第9章数控机床用可编程控制器.docx

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第9章数控机床用可编程控制器

第9章数控机床用可编程控制器

9.1概述

可编程控制器是一种新型的工业控制器，由计算机来实现顺序控制。

所谓顺序控制，是按生产工艺要求事先安排好程序，在输入信号的作用下，控制系统的各个执行机构按一定规律自动地顺序动作的控制。

数控机床的辅助控制可作为这种顺序控制。

可编程控制器PLC（ProgrammableLogicController）是一种数字运算电子系统，专为工业环境下运行而设计。

它采用可编程序的存储器，用于存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等特定功能的用户指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程。

9.1.1PLC的结构与特点

1.PLC的结构

PLC的型号很多，大、中、小型PLC的功能不尽相同，其结构也各不相同，但主体结构形式大体上是相同的，由中央控制单元、存储器系统、输入/输出部件、电源部件及编程器等构成，其各部分均采用总线结构。

PLC控制系统组成框图如图9-1所示。

图9-1PLC控制系统组成框图

（1）中央控制单元CPU

PLC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入的用户程序和数据，用扫描方式查询现场输入状态以及各种信号状态或数据，并存入输入状态寄存器中。

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。

由于PLC实现的任务主要是动作速度要求不特别快的顺序控制，在一般情况下，不需要使用高速的微处理器。

为了进一步提高PLC的功能，近年来采用了多CPU控制，如一个CPU管理逻辑运算及专用功能指令，另一个CPU专管I/O接口和通信等。

中、小型PLC常用8位或16位微处理器，大型PLC则采用高速单片机。

（2）存储器

PLC存储器主要包括随机存储器RAM和只读存储器EPROM。

RAM中一般存放用户程序，比如用户正在调试和修改的程序以及各种暂存的数据、中间变量等，CPU可随时对它进行读写。

为了防止掉电后RAM中内容丢失，可用锂电池作为备用电池，锂电池的寿命一般为5～6年，若经常带载可维持1～5年。

EPROM主要用来存放PLC的操作系统和监控程序，由厂家固化到EPROM中。

如果用户程序调试好，也可以通过写入器将程序固化在EPROM中。

同样，用户也可以对其内容进行擦除。

（3）输入/输出（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联结部件。

其任务是将被控对象或被控生产过程的各种变量进行采集，送入CPU处理，同时控制器又通过I/O模块将运算处理产生的控制输出送到被控设备或生产现场，驱动各种执行机构动作，实现实时控制。

（4）编程器

编程器用于用户程序的编制、编辑、调试和监视，还可以通过键盘调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。

它通过接口与PLC联系，完成人机对话连接。

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;

智能型编程器既可以在线编程又可离线编程。

智能型编程器有许多不同的应用程序软件包，功能齐全，适应的编程语言也较多，并可以直接用梯形图编程，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。

目前，应用微型计算机，通过变换适配器和编译软件也可完成与智能型编程器同样的任务。

（5）电源

电源单元将外部供电（110V、220V等）转换成中央处理器所需要的工作电压（5V）。

由于PLC直接在工业现场应用，因此对电源的技术要求较高。

为防止来自电流电源的噪声和干扰，一般要采用多级滤波，并使交流电源与内部直流电源之间有必要的绝缘，同时采用稳压电源以适应电网波动和温度的影响。

此外，还要求电源对过电压具有一定的保护能力，以防止在电压突变时损坏中央处理器。

2.PLC的主要特点

作为新型的顺序控制装置，PLC适应在工业环境中使用的要求，具有以下特点:

（1）抗干扰能力强、工作可靠一般PLC硬件都采用屏蔽；电源采用多级滤波；在CPU和I/O之间采用光电隔离措施。

在软件方面，PLC具有断电保护和故障自诊断功能，适宜在各种恶劣的环境下，直接安装在机械设备上工作。

（2）与现场信号直接连接

针对不同的现场信号（如直流或交流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等），有相应的输入或输出模块可与现场的工业器件（如按钮、行程开关、传感器、变换器、电磁阀、电机启动装置、控制阀）直接连接，并通过数据总线与微处理器模块相连接。

