数控机床用可编程控制器LC概述

四、数控机床用可编程序控制器PLC1本讲主要内容PLC的基本结构PLC的工作原理数控机床用可编程控制器的类型及特点PLC在数控机床上的配置方式可编程控制器与外部的信息交换数控机床用可编程控制器的控制功能2引言数控机床的控制除了对坐标轴的进给进行位置伺服控制外，还需要对机床的主轴、刀具和各种开关信号进行控制。如主轴的正、反转，起动和停止，刀具交换，工件夹紧、松开，工作台交换以及切削液的开、关和润滑系统的启动等进行顺序控制。顺序控制的信息主要是开关量信号，如控制开关、行程开关、压力开关和温度开关等输入元件输入的信号和继电器、接触器、电磁阀等输出元件所需要的输出信号。在数控机床上用可编程控制器完成这一控制任务。3一、PLC的基本结构41．PLC的硬件结构（1）

可编程控制器实质上是一种工业控制用的专用计算机，PLC与微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。CPU是PLC的核心部件，其上不仅有CPU集成芯片，而且还有一定数量的内存储器RAM和系统程序存储器EPROM，用户程序存储器EPROM，输入输出（I／O）模块及电源等组成，其各部分均采用总线结构。PLC的基本结构P2315可编程控制器结构框图PLC的基本结构61．PLC的硬件结构（2）

中央处理单元CPUPLC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人的用户程序和数据，用扫描方式查询现场输入装置的各种信号状态或数据，并存入输入状态寄存器或数据寄存器中，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。PLC的基本结构71．PLC的硬件结构（3）

存储器PLC存储器一般有随机存储器RAM和只读储器EPROM。RAM中一般存放各种暂存数据，中间结果及用户正在调试的程序。PLC所用的只读存储器为EPROM，内部存储有PLC控制的系统程序，如检查程序、键盘输入处理程序、编译程序、信息传递程序及监控程序等，由厂家固化到EPROM中。有时，用户程序也可固化到EPROM中，避免RAM中存储的用户程序丢失。PLC的基本结构81．PLC的硬件结构（4）

输入输出模块（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连接部件。现场输入装置有控制按钮、转换开关、行程开关、接近开关、压力开关及温控开关等，这些信号经接口电路接入PLC后，还要经过抗强电干扰的光电耦合、消抖动电路、滤波电路才能送到PLC输入数据寄存器。PLC的基本结构91．PLC的硬件结构（5）

