数控系统中的PLC控制

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第5章数控系统中的PLC控制

第一节数控系统中的PLC 第二节数控系统中PLC的信息交换和控制功能的实现第三节数控系统中的PLC应用实例

第一节数控系统中的PLC

可编程序控制器PLC是一种新型的工业控制器，由计算机实现顺序控制。所谓顺序控制是按生产工艺要求，根据事先编好的程序，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实现顺序动作的控制。这些功能的控制

内装型PLC功能，如日本的FANUC公司、德国的SIEMENS
公司等，见表5-1。
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2.独立型PLC 独立型PLC是完全独立于CNC装置、具有完备的硬件和软件功能、能够独立完成CNC系统规定控制任务的装置，如图 5 -9所示。

独立型PLC的基本功能结构与通用型PLC完全相同。
优劣将直接影响数控机床的生产效率、加工精度及加工质量
的稳定性。可编程序控制器PC ( Programmable Controller) 是一种数字运算电子系统，专为工业环境下运行而设计。
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它采用可编程序的存储，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。这是国际电工委员会(IEC)对可编程序控制器的定义。
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在系统的结构上，内装型PLC可与CNC共用一个CPU，如图5 -7 (a )所示，也可单独使用一个CPU，如图5-7 (b)所示; 内装型PLC一般单独制成一电路板，插装到CNC主板的插座上，PLC与所从属CNC装置之间的信号传送均在其内部进行，
对于译码计数定时最短路径的选择以及比较检索转移代码转换四则运算信息显示等控制功能仅用一位操作的基本指令编程实现起来将会十分困难因此要增加一些具有专门控制功能的指令这些专门指令就是功能指fanucplc的功能指令数目视型号不同而有所不同其中pmcabcd为22条pmcgt为23条pmcl为35功能指令不能使用继电器的符号必须使用图718所示格式符号
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四、数控系统中的PLC分类
数控系统中的PLC可分为“内装型”(Built-in-Type) PLC 和“独立型”( Standalone-Type) PLC两种类型。 1.内装型PLC 内装型PLC是指PLC内置于CNC装置内，从属于CNC装置，与CNC装置集于一体，如图5 -6所示。
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6.安装简单维修方便 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。PLC 80%以上的故障均出现在外围的输入/输出设备上，故能快速准确地
诊断故障。目前，已能达到15 min内排除故障，恢复生产。
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(2)中央处理单元CPU PLC中的CPU与通用计算机中的 CPU一样，是PLC的核心。CPU按照系统程序赋予的功能，接收存储从编程器输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PLC内部电路、编程语句和电源都正常后，
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· 当行程开关LS1被压下时，继电器X403的线圈接通，X403 的常闭触头断开，使得继电器Y430的线圈断电，指示灯灭，输出继电器Y430的自锁功能复位; ·PB1被按下的同时，X401的另一个常开触点接通另一个

梯级，这时若触头M 100也处于闭合状态，定时器通电，到
为了与个人计算机PC ( Personal Computer)相区别，仍采用
旧称 PLC (Programmable Logic Controller)。

数控系统内部信息流大致分为两类，一类是控制机床坐标
轴运动的连续数字信息;另一类是通过PLC控制的辅助功能
(M、S、T等)信息，如图5-1所示。
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设备，选用微型或小型PLC;对于FMC、FMS、FA、CIMS 等大型数控系统，则需要选用中型或大型PLC。
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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，完成用户程序中的逻辑运算或算术运算任务。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、数据通信和制表打印等功能。
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PLC实现的控制任务，主要是完成一些动作和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。为了提高PLC的控制功能，通常采用多CPU控制方式，如用一个CPU来管理逻辑运算及专用功能指令;用另一个CPU
来管理I/O接口和通信等功能。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。
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由图5 -9可见，独立型PLC的CNC系统中不但要进行机床侧的I/O连接，而且还要进行CNC装置侧的I/O连接，CNC和 PLC均具有各自的I/O接口电路。独立型PLC一般采用模块化结构，装在插板式机笼内，I/O点数和规模可通过I/O模块的
增减灵活配置。对于数控车床、数控铣床和加工中心等单台
源单元的技术要求较高，不但要求它具有较好的电磁兼容性能，而且还要求工作电源稳定，以适应电网波动和温度变化
的影响，并且还有过电流和过电压的保护功能，以防止在电
压突变时损坏CPU。
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图5 -3所示为西门子SIMATIC 57-300型可编程序控制器结构图。
的各种变量转换成标准的逻辑电平信号，送入CPU处理。
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2. PLC的软件结构在可编程控制器中，PLC的软件分为两大部分: · 系统监控程序:用于控制可编程控制器本身的运行，主要由管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块，系统调用;

