第五章 數控系統(tǒng)中的PLC控制教材

第五章數控系統(tǒng)中的PLC控制介紹了數控系統(tǒng)中PLC的組成、分類及工作過程；數控系統(tǒng)中PLC與CNC、MT之間的信息交換；數控系統(tǒng)中PLC控制功能（M、S、T）的實現方法；數控系統(tǒng)中的PLC在數控機床主軸運動、潤滑系統(tǒng)、自動換刀以及零件計數等方面的具體應用第一節(jié)概述

一、作用對機床主軸正反轉與啟停、工件的夾緊與松開、冷卻液開關、刀具更換、工件及工作臺交換、液動與氣動以及潤滑等輔助功能進行順序控制。二、概念可編程序控制器PC（ProgrammableController）是一種數字運算系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下的設備運行與控制而設計。圖7-1數控系統(tǒng)內部信息流在數控系統(tǒng)信息流通中PLC控制的輔助功能（M、S、T等）信息第二節(jié)數控系統(tǒng)中的PLC

一、PLC的結構、特點及其工作過程（一）PLC的基本結構

PLC的種類型號很多，大、中、小型PLC的功能不盡相同，其結構也各不相同，但它們的基本結構形式大體上是相同的，都是由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM/ROM）、輸入/輸出單元（I/O）、編程器、電源模塊和外部設備等組成，并且內部采用總線結構。圖7-2PLC控制系統(tǒng)組成1．中央處理單元CPUPLC中的CPU與通用計算機中的CPU一樣，是PLC的核心。PLC實現的控制任務，主要是完成一些動作和速度要求不特別快的順序控制，在一般情況下，不需要使用高速的微處理器。為了提高PLC的控制功能，通常采用多CPU控制方式，如用一個CPU用來管理邏輯運算及專用功能指令；另一個CPU用來管理I/O接口和通信等功能。中、小型PLC常用8位或16位微處理器，大型PLC則采用高速單片機。2．存儲器PLC存儲器主要包括隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM。PLC所用存儲器基本上由EPROM、RAM和PROM三種形式組成，其存儲容量隨著PLC類別或規(guī)模的不同而改變。3．輸入/輸出（I/O）模塊I/O模塊是PLC與外部設備或現場I/O裝置之間進行信息交換的橋梁。4．編程器編程器是提供用戶進行程序的編制、編輯、調試、監(jiān)視以及運行應用程序的特殊工具，一般由鍵盤、智能處理器、顯示屏、外部設備（如硬盤/軟盤驅動器等）組成，它通過通信接口與PLC相連，完成人機對話功能。5．電源電源單元的作用是將外部提供的交流電轉換為PLC內部所需的直流電源。圖7-3SIMATICS7-300結構圖（二）PLC的特點1．可靠性高2．靈活性好3．編程簡單4．與現場信號直接連接5．安裝簡單維修方便6．網絡通信（三）工作過程PLC的工作過程是在硬件的支持下運行軟件的過程圖7-4PLC的掃描過程圖7-5PLC的工作過程二、數控系統(tǒng)中的PLC分類數控系統(tǒng)中的PLC可分為“內裝型”（Built-in-Type）PLC和“獨立型”（Stand-alone-Type）PLC兩種類型。1．內裝型PLC內裝型PLC是指PLC內置于CNC裝置內，從屬于CNC裝置，與CNC裝置集于一體圖7-6內裝型PLC的CNC系統(tǒng)框圖內裝型PLC的性能指標（如輸入／輸出點數、程序掃描時間、每步執(zhí)行時間、程序最大步數、功能指令數目等）是根據所從屬的CNC系統(tǒng)的規(guī)格、性能、適用機床的類型等確定的。圖7-7內裝型PLC中的CPU圖7-8SINUMERIK810數控系統(tǒng)的I/O模塊序號公司名稱CNC系統(tǒng)型號內裝型PLC型號1234567891011FANUCFANUCFANUCFANUCFANUCFANUCSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENSSystem0System0MateSystem3System6System10/11System15/16/18SINUMERIK820SINUMERIK3SINUMERIK8SINUMERIK850SINUMERIK880PMC-L/MPMC-L/MPC-DPC-A/BPMC-IPMC-MS5-135WS5-100WBS5-130WB,S5-150A/K/SS5-130WB,S5-150U,S5-155US5-135W表7-1具有內裝型PLC的CNC系統(tǒng)2．獨立型PLC獨立型PLC是完全獨立于CNC裝置、具有完備的硬件和軟件功能、能夠獨立完成CNC系統(tǒng)規(guī)定控制任務的裝置。圖7-9獨立型PLC的CNC系統(tǒng)框圖圖7-10SIMATICS7-300可編程序控制器第三節(jié)數控系統(tǒng)中PLC的信息交換