PLC的输出装置有继电器、双向晶闸管和晶体管三种形式，因此，PLC提供了各种操作电平、驱动能力以及不同功能的I／O模块供用户选用。模拟量输入输出模块和智能接口模块。模拟量输入输出模块的作用就是将输入的模拟量经A／D转换变成PLC能处理的数字量，并将PLC处理后的数字量经D／A转换变成模拟量输出。PLC的基本结构101．PLC的硬件结构构（6）编程器编程器用于于用户程序序的编制、编辑辑、调试和和监视，还可以通通过其键盘盘调用和显显示PLC的一些内部部状态和系系统参数。。通过接口与与PLC联系，完成成人机对话话连接。简易型编程程器只能在在线编程，它通过一一个专用接接口与PLC连接。智能型编程程器既可在在线编程又又可离线编编程，还可可与微型计计算机接口口或与打印印机接口，，实现程序序的存储、、打印、通通信等功能能。PLC的基本结构构112．PLC软件系统（（1）PLC的软件系统统包括系统程序和和用户程序序。系统程序系统程序又又包括监控程序、、编译程序序及诊断程程序等。监控程序又称为管理理程序，主主要用于管管理整机；；编译程序用来把程序序语言翻译译成机器语语言；诊断程序用来诊断机机器故障。。系统程序序由PLC生产厂家提提供，并固固化在EPROM中，用户不不能直接存存取，故也也不需要用用户干预。。PLC的基本结构构122．PLC软件系统（（2）用户程序用户程序是是用户根据据现场控制制的需要，，用PLC程序语言编编制的应用用程序，用以实现现各种控制制要求。用用户程序由由用户用编编程器输入入到PLC内存。小型PLC的用户程序序比较简单单，不需要要分段，可可按顺序编编制；大中中型PLC的用户程序序很长，也也比较复杂杂，为使用用户程序编编制简单清清晰，可按功能结结构或使用用目的将用用户程序划划分成各个个程序模块块，每个模块块用来解决决一个确定定的技术功功能，这样样使程序编编制变得容容易理解，，同时能很很方便地对对程序进行行调试和修修改。PLC的基本结构构13二、PLC的工作原理理141．基本思想用户程序通通过编程器器输入到用用户存储器器，CPU对用户程序序循环扫描描并顺序执执行，这是是PLC的基本工作作原理。扫描与顺序序执行只要PLC接通电源，，CPU就对用户存存储器的程程序进行扫扫描，即从从第一条用用户程序开开始顺序执执行，直到到用户程序序最后一条条，形成一一个扫描周周期，周而而复始。用梯形图形形象地说就就是从上至下，，从左至右右，逐行扫扫描执行梯形图图所描述的的逻辑功能能。目前在PLC中，执行每每条指令的的平均时间间可达μs级。PLC的工作原理理15２．扫描工工作过程（（1）CPU的一个周期期CPU进行输入点点状态采集、用户程序序逻辑运算、相应输出出状态的更新和I／O执行。当有编程器器接入PLC时，CPU还要对编程程器的在线线输入信号号进行响应应，并更新新显示。CPU还要对自身的硬硬件进行快速自检，并对监视视扫描用的的定时器进进行复位。。完成自检检后，CPU又从首地址址重新开始始扫描运行行。PLC的工作原理理16２．扫描工工作过程（（2）输入采样在输入采样样阶段，PLC以扫描方式式将所有输输入端的输输入信号状状态（ON／OFF状态）读入入到输入映映像寄存器器中寄存起起来，称为对输输入信号的的采样。在程序执行行期间，即即使输入状状态变化，，输入映像寄寄存器的内内容也不会会改变。输入状态态的变化只只能在下一一个工作周周期的输入入采样阶段段才被重新新读入。PLC的工作原理理17２．扫描工工作过程（（3）程序执行阶阶段在程序执行行阶段，PLC对程序按顺顺序进行扫扫描。如程序用用梯形图表表示，则总总是按先上上后下、先先左后右的的顺序扫描描。每扫描到一一条指令时时，所需要要的输入状态或其他元素素的状态分分别从输入映像寄寄存器或输输出映像寄寄存器中读读入，然后进行行相应的逻逻辑或算术术运算，运运算结果再再存入专用用寄存器。。若执行程序序输出指令令时，则将将相应的运算结果存入输出映像寄存器器。PLC的工作原理理18２．扫描工工作过程（（4）输出刷新阶阶段在所有指令令执行完毕毕后，输出出映像寄存存器中的状状态就是欲欲输出的状状态。在输输出刷新阶阶段，将映像寄存存器中的状状态转存到到输出锁存存电路，再经输出出端子输出出信号去驱驱动用户输输出设备，，这就是PLC的实际输出出。PLC的工作原理理19三、数控机机床用可编编程控制器器