（3）编程简单

一般使用与继电器电路原理相似的梯形图编程方式。

由于简单、形象，易于现场操作人员理解和掌握。

（4）组合灵活

PLC通常采用积木式结构，便于将PLC与数据总线连接，组合成灵活的控制系统。

（5）安装简单、维修迅速方便

PLC对环境的要求不高，使用时只需将检测器件及执行设备与PLC的I/O端子连接无误，系统即可工作。

故障的80%以上是出现在外围的输入/输出部件上，能快速准确地诊断故障。

目前已能在15min内排除故障，迅速恢复生产。

9.1.2PLC的基本编程方法

编程是把控制任务的功能转换成程序。

由于PLC的硬件结构不尽相同，因此程序的表达方法也不同。

1.梯形图

梯形图编程是在原电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图的基础上演变而来的，它与电气操作原理图相呼应。

梯形图的最大优点是形象、直观和实用，为广大电气技术人员所熟知，是PLC的主要编程语言。

梯形图与继电器控制电路在电路的结构形式、元件的符号及逻辑控制功能等方面是相同的，如图9-2所示。

但它们又有很多不同之处，梯形图具有以下特点:

图9-2梯形图举例

（1）梯形图按从上向下、从左往右的顺序排列，每一个输出元素与其控制逻辑构成一个逻辑单元，逻辑单元始于左端竖线（也称左母线），终于输出元素（也称继电器线圈），右端终止竖线可不画。

（2）继电器控制系统电路图表示的是物理电路，工作时回路中有电流通过。

梯形图是逻辑关系的一种表达形式（虚拟物理电路），工作时PLC按图形表达的用户控制逻辑，逐步执行程序。

（3）PLC在运行状态时，对梯形图是按扫描方式从左到右、从上到下的顺序执行，不存在几条回路同时工作的可能。

在设计控制逻辑时，应注意根据其运行特点，合理设置控制逻辑。

2.语句表

语句表类似于计算机汇编语言的形式，它是用指令的助记符来编程的，即用一个或几个容易记忆的字符来代表PLC的某种操作功能。

下面以F系列PLC指令为例说明其语句表达式及其意义。

（1）LD、LDI和OUT指令

LD（Load）和LDI（LoadInverse）用于母线或分支开头；

LD用于常开触点；

LDI用于常闭触点。

OUT根据给予的指令条件用于输出继电器、计时器、计数器等。

OUT指令可以并联连接，次数不限。

OUT用于计时器和计数器时，需跟常数K。

对于计数器而言，当输入条件不满足时，将自动复位。

LDX1

OUTY1

LDIX2

OUTY2

OUTT1

K6

LDT1

OUTY3

END

图9-3LD、LDI和OUT指令使用举例

（2）AND和ANI指令

AND用于串联常开触点；

ANI用于串联常闭触点，

串联点数不受限制，

见图9-4的编程举例。

图9-4AND和ANI指令使用举例

（3）OR和ORI指令

OR用于并联常开触点；

ORI用于并联常闭触点，

并联触点数不受限制，

见图9-5的编程举例。

图9-5OR和ORI指令使用举例

（4）ORB指令

ORB（ORBlock）用于并联两

个或两个以上的块，每一接点块

都从LD/LDI指令开始操作，见

图9-6的编程举例。

图9-6ORB指令使用举例

（5）ANB指令

ANB（ANDBlock）用于串联两个或两个以上的块，每一接点块都从LD/LDI指令开始操作，见图9-7的编程举例。

图9-7ANB指令使用举例

（6）SET和RST指令

SET/RST指令用于输出继电器、中间继电器和数据位的置位/复位操作。

SET置位，RST复位。

SET/RST指令可任意编排编写次序，但置位指令优先执行，见图9-8的编程举例。

图9-8SET和RST指令使用举例

（7）PLS指令

PLS（Plus）指令用于产生一个正脉冲。

适用于所有中间继电器，使中间继电器接点接通一个扫描周期的时间。

见图9-9的编程举例，当输入X0接通后，在辅助继电器上产生一个脉冲，利用此脉冲使计数器复位。

图9-9PLS指令使用举例

（8）SFT指令

SFT（Shift）指令仅仅用于移位寄存器。

见图9-10的编程举例。

X0为数据输入端；X1为移位输入端；X2为复位输入端。

移位寄存器的工作过程为：

输入X0置位M130后，每输入一个移位脉冲X1，移位寄存器将前一位的信息移到后一位，从M130到M137，最后一位信息M137将溢出。

LDX0

OUTM130

LDX1

SFTM130

LDX2

RSTM130

END

图9-10SFT指令使用举例

（9）NOP指令

NOP（NoProcess）指令是不操作某个指令（空操作）。

NOP指令在程序中占一个步序，但无目标元素。

在执行NOP指令时，并不做任何事，待执行完NOP指令的时间过后再执行下一步程序。

NOP指令通常用于以下几个方面:

①指定某些步序内容为空，留空待用；②短路某些接点或电路；③切断某些电路；④变换先前的电路。

（10）END指令

这是一条结束指令。

PLC能重复地进行输入处理、程序执行和输出处理。

如果程序结束时写入END指令，则立即执行输出处理，而不再执行后面额外的步骤。

在试运行中，如果在每个程序块的末尾写入END指令，则可依次地检查每一块的运行情况。

这时，在检查了前面电路块的工作后，要依次删去中间各END指令。

PLC的基本逻辑指令除了上述的这些以外，还有很多，而且不同的PLC生产厂商出产的PLC指令系统也略有不同。

PLC还具有一些典型的指令系统，如数据传送指令和算术运算指令。

3.逻辑功能图

逻辑功能图与半导体逻辑电路中的逻辑方块图相似，每一个功能都使用一个运算方块表达，其运算功能由方块内的符号决定，如图9-11所示。

图9-11逻辑功能图

图中：

“&”表示逻辑“与”运算；“>=1”表示逻辑“或”运算。

与方块图功能有关的输入，如来自外部输入装置的接点，画在方块图的左侧；输出（如执行机构、继电器、接触器、电磁阀或信号指示灯等）画在方块图的右侧。

在输入左边和输出右边分别写明运算地址码和地址参数。

这种表达方式易于描述较为复杂的逻辑功能，表达也很直观，且容易找错。

缺点是需采用带显示屏幕的编辑器。

4.功能图编程

功能图编程是一种较新的编程方法，它的作用是用功能图表达一个顺序控制过程，图9-12是功能图编程的例子，数字代表顺序步，每个顺序步的步进条件和执行功能必须在图上标出。

图9-12功能图编程举例

9.1.3PLC在机床数控系统中的应用

在机床的数控系统中，控制部分可分为数字控制和顺序控制两大部分。

数字控制部分控制刀具轨迹.

顺序控制部分控制辅助机械动作。

这种辅助机械动作控制通常称强电控制，它以主轴转速S、刀具选择T和辅助功能M为代码信息送入数控系统，经系统的识别、处理，转换成与辅助机械动作对应的控制信号，使执行环节做相应的开关动作。

长期以来，机床强电控制采用传统的继电器逻辑，体积庞大、可靠性差、功耗高，而且只能进行简单的逻辑运算。

1970年以后，世界各国相继采用PLC来代替继电器逻辑。

由于PLC的响应速度比继电器逻辑快，可靠性比继电器逻辑高得多，并且易于使用、编程、修改，成本也不高；而与计算机相比，虽然其计算能力差，但逻辑运算功能可处理大量的开关量且能直接输出到每个具体的执行部件（这点计算机不能做到，需增加各种接口才行），因此，PLC很快成为数控系统发展中的一个重要方面。

在讨论PLC、数控系统和机床各机械部件、机床辅助装置、强电线路之间的关系时，常把数控机床分为NC侧和机床侧两大部分。

NC侧包括CNC系统的硬件和软件、与CNC系统连接的外部设备。

机床侧则包括机床机械部分及其液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置、机床操作面板、继电器电路、机床强电路等。

PLC处于NC与机床之间，对NC和机床的输入/输出信号进行处理。

PLC完成各种辅助功能时，首先由CNC系统对包含在CNC程序中的各种辅助功能指令进行译码，将需要PLC处理的数据传递给PLC的存储器，PLC将这些数据与来自机床的状态信号结合，进行逻辑运算处理，生成控制指令，由PLC输出装置经过功率放大，通过控制机床的执行元件来实现各种辅助功能。

PLC顺序控制的任务：

在机床电气控制中，PLC顺序控制的任务随数控机床的类型、结构、辅助装置等的不同而有很大差别，主要可以归纳为如下几方面:

（1）机床主轴的启停、正反转控制及主轴转速的控制、倍率的选择;

（2）机床冷却、润滑系统的接通和断开;

（3）机床刀库的启停和刀具的选择、更换;

