剖析第六章可编程序控制器与辅助功能实现

1、剖析第六章可编程序控制器与辅助功能实现第六章-可编程序控制器与辅助功能实现第一节概述第一节概述vCNC内部处理的信息大致可分为两大类: 控制坐标轴运动的连续数字信息 控制刀具更换、主轴启停、换向变速、零件装卸、冷却液开关和控制面板输人/输出的逻辑离散信息。第一类信息的处理v译码v刀补v插补v进给和主轴伺服驱动第二类信息的处理v早期机床中有关顺序逻辑和开关信息的处理大部分采用继电器逻辑来实现。v大约在上世纪70年代以后，开始采用可编程逻辑代替继电器逻辑，并称之为可编程逻辑控制器（PLC）。vPLC：Programmable Logic ControllervPC：Programmable Con

2、troller区别v继电器逻辑由厂家设计，一种机床一种逻辑结构；逻辑复杂时，继电器数量很多；电路调试维修困难；可靠性差v可编程控制器响应快；可靠性高；易于使用，易于编程，易于修改，成本不高第二节第二节 数控系统中的数控系统中的PLCPLC硬件结构硬件结构vPLC实际上也是一种计算机控制系统，其特点是面向工业现场，具有更多、功能更强的I/O接口和面向电气工程技术人员的编程语言微处理器（CPU）运算器控制器电源输入单元输出单元存储器EPROM（系统程序）RAM（用户程序）外设I/O接口I/O扩展接口I/O扩展接口用户输出设备用户输出设备编程器盒式磁带机打印机EPROM写入器图形监控系统上位计算机v

3、小型PLC内部结构由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出单元、编程器、电源、外部设备等组成，并且内部通过总线相连v中央处理器单元中央处理器单元是系统的核心，通常可直接使用通用微处理器来实现，它通过输入模块将现场信息采入，并按用户程序规定的逻辑进行处理，然后将结果输出去控制外部设备v存储器存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作数据 系统程序：控制和完成PLC各种功能的程序，出厂时厂家固化在存储器中 监控程序 模块化应用功能子程序 指令解释程序 故障自诊断程序 管理程序 用户程序：用户根据工业现场的生产过程和工艺要求而编写的应用程序， 调试完成后由用户固化于EPROM 工作数据：PLC程序

4、运行时要存取、随时改变的数据，存于RAM中PROMv输入输入/输出模块输出模块是PLC内部与现场之间的桥梁： 将现场信号转换成标准的逻辑电平信号 将PLC内部逻辑信号电平转换成外部执行元件所要求的信号开关量输入单元开关量输出信号v将PLC内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。按照现场执行机构使用的电源类型的不同，开关量输出单元可分为：晶体管输出方式-用于直流输出负载双相晶闸管输出方式-用于交流输出负载继电器触点输出方式-可用于直流、交流模拟量输入单元v模拟量输入在过程控制中的应用很广，如常用的温度、压力、速度、流量、酸碱度、位移的各种工业检测都是对应于电压、电流的模拟量值，再通过一定运算（

5、PID）后，控制生产过程达到一定的目的。v模拟量输入电平大多是从传感器通过变换后得到的，模拟量的输入信号为4mA20mA的电流信号或1V5V、-10V10V、0V10V的直流电压信号。模拟量输入单元v模拟量输入单元的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成PLC内部处理的、由若干位表示的数字信号。v模拟量输入单元一般由滤波、A/D转换器、光耦隔离等部分组成模拟量输出单元v将PLC运算处理后的若干位数字量信号转换成相应的模拟量信号，然后输出，以满足现场连续信号控制v模拟量输出单元一般由光耦隔离、D/A转换器、滤波等部分组成v输出模块是将中央处理器的二进制数字信号转换成4mA20mA的电流信号或

6、1V5V、-10V10V、0V10V的直流电压信号，以提供给执行机构编程器编程器v编程器编程器是用来开发、调试、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，通过通信接口与PLC相联电源电源v电源电源单元的作用是将外部提供的交流电转换为可编程序控制器内部所需要的直流电源，有的还提供了DC24V输出v电源单元有三路输出： 供给CPU模块 供给编程器接口 供给各种接口模块电源v较好的电磁兼容性（EMC） 指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不

7、能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性v工作电源稳定，有过流、过压防护能力v备有电池，用于掉电时能及时保护RAM中重要数据接口v大、中型PLC中大多配置有扩展接口和智能I/O模板。v扩展接口：用于连接扩展PLC单元v智能I/O模板：本身带有CPU，可独立完成专用功能；与主PLC并行工作，提高PLC运行速度和效率。如： 计算和位置编码器模块 温度控制模块 阀控模块 闭环控制模块PLC软件vPLC基本软件包括系统软件和用户应用软件v系统软件一般包括操作系统、语言编译系统、各种功能软件等： 操作系统管理PLC的各种资源，协调系统各部分之间、系统