类型及及特点20PLC在数控机床床中的作用用机床的控制制分为数字字控制和顺顺序控制：：数字控制：：刀具轨轨迹顺序控制：：辅助机机械动作（（强电控制制）主轴转速，，刀具选择择，辅助功功能等等。PLC来完成21数控机床分分为NC侧和机床侧侧。NC侧：CNC系统的硬件件和软件，，以及相关关外部设备备。机床侧：机机床机械部部分，液压压、气压、、冷却、润润滑、排屑屑、操作面面板等。PLC处于NC侧与机床侧侧之间，对对NC和机床的输输入输出信信号进行处处理。22PLC顺序控制任任务：1.主轴启停，，正反转，，速度控制制；2.冷却、润滑滑系统接通通与断开；；3.刀库的启停停与刀具的的选择和更更换；4.卡盘的松开开与加紧；；5.自动门的打打开与闭合合；6.尾座和和套筒筒的启启停、、前进进、后后退控控制；；7.排屑等等辅助助装置置的控控制。。231．机机床用用PLC分类数控机机床中中所用用的PLC可分为为两类类：一一类是是专为为实现现数控控机床床顺序序控制制而设设计制制造的的内装型型PLC另一类类是那那些输输入输输出技技术规规范，，输入入输出出点数数、程程序存存储容容量以以及运运算和和控制制功能能等均均能满满足数数控机机床控控制要要求的的独立型型PLC。NC用PLC类型及特点24２．内装型PLC（１））内装型PLC从属于CNC装置，PLC与NC之间信号传送送在CNC装置内部就可可完成，而PLC与机床侧的信信息传送则要要通过输入输输出接口来完完成。实际上就是CNC装置带有PLC的功能。NC用PLC类型及特点25２．内装型PLC（２））内装型PLC特点（1）：是作为CNC装置带有的PLC功能，一般是是作为一种可可选功能提供供给用户。内装型PLC的性能指标（（如输入输出出点数、程序序最大步数、、每步执行时时间、程序扫扫描周期、功功能指令数目目等）是根据据所从属的CNC系统的规格、、性能、适用用机床的类型型等确定的，，其硬件和软件部部分是被作为为CNC系统的基本功功能或附加功功能与CNC系统一起统一一设计制造的的。NC用PLC类型及特点26２．内装型PLC（3））内装型PLC特点（2）：在系统结构上上，内装型PLC既可以与CNC共用一个CPU，也可以单独使用一个个CPU，此时的PLC对外有单独配配置的输入输输出电路，而而不使用CNC装置的输入输输出电路。扩大了CNC内部直接处理理的通信窗口口功能，可以以使用梯形图图的编辑和传传送等高级控控制功能，且且造价便宜，，提高了CNC的性能价格比比。NC用PLC类型及特点27具有内装型PLC的CNC系统NC用PLC类型及特点282．独立型PLC（1））独立型PLC又称通用型PLC。独立型PLC独立于CNC装置，具有完完备的硬件和和软件，能独独立完成规定定控制任务的的装置。数控机床用独独立型PLC，一般采用模块块化结构，装在插板式式笼箱内，它它的CPU系统程序、用用户程序、输输入输出电路路、通信等均均设计成独立立的模块。独立型PLC主要用于FMS、CIMS形式中的CNC机床，具有较强的的数据处理、、通信和诊断断功能，成为为CNC与上级计算机机联网的重要要设备。NC用PLC类型及特点29独立型PLC的CNC系统NC用PLC类型及特点302．独立型PLC（2））独立型PLC具有以下特点点（１）：独立型PLC本身是一个完完整的计算机机系统，其具有CPU、EPROM、RAM、I/O接口以及编程程器等外部设设备通信接口口、电源等。。独立型PLC的I/O模块种类齐全全，其输入输出点数数可通过增减I/O模块灵活配置。NC用PLC类型及特点312．独立型PLC（3））独立型PLC具有以下特点点（２）：与内装型PLC比较，独立型型PLC功能更强，但但一般要配置单独的的编程设备。独立型PLC与数控系统之之间的信息交交换可通过I/O接口对接方式，也可采用通信方式。I/O接口对接方式就是将数控系系统的输入输输出点通过连连线与PLC的输入输出点点连接起来，，适应于数控控系统与各种种PLC的信息交换。。但由于每一一点的信息传传递需要一根根信号线，所所以这种方式式连线多，信息交换量小小。采用通信的方式可克服上述I/O对接的缺点。。但采用这种种方式的数控控系统与PLC必须采用同一通信协议议。采用通信方方式时，数控控系统与PLC的连线少，信信息交换量大大而且非常方方便。