CNC、PLC和MT之間的信息交換包括以下四個部分。1．CNC傳送給PLCCNC送至PLC信息可由開關量輸出信號（對CNC側而言）完成，也可由CNC直接送入PLC的寄存器中。主要包括各種功能代碼M、S、T的信息，手動/自動方式信息及各種使能信息等。2．PLC傳送給CNCPLC送至CNC的信息由開關量輸入信號（對CNC側而言）完成，所有PLC送至CNC的信息地址與含義由CNC系統(tǒng)生產廠家確定，PLC編程者只可使用不可改變和增刪。主要包括M、S、T功能的應答信息和各坐標軸對應的機床參考點信息等。3．PLC傳送給MTPLC控制機床的信號通過PLC的開關量輸出接口送至MT中。主要用來控制機床的執(zhí)行元件，如電磁閥、繼電器、接觸器以及各種狀態(tài)指示和故障報警等。4．MT傳送給PLC機床側的開關量信號可通過PLC的開關量輸入接口送入PLC中，主要是機床操作面板輸入信息和其上各種按鈕、開關等信息，如機床的起停、主軸正反轉和停止、各坐標軸點動、切削液的開關、刀架卡盤的夾緊與松開、倍率選擇及各運動部件的限位開關信號等信息。圖7-11FAGOR系統(tǒng)的信息交換第四節(jié)數控系統(tǒng)中的PLC控制功能實現1．M功能的實現M功能稱為輔助功能，用M后跟二位數字來表示。根據M代碼的編程，可以實現機床主軸正反轉及停止，數控加工程序運行停止，冷卻液的開關，自動換刀，卡盤的夾緊和松開等功能的控制。輔助功能代碼功

能類型輔助功能代碼功

能類型M00M01M02M03M04M05M06程序停選擇停程序結束主軸順時針旋轉主軸逆時針旋轉主軸停換刀準備AAAIIACM07M08M09M10M11M30液狀冷卻霧狀冷卻關冷卻液夾緊松開程序結束并倒帶IIAHHA2．S功能的實現S功能是主軸轉速控制功能，以往用S2位代碼形式指定主軸轉速，現代數控系統(tǒng)一般用S4位代碼來編程。圖7-12S功能處理框圖圖7-13SINUMERIK3系統(tǒng)主軸控制框圖3．T功能的實現T功能稱為刀具功能，用T代碼后跟2～5位數字表示刀具號和刀具補償號。根據T代碼通過PLC可以實現數控機床的自動換刀及刀庫管理，即根據刀具和刀具座的編號，可以方便可靠地進行選刀和換刀控制。圖7-14T功能處理示意圖圖7-15T功能處理流程圖第五節(jié)數控系統(tǒng)中的PLC應用實例一、典型PLC介紹數控機床用FANUCPLC有PMC-A、PMC-B、PMC-C、PMC-D、PMC-GT和PMC-L等多種型號，它們分別適用于不同的FANUC系統(tǒng)組成內裝型的PLC。圖7-16堆棧寄存器操作順序1．基本指令序號指令處理內容1RD讀指令信號的狀態(tài)，并寫入ST0中。在一個梯級開始的節(jié)點是常開節(jié)點時使用2RD.NOT將信號的“非”狀態(tài)讀出，送入ST0中，在一個梯級開始的節(jié)點是常閉點時使用3WRT輸出運算結果（ST0的狀態(tài)）到指定地址4WRT.NOT輸出運算結果（ST0的狀態(tài)）的“非”狀態(tài)到指定地址5AND將ST0的狀態(tài)與指定地址的信號狀態(tài)相“與”后，再置于ST0中6AND.NOT將ST0的狀態(tài)與指定的信號的“非”狀態(tài)相“與”后，再置于ST0中7OR將指定地址的狀態(tài)與ST0相“或‘后，再置于ST08OR.NOT將地址的“非”狀態(tài)與ST0相“或‘后，再置于ST09RD.STK堆棧寄存器左移一位，并把指定的地址的狀態(tài)置于ST010RD.NOT.STK堆棧寄存器左移一位，并把指定地址的狀態(tài)取“非”后再置于ST011AND.STK將ST0和ST1的內容執(zhí)行邏輯“與”，結果存于ST0，堆棧寄存器右移一位12OR.STK將ST0和ST1的內容執(zhí)行邏輯“或”，結果存于ST0，堆棧寄存器右移一位表5-5基本指令及處理內容基本指令格式如下：×× 0000.0指令操作碼

