMS、CIMS形式中的CNC機(jī)床，具有較強(qiáng)的的數(shù)據(jù)處理、、通信和診斷斷功能，成為為CNC與上級計算機(jī)機(jī)聯(lián)網(wǎng)的重要要設(shè)備。NC用PLC類型及特點29獨立型PLC的CNC系統(tǒng)NC用PLC類型及特點302．獨立型PLC（2））獨立型PLC具有以下特點點（１）：獨立型PLC本身是一個完完整的計算機(jī)機(jī)系統(tǒng)，其具有CPU、EPROM、RAM、I/O接口以及編程程器等外部設(shè)設(shè)備通信接口口、電源等。。獨立型PLC的I/O模塊種類齊全全，其輸入輸出點數(shù)數(shù)可通過增減I/O模塊靈活配置。NC用PLC類型及特點312．獨立型PLC（3））獨立型PLC具有以下特點點（２）：與內(nèi)裝型PLC比較，獨立型型PLC功能更強(qiáng)，但但一般要配置單獨的的編程設(shè)備。獨立型PLC與數(shù)控系統(tǒng)之之間的信息交交換可通過I/O接口對接方式，也可采用通信方式。I/O接口對接方式就是將數(shù)控系系統(tǒng)的輸入輸輸出點通過連連線與PLC的輸入輸出點點連接起來，，適應(yīng)于數(shù)控控系統(tǒng)與各種種PLC的信息交換。。但由于每一一點的信息傳傳遞需要一根根信號線，所所以這種方式式連線多，信息交換量小小。采用通信的方式可克服上述I/O對接的缺點。。但采用這種種方式的數(shù)控控系統(tǒng)與PLC必須采用同一通信協(xié)議議。采用通信方方式時，數(shù)控控系統(tǒng)與PLC的連線少，信信息交換量大大而且非常方方便。NC用PLC類型及特點32四、PLC在數(shù)控機(jī)床上上的配置方式式33PLC在數(shù)控機(jī)床上上配置方式圖圖例（1）PLC在機(jī)床上配置置方式PLC在機(jī)床側(cè)代替替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電電器邏輯系統(tǒng)統(tǒng)，有m+n個輸入輸出點點PLC在CNC控制柜中，有有m個輸入輸出點點，元器件數(shù)數(shù)目少，易于于維修，成本本低。34PLC在數(shù)控機(jī)床上上配置方式圖圖例（2）PLC在機(jī)床上配置置方式PLC在控制柜中，，輸入輸出接接口在機(jī)床一一側(cè)，中間用用一個光纜通通信。35１．PLC在數(shù)控機(jī)床上上的配置方式式（1）第一種PLC安裝在機(jī)床側(cè)側(cè)，用于完成成傳統(tǒng)繼電器器的邏輯控制制，PLC與數(shù)控系統(tǒng)之之間通過I／O點連線對接交交換信息，PLC通過I／O點再控制機(jī)床床的邏輯動作作。在這種配配置中，PLC可選用任意一一種型號的產(chǎn)產(chǎn)品，可選擇余地地大。此時PLC需N+M根連線，因此此連線復(fù)雜。PLC在機(jī)床上配置置方式36１．PLC在數(shù)控機(jī)床上上的配置方式式（2）第二種采采用內(nèi)裝PLC。此時PLC僅有M根輸入輸出連連線控制機(jī)床床，而PLC與數(shù)控系統(tǒng)之之間的信息交交換在數(shù)控系系統(tǒng)內(nèi)部完成成，因此連線少少，易于維修修，成本也較較低。PLC在機(jī)床上配置置方式37１．PLC在數(shù)控機(jī)床上上的配置方式式（3）第三種獨立立型PLC安裝裝在在靠靠近近CNC處（（或或使使用用內(nèi)內(nèi)置置PLC）），，但將將PLC的I／／O模塊塊安安裝裝在在機(jī)機(jī)床床側(cè)側(cè)，PLC與I／／O模塊塊之之間間使使用用遠(yuǎn)遠(yuǎn)程程I／／O通信信線線連連接接（（通通常常PLC均有有遠(yuǎn)遠(yuǎn)程程I/O模塊塊））。。