8、与用户之间的关系，为用户应用软件提供一系列管理手段，以便用户应用程序能正确进入系统，正常工作v用户应用软件是用户根据电气控制线路图采用梯形图语言编写的逻辑处理软件PLC是如何工作的v用户完成应用程序的设计、调试v用编程器写入PLC的用户程序存储器v将现场的输入信号和被控制的执行元件相应地连接在输入模板的输入端和输出模板的输出端，通过PLC控制开关使其处于运行状态vPLC开始循环顺序扫描用户程序v在输入信号和用户程序控制下，产生输出信号，完成控制任务vPLC内部一般采用循环扫描工作方式，在大、中型PLC中还增加了中断工作方式vPLC上电后，在系统程序管理下，周而复始地按固定顺序对系统内部的各种任

9、务进行查询、判断、执行1自诊断模块v 在PLC的每个扫描周期内首先要执行自诊断程序，其中主要包括： 软件系统的校验 硬件RAM的测试 CPU的测试 总线的动态测试等 若发现异常现象，PLC在作出相应保护处理后停止运行，并显示出错信息，否则将继续顺序执行下面的模块功能。2编程器处理模块v主要完成与编程器进行信息交换的扫描过程v若PLC控制开关拨向编程工作方式，则当CPU执行到这里时，马上将总线控制权交给编程器v用户可以通过编程器进行： 在线监视和修改内存中用户程序 启动或停止CPU 读出CPU状态 封锁或开放输入/输出 对逻辑变量和数字变量进行读写等。v当编程器完成处理工作或达到所规定的信息交换

10、时间后，CPU将重新获得总线控制权3网络处理模块v主要完成与网络进行信息交换的扫描过程v前提：只有当PLC配置了网络功能时，才执行该扫描过程v作用：主要用于PLC之间，PLC与磁带机，或PLC与计算机之间进行信息交换4用户程序处理过程vPLC中的CPU采用查询方式，通过输入模块采样现场状态数据，并传送到输入映像区v当PLC按照先左后右、先上后下的顺序执行用户梯形图时，可在输入映像区提取有关现场信息，在输出映像区中提取历史信息，处理后将结果存入输出映像区，供下次使用或输出v最后进入输出服务扫描过程，通过输出模块的转换控制现场有关执行元件5超时检查模块v若扫描时间没有超过PLC内部看门狗定时器的设

11、定时间，则继续执行下一个扫描周期v否则若超时，可能是硬软件故障引起的系统死机，CPU会停止运行，复位输入/输出，并在报警后转入停机扫描过程6出错处理模块v当自诊断出错或超时出错时，就进行报警，出错显示，并作相应处理 例如将全部输出端口置为OFF状态，保留目前执行状态等，然后停止扫描过程。PLC的显著特点 可靠性高 PLC面向恶劣工业现场硬件：屏蔽、滤波、隔离、电源保护、模块化设计软件：自诊断、故障检测、信息保护与恢复 不存在接触不良、触点烧毛、触点磨损、线圈烧坏等中间继电器易出现的故障PLC的显著特点 编程简单，使用方便 软件程序沿用了梯形图，技术人员能在很短时间内学会使用PLC灵活性好 PL

12、C利用软件处理逻辑关系，当改变了控制逻辑后，不必改变外部线路，只需改写程序重新固化 产品易于系列化、通用化PLC的显著特点直接驱动负载能力强 输出模块使用大功率晶体管和控制继电器形式输出，有很强的驱动能力，可直接驱动执行电器的线圈，接通或断开强电线路便于实现机电一体化 PLC结构紧凑，体积小，重量轻，功耗低，易于装入控制柜内，实现机电一体化利用通信功能可实现计算机网络控制二、内装型二、内装型PLCv所谓内装型PLC是指PLC内含在CNC装置内部，从属于CNC装置，与CNC装置集于一体。v内装型PLC与所从属CNC装置之间的信号传送均在其内部进行v内装型PLC一般也不单独配置I/O接口，而是通过

13、CNC装置本身的I/O电路完成输入/输出功能v内装型PLC的硬件电路既可以单独设计在其自己的印制电路板内，也可安排在CNC装置的某一块电路板中v内装型PLC既可以与CNC共用一个CPU，也可以为PLC设置专用的CPU共用CPUv充分利用CNC中微处理器的余力来完成PLC功能v使用元器件较少v但I/O点数不可能太多，规模也有限v一般适用于PLC功能相对简单的场合。v有自己的CPU来专门负责PLC的功能，能力较强，较适合于规模较大，逻辑复杂，动作速度要求较快的控制场合独立CPU内装型PLC特点v采用内装型PLC，扩大了CNC内部直接处理数据的能力v可使用梯形图方式进行编辑，传送复杂的控制功能v造价