（4）机床卡盘的夹紧、松开；

（5）机床自动门的打开、闭合；

（6）机床尾座和套筒的启停、前进、后退控制；

（7）机床排屑等辅助装置的控制。

9.1.4可编程控制器程序编制原则

为使梯形图电路便于编程，设计梯形图时应注意以下绘制规则:

（1）梯形图上的垂直线上不画触点，如图9-13（a）所示；

（2）输出线圈画在逻辑单元电路的最右边，如图9-13（b）所示;

图9-13梯形图的绘制规则

（3）如图9-13（c）和图9-13（d）所示，逻辑单元中有多个并联和串联分支电路时：

串联触点多的支路在上方；

串联触点少的支路在下方；

并联触点多的回路画在左边；

并联触点少的回路画在右边，

图9-13梯形图的绘制规则

图9-14梯形图设计推荐画法

9.1.5可编程控制器编程元素

目前可编程控制器的型号繁多，但是其编程原理和编程元素是相同的，只是编程元素代号、地址编码和指令符号略有不同。

由于继电器控制系统的电路图与梯形图在结构形式、元件符号以及逻辑控制功能等方面的相似性，使得可以将一些继电器控制系统电路图的概念用于梯形图，常用的有触点概念和继电器概念。

可编程控制器编程元素的名称、地址编号、功能和使用方法：

1.输入继电器X

输入继电器对应可编程控制器的输入端口，外部现场信号经输入端口，将信号状态存放在输入状态寄存器中，其作用相当于外部信号触发该端口的输入继电器，输入继电器的常闭常开触点供编程使用。

输入继电器的编号即是输入端口的编号，也是输入状态寄存器对应位的地址代号。

三菱公司FX2系列小型可编程控制器基本单元及扩展单元输入继电器点数采用八进制编号，最多可达128点，编号规则和表示方法如下：

X000～Y007X100～Y107

X010～Y017X110～Y117

……

X070～Y077X170～Y177

2.输出继电器Y

输出继电器对应可编程控制器的输出端口，其作用相当于输出控制信号触发该端口的输出继电器，输出继电器的常闭常开触点供编程使用，同时另一常开触点闭合，接通驱动可编程控制器外负载电路，形成可编程控制器的实际输出。

输出继电器的编号即是输出端口的编号，也是输出寄存器对应位的地址代号。

三菱公司FX2系列小型可编程控制器基本单元及扩展单元输出继电器点数，也采用八进制编号，最多可达128点，编号规则和表示方法如下：

X000～Y007X100～Y107

X010～Y017X110～Y117

……

X070～Y077X170～Y177

3.辅助继电器M

可编程控制器中的辅助继电器的作用相当于继电器控制电路中的中间继电器，辅助继电器不能对外直接输出驱动外部负载，只能作为中间状态的控制信号，存放在存储器中。

可编程控制器中的辅助继电器有两种类型:

一类为无掉电保护的辅助继电器（也称通用辅助继电器），当断开可编程控制器外部电源时，辅助继电器的状态信息即消失；

另一类是具有掉电保护的辅助继电器，断开可编程控制器外部电源时，辅助继电器的状态信息可在备用电源的支持下保存，具有记忆功能。

三菱公司FX2系列小型可编程控制器辅助继电器采用十进制编号：

通用辅助继电器编号为M000～M499，计500点；

掉电保护辅助继电器编号为M500～M1023，计524点。

4.定时器T

可编程控制器中的定时器相当于继电器控制系统中的时间继电器。

定时器根据时钟脉冲累积计时，计时到达设定值时，其触点动作。

定时器提供无限对常开和常闭延时触点供编程选用。

定时器编号采用十进制，其编制规律和时间设定方法为:

（1）定时精度为100ms的定时器：

T000～T199，计200点，设定值范围0.1～3276.7s；

（2）定时精度为10ms的定时器：

T200～T245，计46点，设定值范围0.01～327.67s。

5.计数器C

可编程控制器使用计数器完成计数控制，有的计数器带有掉电保护，去除外部电源，计数器的计数数据不会被丢失。

计数器的设定值可由常数K（十进制常数）设定，也可通过数据寄存器的地址号设定。

计数器的编号采用十进制，其编制规律和计数设置方法为：

（1）通用加计数器：

C000～C099，计100点，计数范围在K1～K32767之间；

（2）掉电保护加计数器：

C100～C199，计100点，计数范围在K1～K32767之间。

6.状态器S

状态器是编制步进顺序控制时使用的编程元素，状态器的触点使用与辅助继电器触点的使用相同，使用次数不限，其器件编号为：

初始状态器S0～S9（10点）；

复位状态器S10～S19（10点）；

通用状态器S20～S499（480点）；

掉电保护状态器S500～S899（400点）。

应用步进控制时，由初始状态器S0～S9进入步进控制；

复位状态器S10～S19只用于设备回原位时的步进控制，并由初始状态器置位;