NC用PLC类型及特点32四、PLC在数控机床上上的配置方式式33PLC在数控机床上上配置方式图图例（1）PLC在机床上配置置方式PLC在机床侧代替替传统的继电电器逻辑系统统，有m+n个输入输出点点PLC在CNC控制柜中，有有m个输入输出点点，元器件数数目少，易于于维修，成本本低。34PLC在数控机床上上配置方式图图例（2）PLC在机床上配置置方式PLC在控制柜中，，输入输出接接口在机床一一侧，中间用用一个光缆通通信。35１．PLC在数控机床上上的配置方式式（1）第一种PLC安装在机床侧侧，用于完成成传统继电器器的逻辑控制制，PLC与数控系统之之间通过I／O点连线对接交交换信息，PLC通过I／O点再控制机床床的逻辑动作作。在这种配配置中，PLC可选用任意一一种型号的产产品，可选择余地地大。此时PLC需N+M根连线，因此此连线复杂。PLC在机床上配置置方式36１．PLC在数控机床上上的配置方式式（2）第二种采采用内装PLC。此时PLC仅有M根输入输出连连线控制机床床，而PLC与数控系统之之间的信息交交换在数控系系统内部完成成，因此连线少少，易于维修修，成本也较较低。PLC在机床上配置置方式37１．PLC在数控机床上上的配置方式式（3）第三种独立立型PLC安装装在在靠靠近近CNC处（（或或使使用用内内置置PLC）），，但将将PLC的I／／O模块块安安装装在在机机床床侧侧，PLC与I／／O模块块之之间间使使用用远远程程I／／O通信信线线连连接接（（通通常常PLC均有有远远程程I/O模块块））。。这这种种配配置置特特别别适用用于于重重型型、、大大型型机机床床，可可使使用用多多个个远远程程I／／O模块块，，各各远远程程I／／O模块块安安装装在在靠靠近近各各自自的的控控制制对对象象处处，，从从而而减减少少和和缩缩短短了了连连线线，，简简化化了了强强电电结结构构，，提提高高了了系系统统的的可可靠靠性性。。PLC在机机床床上上配配置置方方式式38五、、PLC与外外部部的的信信息息交交换换391．．机机床床至至PLC（（MT→→PLC））机床床侧侧的的开开关关量量信信号号通通过过I／／O单元元接接口口输输入入至至PLC中，，除除极极少少数数信信号号外外，，绝绝大大多多数数信信号号的的含含义义及及所所占占用用PLC的地地址址均均可可由由PLC程序序设设计计者者自自行行定定义义。。PLC信息息交交换换402．．PLC至机机床床（（PLC→→MT））PLC控制制机机床床的的信信号号通通过过PLC的开开关关量量输输出出接接口口送送到到机机床床侧侧，所所有有开开关关量量输输出出信信号号的的含含义义及及所所占占用用PLC的地地址址均均可可由由PLC程序序设设计计者者自自行行定定义义。。举例例在SINUMERIK810数控控系系统统中中，，机机床床侧侧某某电电磁磁阀阀的的动动作作由由PLC的输输出出信信号号来来控控制制，，设设该该信信号号用用Q1．．4来定定义义。。该该信信号号通通过过I／／O模块块和和I／／O端子子板板输输出出至至中中间间继继电电器器线线圈圈，，继继电电器器的的触触点点又又使使电电磁磁阀阀的的线线圈圈得得电电，，从从而而控控制制电电磁磁阀阀的的动动作作。。同同样样，，Q1．．4信号号可可在在PLCSTATUS状态态下下，，通通过过观观察察QBl的第第4位位““0””或或““1””来来获获知知该该输输出出信信号号是是否否有有效效。。PLC信息息交交换换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的信信号号含含义义和和地地址址（（开开关关量量地地址址或或寄寄存存器器地地址址））均均由由CNC厂家家确确定定，，PLC编程程者者只只可可使使用用，，不不可可改改变变和和增增删删。。举例例数控控指指令令的的M、、S、、T功能能，，通通过过CNC译码码后后直直接接送送入入PLC相应应的的寄寄存存器器中中。。在在SINUMERIK810数控系统统中，M03指令经译译码后，，送入FY27．3寄存器中中。PLC信息交换换424．PLC至CNC（（PLC→CNC））PLC送至CNC的信息也也由开关关量信号号或寄存存器完成成，所有有PLC送至CNC的信号地地址与含含义由CNC厂家确定定，PLC编程者只只可使用用，不可可改变和和增删。举例SINUMERIK810数控系统统中，Q10