14、较低，提高了CNC的性能/价格比v自从七十年代末期以来，世界上一些著名的数控系统生产厂家均在其数控产品中，开发了内装型PLC的功能三、独立型三、独立型PLCv所谓独立型PLC实际上也就是一个通用型PLCv它完全独立于CNC装置v具有完备的硬件和软件v能够独立完成CNC系统所要求的控制任务v独立型PLC与数控机床之间的关系如下图特点v独立型PLC既要进行机床侧的I/O连接，还要进行CNC装置侧的I/O连接，两者均具有自己的I/O接口电路v独立型PLC一般采用通用型模块化结构，装在插板式机箱或控制柜内，I/O点数和规模增减灵活应用v对于数控车床、数控铣床和加工中心等单台设备，所需I/O点数大多在1

15、28点以下，选用微型或小型PLC即可，少数复杂设备超过128点v大型数控机床，需选用中型或大型PLC 小结v独立型PLC造价较高，性价比不如内装型PLCv内装型PLC多用于单微处理器的CNC系统中，而独立型PLC主要用于多微处理器的CNC系统中。v它们的作用是一样的，都是配合CNC装置实现刀具轨迹控制和机床顺序控制第三节第三节 数控系统中数控系统中PLC的信息交换的信息交换信息交换过程v以PLC为中心，在CNC、PLC和机床之间的信息传递PLCCNC机床机床PLC和CNC双向信息交换vCNC发给PLC的信息 各种功能代码M、S、T的信息 手动/自动方式信息 各种使能信息等vPLC发给CNC的信

16、息 M、S、T功能的应答信息 各坐标轴对应的机床参考点信息等PLC与机床双向信息交换vPLC向机床发送的信息 控制机床的执行元件，如电磁阀、接触器、继电器等控制机床的执行元件，如电磁阀、接触器、继电器等 各种状态指示各种状态指示 故障报警等故障报警等v机床向PLC发送的信息 机床操作面板输入信息机床操作面板输入信息 各种开关、按钮等信息，如各种开关、按钮等信息，如 机床启动机床启动/ /停止停止主轴正转主轴正转/ /反转反转/ /停止停止切削液开切削液开/ /关关倍率选择倍率选择各坐标轴点动各坐标轴点动刀架卡盘夹紧刀架卡盘夹紧/ /松开松开各运动部件的限位开关各运动部件的限位开关主轴状态监视信

17、号主轴状态监视信号伺服系统运行准备信号伺服系统运行准备信号FAGOR 8025/8030系统简介系统简介 FAGOR 8025/8030车床数控系统是由西班牙FAGOR公司生产，用户数量巨大，有T、TG、TS三个系列： T系列车床系列 TG系列带有图形功能的车床数控系统 TS系列具有刀具自旋功能的车床数控系统特点v系统最多可驱动六个坐标轴v可接受六个轴的反馈输入v可实现三轴联动直线插补v两轴直线或圆弧插补v系统分辨率为1m，机床定位精度接近2mv系统中G00的最大速度达v可控最大主轴转速为9999r/minv刀库容量可达99把刀具v8单显CRT可进行静、动态图形显示v经RS232和RS485实

18、现通信和联网。v具有完备的刀具补偿功能v有较强的错误诊断能力v具有探针输入功能特点vFAGOR 8025/8030 PLC也有两种选择形式： 第一种是独立型PLC，由一个单独的PLC组件构成，通常被安装在机床电器柜中，其输入/输出点数为64/32点 第二种是内装型PLC，集成在CNC系统内部，其输入/输出点数为41/24点FAGOR 8025/8030 TGI 该型号车床数控系统采用了内装型PLC，资源情况如下：v41个24V直流输入信号；v24个24V直流输出信号；v255个16位寄存器；v2047个标志器（内部继电器）；v32个计时器（10ms655s）；v16个计数器（-32767+32

19、767或065535）内装型内装型PLC的输入信号的输入信号I42I104通过通过I/O1和和I/O2，将将CNC的的输出传递给外部输出传递给外部借助于借助于I/O1和和I/O2将外部信息通过将外部信息通过PLC的的O25O64送给送给CNCI/O3为主轴和为主轴和6个进给轴提供个进给轴提供模拟控制电压。模拟控制电压。系统内部与PLC有关的信号流向与外部连接vO1O24共共24个信号安排在个信号安排在I/O1上上vI1I41共共41个信号分散在三个连接器上：个信号分散在三个连接器上： I/O1上有上有8个信号个信号 I/O2上有上有32个信号个信号 I/O3上还有一个信号上还有一个信号一、一、