.用户程序:它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控
达定时器设定的时间后，定时器断开。
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三、数控系统中PLC的特点
1.与现场信号直接连接针对不同的现场信号(如直流或交流、开关量与模拟量、电
压或电流、脉冲或电位、弱电或强电等)，有相应的输入和输
出模块可与现场的工业器件(如按钮、行程开关、传感器、电磁阀、控制阀、电动机启动装置)直接相连，并通过数据总线与微处理器模块相连接。
和PROM三种形式组成，其存储容量随着PLC类别或规模的
不同而改变。
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(5)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之间进行信息交换的桥梁。其任务是将CPU处理产生的控制信号输出传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;同时将被控对象或被控生产过程
制被控装置的运行。
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二、PLC的工作原理
PLC的工作过程是在硬件的支持下运行软件的过程，如图 5-4和图5 -5所示。用户程序通过编程器顺序输入到用户存储器内，CPU对用户程序循环扫描并顺序执行。这是PLC的基本工作方式。图 5-4给出了GE系列PLC的CPU扫描过程。
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一、PLC的基本结构
尽管PLC的种类型号很多，其结构、型号也各不相同，但它们的基本结构形式大体上是相同的，都是由中央处理单元 (CPU)、存储器(RAM/ROM)、输入/输出单元(I/O )、编程器、电源模块和外部设备等组成，并且内部采用总线结构，如图5 -2所示。

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内装型PLC的性能指标(如输入/输出点数、程序最大步数、每步执行时间、程序扫描时间、功能指令数目等)是根据所从属的CNC系统的规格、性能、适用机床的类型等确定的。其硬件和软件都被作为CNC系统的基本功能与CNC系统统一设
计制造的。因此系统结构十分紧凑。
接入编程器时，也对编程器的输入产生响应，并更新其显示。然后CPU对自身的硬件进行快速自检，并对监视扫描用定时器进行复位。完成自检后，CPU又从存储器的0000 H地址重新开始扫描运行。
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图5 -5是一个行程开关PB1被压下时PLC的控制过程。 .当按钮PB1压下，输入继电器X401的线圈接通; ·X401常开触头闭合，输出继电器Y430通电; · 外部输出点Y430闭合，指示灯亮; .当PB1被放开时，输入继电器X401的线圈不再工作，其对应的触头X401断开，这时输出继电器Y430仍保持接通，这是因为Y430的触头接通后，其中的一个触头起到了自锁作用;
不单独配置I/O接口，而是使用CNC装置本身的I/O接口，
PLC控制部分及部分I/O电路所用电源由CNC装置提供。

SINUMERIK 810数控系统的I/O模块如图5 -8所示。
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第一节数控系统中的PLC

SINUMERIK 810数控系统的I/O模块采用内装型PLC结构，扩大了CNC内部直接处理数据的能力，可以使用梯形图编辑，传送复杂的控制功能，提高了CNC的性能/价格比。世界上著名的数控系统生产厂家均在其CNC系统中开发了

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只要PLC接通电源，CPU就对用户存储器的程序进行扫描。扫描从0000 H地址所存储的第一条用户程序开始，顺序进行，直到存储器结尾或用户程序的最后一个地址为止，形成一个扫描循环，周而复始。每扫描一次，CPU进行输入点的状态
采集、用户程序的逻辑解算、相应输出状态的更新和I/O执行。
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2.灵活性好 PLC通常采用积术式结构，便于将PLC与数据总线连接，产品具有系列化、通用化，稍作修改就可应用于不同的控制对象。

3.可靠性高
由于PLC针对恶劣的工业环境设计，在其硬件和软件方面均采取了很多有效措施来提高其可靠性。在硬件方面采取了
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也可以离线编程，还可与微型计算机接口或与打印
机接口连接，实现程序的存储、打印、通信等功能。
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(4)存储器PLC存储器主要包括随机存储器RAM和只读存储器ROM，用于存放用户程序、工作数据和系统程序。用户程序是指用户根据现场的生产过程和工艺要求而编写的应用程序，在修改调试完成后可由用户固化在EPROM中或存储在
滤波、光电隔离、屏蔽等措施;在软件方面采取了故障自诊断、
信息保护与恢复等，从而可以直接应用于工业现场。
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4.编程简单 PLC沿用了梯形图编程简单的优点，易于现场操作人员理解和掌握。 5.网络通信

利用PLC的网络通信功能可实现计算机网络控制。
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1. PLC的硬件结构 (1)电源电源单元的作用是将外部提供的交流电转换为PLC 内部所需的直流电源。一般地，电源单元有三路输出，一路供给CPU模块使用;一路供给编程器接口使用;还有一路供给
各种接口模板使用。由于PLC直接用于工业现场，因此对电
磁盘中。工作数据是PLC运行过程中需要经常存取，并且随
时改变的一些中间数据，为了适应随机存取的要求，它们一般存放在RAM中。
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第一节数控系统中的PLC

系统程序是指控制和完成PLC各种功能的程序，包括监控程序、模块化应用功能子程序、指令译码程序、故障诊断和各种管理程序等，这些程序出了时由制造厂家固化在PROM 型存储器中。可见PLC所用存储器基本上由EPROM、RAM
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第一节数控系统中的PLC

(3)编程器编程器是用于用户程序的编制、编辑、调试、监视以及运行应用程序的特殊工具，一般由键盘、显示屏、智能处理器、外部设备(如硬盘/软盘驱动器等)组成，它通过通信接口与PLC相连，完成人一机对话功能。

编程器分为简易型和智能型两种。简易型编程器只能在线