通用状态器S20～S499用于设备工作步进控制，也需由初始状态器置位。

7.指针P

分支指令（如跳转指令），为指定跳转目标，需用指针作为标号。

指针编号为P0～P63（64点），编程时，编号不能重复使用。

8.数据寄存器D

数据寄存器存放数据，每一数据寄存器均为16位，其编号为：

（1）通用数据寄存器（D0～D199，200点）

新数据覆盖旧数据，停机断电时，数据消失；

（2）保持数据寄存器（D200～D511，312点）：

除非改写，否则数据不会丢失。

9.2顺序程序设计和调试

9.2.1确定PLC的型号及硬件配置

1.PLC型号的选择

在利用PLC组成应用系统时，首先遇到的问题就是PLC的选型。

用户在选用PLC时，所依照的一般原则顺序如下：

（1）可靠性;

（2）性能;

（3）维护;

（4）能在恶劣环境下工作;

（5）使用方便;

（6）编程方便与否;

（7）与现场设备的兼容性;

由于PLC用户将可靠性放在选择原则的首位，因此，所有的PLC生产厂家都在这方面做了大量的研究工作，取得了较高的可靠性。

现在选择PLC，反而不将可靠性放在首位了。

在进行PLC的选型时，需要考虑以下几个问题：

（1）I/O点数

根据控制系统的要求，估算出所需要的I/O点数，再增加20%～30%的备用量，以便今后功能的扩充。

这里讲的I/O点数，是指PLC能够输入输出的开关量和模拟量总的个数。

在进行系统设计时，要尽可能简化系统I/O点数，以降低系统造价，提高系统稳定性。

（2）扫描速度

对于以开关量为主的控制系统，不用考虑扫描速度，一般机型都能满足要求；

对于有模拟量控制的系统，就要考虑扫描速度。

（3）负载容量

要考虑负载容量的大小，如果PLC输出点的容量不够，要用中间继电器作为PLC输出点的转换。

（4）电压

输入模块按电压分类有直流5V、12V、24V、48V、60V，交流115V、220V。

选择输入模块时，电压的选择应根据现场设备与模块之间的距离来考虑。

一般5V、12V、24V属低电平，其传输距离不宜太远，5V模块最远不得超过10m，距离较远的设备应选用较高电压的模块。

（5）输出模块

选择输出模块时，PLC的输出方式应根据负载要求进行选择，继电器输出的价格便宜，适用电压范围较宽，导通压降小。

但它属于有触点元件，其动作较慢、寿命较短，因此，适用于不频繁通断的负载。

当驱动感性负载时，其最大通断频率不得超过1Hz。

对于频繁通断的低功率因数的电感负载，应采用无触点开关元件，即选用晶体管输出（直流输出）或可控硅输出（直流输出）。

输出模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，输出模块同时接通的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。

（6）及其他智能模块的选用

如果控制系统需要，应考虑模拟量输入/输出模块及其他智能模块的选用。

在选用通信模块时，要考虑通信的接口类型、通信的速度、通信网络等。

（7）电源模块的选择

电源模块的选择，只需考虑输出电流。

电源模块的额定输出必须大于CPU模块、I/O模块、专用模块等消耗电流的总和。

2.输入/输出点数和PLC容量的确定

输入点是与机床侧被控对象有关的按钮、选择开关、行程开关、继电器和接触器触点等连接的输入信号接口，以及由机床侧直接连接到NC输入信号接口，如减速信号、跳过信号等。

输出点包括向机床侧继电器、指示灯输出信号的接口。

设计者对被控对象的上述I/O信号要逐一确定，并分别计算出总的需要数量。

PLC存储器容量的大小决定了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容量之间有一定的联系。

当输入/输出点数增加时，PLC程序处理的信息量增大，程序加长，因而需加大存储器的容量。

设计者要根据具体任务对程序规模作出估算，并据此确定合理的存储容量。

9.2.2制作信号接口技术文件

确定了PLC的型号后，在进行实际的编