這這種種配配置置特特別別適用用于于重重型型、、大大型型機(jī)機(jī)床床，可可使使用用多多個個遠(yuǎn)遠(yuǎn)程程I／／O模塊塊，，各各遠(yuǎn)遠(yuǎn)程程I／／O模塊塊安安裝裝在在靠靠近近各各自自的的控控制制對對象象處處，，從從而而減減少少和和縮縮短短了了連連線線，，簡簡化化了了強(qiáng)強(qiáng)電電結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，提提高高了了系系統(tǒng)統(tǒng)的的可可靠靠性性。。PLC在機(jī)機(jī)床床上上配配置置方方式式38五、、PLC與外外部部的的信信息息交交換換391．．機(jī)機(jī)床床至至PLC（（MT→→PLC））機(jī)床床側(cè)側(cè)的的開開關(guān)關(guān)量量信信號號通通過過I／／O單元元接接口口輸輸入入至至PLC中，，除除極極少少數(shù)數(shù)信信號號外外，，絕絕大大多多數(shù)數(shù)信信號號的的含含義義及及所所占占用用PLC的地地址址均均可可由由PLC程序序設(shè)設(shè)計計者者自自行行定定義義。。PLC信息息交交換換402．．PLC至機(jī)機(jī)床床（（PLC→→MT））PLC控制制機(jī)機(jī)床床的的信信號號通通過過PLC的開開關(guān)關(guān)量量輸輸出出接接口口送送到到機(jī)機(jī)床床側(cè)側(cè)，所所有有開開關(guān)關(guān)量量輸輸出出信信號號的的含含義義及及所所占占用用PLC的地地址址均均可可由由PLC程序序設(shè)設(shè)計計者者自自行行定定義義。。舉例例在SINUMERIK810數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)中中，，機(jī)機(jī)床床側(cè)側(cè)某某電電磁磁閥閥的的動動作作由由PLC的輸輸出出信信號號來來控控制制，，設(shè)設(shè)該該信信號號用用Q1．．4來定定義義。。該該信信號號通通過過I／／O模塊塊和和I／／O端子子板板輸輸出出至至中中間間繼繼電電器器線線圈圈，，繼繼電電器器的的觸觸點點又又使使電電磁磁閥閥的的線線圈圈得得電電，，從從而而控控制制電電磁磁閥閥的的動動作作。。同同樣樣，，Q1．．4信號號可可在在PLCSTATUS狀態(tài)態(tài)下下，，通通過過觀觀察察QBl的第第4位位““0””或或““1””來來獲獲知知該該輸輸出出信信號號是是否否有有效效。。PLC信息息交交換換413．．CNC至PLC（（CNC→→PLC））CNC送至至PLC的信信息息可可由CNC直接接送送入入PLC的寄寄存存器器中中，所所有有CNC送至至PLC的信信號號含含義義和和地地址址（（開開關(guān)關(guān)量量地地址址或或寄寄存存器器地地址址））均均由由CNC廠家家確確定定，，PLC編程程者者只只可可使使用用，，不不可可改改變變和和增增刪刪。。舉例例數(shù)控控指指令令的的M、、S、、T功能能，，通通過過CNC譯碼碼后后直直接接送送入入PLC相應(yīng)應(yīng)的的寄寄存存器器中中。。在在SINUMERIK810數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)中，M03指令經(jīng)譯譯碼后，，送入FY27．3寄存器中中。PLC信息交換換424．PLC至CNC（（PLC→CNC））PLC送至CNC的信息也也由開關(guān)關(guān)量信號號或寄存存器完成成，所有有PLC送至CNC的信號地地址與含含義由CNC廠家確定定，PLC編程者只只可使用用，不可可改變和和增刪。舉例SINUMERIK810數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)中，Q10