地址號

位數操作數據如RD100.6，其中RD為操作指令碼，100.6為操作數，即指令操作對象。它實際上是PLC內部數據存儲器某一個單元中的一位100.6表示第100號存儲單元中的第6位。圖5-18梯形圖例RD 1.0AND.NOT 1.1RD.STK 1.4AND.NOT 1.5OR.STKRD.STK 1.2AND 1.3RD.STK 1.6AND.NOT 1.7OR.STKAND.STKWRT 15.0WRT.NOT 15.1RD.NOT 2.0OR 2.1AND.NOT 2.2WRT 15.22．功能指令數控機床用的PLC指令必須滿足數控機床信息處理和動作順序控制的特殊要求。例如CNC輸出的M、S、T二進制代碼信號的譯碼（DEC）；加工零件的計數（CTR）；機械運動狀態(tài)或液壓系統(tǒng)動作狀態(tài)的延時（TMR）確認；刀庫、分度工作臺沿最短路徑旋轉和現在位置至目標位置步數的計算（ROT）；換刀時數據檢索（DSCH）和數據變址傳送指令（XMOV）等。功能指令都是一些子程序，應用功能指令就是調用相應的子程序。1）功能指令的格式功能指令不能使用繼電器的符號，必須使用圖5-19所示格式符號。這種格式包括：控制條件、指令標號、參數和輸出幾個部分。圖5-19功能指令格式RD.NOT 1.0AND 1.1RD 2.4AND.NOT 3.1SUBOO （指令）PRMOOOO （參數1）PRMOOOO （參數2）PRMOOOO （參數3）PRMOOOO （參數4）WRT 10.1（1）控制條件控制條件的數量和意義隨功能指令的不同而變化?？刂茥l件被存入堆棧寄存器中，其順序是固定不變的。（2）指令功能指令的種類見表5-6，指令有三種格式，格式1用于梯形圖；格式2用于在紙帶穿孔和程序顯示；格式3用編程器輸入程序時的簡化指令。對于TMR和DEC指令在編程器上有其專用指令鍵，其他功能指令則用SUB鍵和其后的數字鍵輸入。（3）參數功能指令不同于基本指令，可以處理各種數據，數據本身或存有數據的地址可作為功能指令的參數，參數的數量和含義隨指令的不同而不同。（4）輸出功能指令的執(zhí)行情況可用一位“1”和“0”表示，把它輸出到R1軟繼電器，R1繼電器的地址可隨意確定，但有些功能指令不用R1，如MOVE、COM、JMP等。2）部分功能指令說明（1）順序程序結束指令（END1、END2）END1：高級順序程序結束指令；END2：低級順序程序結束指令。指令格式：ENDi其中i=1或2，分別表示高級和低級順序程序結束指令。（2）定時器指令（TMR、TMRB）在數控機床梯形圖編制中，定時器是不可缺少的指令，用于順序程序中需要與時間建立邏輯關系的場合。功能相當于一種通常的定時繼電器。①TMR指令設定時間可更改的定時器，指令格式如圖5-20所示，語句表如下。

RDOOO.O （條件ACT）

TMROO （定時器數據存儲單元）

WRTOOO.O （輸出地址）圖5-20TMR指令格式及語句表定時器的工作原理是：當控制ACT=0時，定時繼電器TM斷開；當ACT=1時，定時器開始計時，到達預定的時間后，定時繼電器TM接通。定時器設定時間的更改可通過數控系統(tǒng)（CRT/MDI）在定時器數據地址中來設定，設定值用二進制數表示。例如有：TMR03 TM014.5s206.6則4.5s的延時數據通過手動數據輸入板（MDI）在CRT上預先設定，由系統(tǒng)存入第203號數據存儲單元。TM01即1號定時繼電器，數據位為206.6。②TMRB為設定時間固定的定時器。③譯碼指令（DEC）是數控機床在執(zhí)行加工程序中規(guī)定的M、S、T代碼信號。圖5-21DEC功能指令格式01：譯碼地址中的兩位BCD碼，高位不變，只譯低位碼。10：高位譯碼，低位不譯碼。11：兩位BCD碼均被譯碼。M30的譯碼梯形圖如圖7-22所示，語句表如下：RD 66.0AND 66.3DEC 0067PRM 3011WRT 228.1圖5-22M30LTU譯碼梯形圖圖5-23控制主軸運動的梯形圖局部HS.M 手動操作開關AS.M 自動操作開關CW.M 主軸正轉按鈕CCW.M 主軸反轉按鈕OFF.M 主軸停轉按鈕SPLGEAR 齒輪低速換檔到位行程開關SPHGEAR 齒輪高速換檔到位行程開關LEGAR 手動低速換檔到位開關HEGAR 手動高速換檔到位開關程序中應用了譯碼和延時2個功能指令，所涉及到的M功能是：M03 主軸正轉M04 主軸反轉M05 主軸停轉M41 主軸齒輪換低速檔M42 主軸齒輪換高速檔1．主軸運動的控制2.潤滑系統(tǒng)自動控制圖5-24潤滑系統(tǒng)電氣控制原理圖圖5-25潤滑系統(tǒng)控制流程圖圖5-26潤滑系統(tǒng)的PLC控制梯形圖3．自動換刀控制圖5-27刀套編碼選刀控制圖5-28隨機換刀刀庫數據表地址數據表序號(刀套號)(BCD碼)刀具號(BCD碼)1720（00000000）12（00010010）1731（00000001）11（00010001）1742（00000010）16（00010110）1753（00000011）17（00010111）176