20、PLC的输入的输入v共有104个输入信号: 其中41个外部输入信号通过三个连接器送入，编号为I1I41，主要是机床上的有关输入信号。 另外63个内部逻辑输入信号，通过公共存储器单元由CNC传送给PLC，其编号对应为I42I104二、二、PLC的输出的输出v共有64个输出信号: 其中24个外部输出信号通过连接器I/O1送出，编号为O1O24，主要是给机床输出各种开关信号等 另外40个内部逻辑输出信号通过内部公共存储单元由PLC送给CNC，其编号对应为O25O64 三、三、PLC的标志器的标志器v标志器（内部继电器）就是一个存储器，存放用户定义信息，以“位”的方式进行工作;vPLC的后备电池可以在

21、电源关断时，保持标志器中的逻辑状态不变。v若希望启动时的初始状态为0，则可用指令来予以清除PLC中总共提供了2047个标志器，允许用户使用的只是M1M512v具体分配如下： vM1M512 供用户使用vM1801M1964 用于与CNC进行数据交换vM202XM202X 算术符号标志器vM202XM2024 时钟标志器vM2046M2047 预置标志器四、四、PLC的寄存器的寄存器v寄存器用于存放数据信息，均为16位，数据范围为-32768+32767（带符号）或065535（不带符号）。v部分数据寄存器的分配如下：R1R100 可供用户使用的寄存器R101R164 用于与CNC进行数据交换R

22、201R203 用于与CNC进行数据交换五、五、CNC与与PLC之间的信息交换之间的信息交换vPLC除了通过内部输入（I42I104）、内部输出（O25O64）端口与CNC之间进行数据交换外，还可以通过标志器、寄存器来实现与CNC交换数据的目的（一）通过激活标志器在CNC中产生信息v实现原理 当8025/8030系统中的PLC运行时，可借助于PLC中的标志器M1801M1899的激励，在CNC中产生199个相关信息，并在CRT上进行显示。 当标志器M1801M1899释放后，相应信息被取消，CRT上显示也消失。标志器的激活和释放可通过输入一个脉冲信号来实现v假设PLC程序中编有指令：I12=M

23、1845，表示当外部输入信号I12由低电平变为高电平（上升沿有效）时，就将相应标志位置位，即M1845=“1”，在CNC中产生45号信息，并在CRT上显示v当外部输入信号I12由高电平变为低电平（下降沿有效）时， 则45号信息消失PLC中99个标志器M1801M1899可与CNC中99条信息对应vCNC中前25个消息（对应标志器M1801M1825 ） 为关键信息，表示CNC执行中的致命错误，当出现一个错误时，CNC将中断程序的运行，执行相应处理v当出现其余信息时，不中断CNC程序的执行，仅在CRT上显示（二）借助于标志器对CNC中变量进行读写或修改v工作原理 PLC中寄存器R101R164用

24、于存放CNC装置中寄存器R1R64的映像值 现通过激活相应标志器，就可对CNC中寄存器R1R64的内容进行读写和修改v通过激活标志器M1901M1940，可读出CNC中寄存器R1R40中的内容，并存储在PLC的寄存器R101R140v通过激活标志器M1941M1964，可将PLC中寄存器R141R164的内容写入CNC中寄存器R41R64（三）执行M、S、T功能过程中对R201R203的内容进行更新v若PLC正执行M、S、T功能，则CNC自动将该功能对应参数传送到PLC的预定寄存器R201R203中第四节第四节 辅助功能辅助功能(M、S、T)的实现的实现 一、一、M功能的实现功能的实现vM功能

25、也称辅助功能，其代码用字母“M”后跟随二位数字表示。v根据M代码的编程，可以控制主轴的正反转及停止，主轴齿轮箱的变速，冷却液的开关，卡盘的夹紧和松开，以及自动换刀装置的取刀和还刀等。表中M功能执行条件不相同v段前辅助功能：在译码处理传送到工作寄存器后立即起作用，记为I类，如M03、M04。v段后辅助功能：必须等到辅助功能所在程序段中的坐标轴运动完成后才起作用，记为A类，如MO5、M09。v有些辅助功能只在本程序段内起作用，当后续程序段到来时便失效，记为C类，例如M06。v有些辅助功能一旦被编入执行后便一直有效，直至被注消或取代为止，并记为H类，例如M10、M11根据M功能动作类型不同，译码后的处理方法有差异v例如： 有些M代码经译码处理后，CNC通过PLC输入接口送到PLC相应寄存器中，然后供PLC扫描采样，并输出处理结果，控制有关执行元件二、二、S功能的实现功能的实现S功能主要完成主轴转速的控制，编程时可采用：S2位代码形式S4位代码形式v首先针对S