第五章 数控系统中的PLC控制教材

第五章数控系统中的PLC控制介绍了数控系统中PLC的组成、分类及工作过程；数控系统中PLC与CNC、MT之间的信息交换；数控系统中PLC控制功能（M、S、T）的实现方法；数控系统中的PLC在数控机床主轴运动、润滑系统、自动换刀以及零件计数等方面的具体应用第一节概述

一、作用对机床主轴正反转与启停、工件的夹紧与松开、冷却液开关、刀具更换、工件及工作台交换、液动与气动以及润滑等辅助功能进行顺序控制。二、概念可编程序控制器PC（ProgrammableController）是一种数字运算系统，专为工业环境下的设备运行与控制而设计。图7-1数控系统内部信息流在数控系统信息流通中PLC控制的辅助功能（M、S、T等）信息第二节数控系统中的PLC

一、PLC的结构、特点及其工作过程（一）PLC的基本结构

PLC的种类型号很多，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。图7-2PLC控制系统组成1．中央处理单元CPUPLC中的CPU与通用计算机中的CPU一样，是PLC的核心。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用来管理逻辑运算及专用功能指令；另一个CPU用来管理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。2．存储器PLC存储器主要包括随机存储器RAM和只读存储器ROM。PLC所用存储器基本上由EPROM、RAM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。3．输入/输出（I/O）模块I/O模块是PLC与外部设备或现场I/O装置之间进行信息交换的桥梁。4．编程器编程器是提供用户进行程序的编制、编辑、调试、监视以及运行应用程序的特殊工具，一般由键盘、智能处理器、显示屏、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，完成人机对话功能。5．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。图7-3SIMATICS7-300结构图（二）PLC的特点1．可靠性高2．灵活性好3．编程简单4．与现场信号直接连接5．安装简单维修方便6．网络通信（三）工作过程PLC的工作过程是在硬件的支持下运行软件的过程图7-4PLC的扫描过程图7-5PLC的工作过程二、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”（Stand-alone-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装置集于一体图7-6内装型PLC的CNC系统框图内装型PLC的性能指标（如输入／输出点数、程序扫描时间、每步执行时间、程序最大步数、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。图7-7内装型PLC中的CPU图7-8SINUMERIK810数控系统的I/O模块序号公司名称CNC系统型号内装型PLC型号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具有内装型PLC的CNC系统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。图7-9独立型PLC的CNC系统框图图7-10SIMATICS7-300可编程序控制器第三节数控系统中PLC的信息交换

CNC、PLC和MT之间的信息交换包括以下四个部分。1．CNC传送给PLCCNC送至PLC信息可由开关量输出信号（对CNC侧而言）完成，也可由CNC直接送入PLC的寄存器中。主要包括各种功能代码M、S、T的信息，手动/自动方式信息及各种使能信息等。2．PLC传送给CNCPLC送至CNC的信息由开关量输入信号（对CNC侧而言）完成，所有PLC送至CNC的信息地址与含义由CNC系统生产厂家确定，PLC编程者只可使用不可改变和增删。主要包括M、S、T功能的应答信息和各坐标轴对应的机床参考点信息等。3．PLC传送给MTPLC控制机床的信号通过PLC的开关量输出接口送至MT中。主要用来控制机床的执行元件，如电磁阀、继电器、接触器以及各种状态指示和故障报警等。4．MT传送给PLC机床侧的开关量信号可通过PLC的开关量输入接口送入PLC中，主要是机床操作面板输入信息和其上各种按钮、开关等信息，如机床的起停、主轴正反转和停止、各坐标轴点动、切削液的开关、刀架卡盘的夹紧与松开、倍率选择及各运动部件的限位开关信号等信息。图7-11FAGOR系统的信息交换第四节数控系统中的PLC控制功能实现1．M功能的实现M功能称为辅助功能，用M后跟二位数字来表示。根据M代码的编程，可以实现机床主轴正反转及停止，数控加工程序运行停止，冷却液的开关，自动换刀，卡盘的夹紧和松开等功能的控制。辅助功能代码功

能类型辅助功能代码功

能类型M00M01M02M03M04M05M06程序停选择停程序结束主轴顺时针旋转主轴逆时针旋转主轴停换刀准备AAAIIACM07M08M09M10M11M30液状冷却雾状冷却关冷却液夹紧松开程序结束并倒带IIAHHA2．S功能的实现S功能是主轴转速控制功能，以往用S2位代码形式指定主轴转速，现代数控系统一般用S4位代码来编程。图7-12S功能处理框图图7-13SINUMERIK3系统主轴控制框图3．T功能的实现T功能称为刀具功能，用T代码后跟2～5位数字表示刀具号和刀具补偿号。根据T代码通过PLC可以实现数控机床的自动换刀及刀库管理，即根据刀具和刀具座的编号，可以方便可靠地进行选刀和换刀控制。图7-14T功能处理示意图图7-15T功能处理流程图第五节数控系统中的PLC应用实例一、典型PLC介绍数控机床用FANUCPLC有PMC-A、PMC-B、PMC-C、PMC-D、PMC-GT和PMC-L等多种型号，它们分别适用于不同的FANUC系统组成内装型的PLC。图7-16堆栈寄存器操作顺序1．基本指令序号指令处理内容1RD读指令信号的状态，并写入ST0中。在一个梯级开始的节点是常开节点时使用2RD.NOT将信号的“非”状态读出，送入ST0中，在一个梯级开始的节点是常闭点时使用3WRT输出运算结果（ST0的状态）到指定地址4WRT.NOT输出运算结果（ST0的状态）的“非”状态到指定地址5AND将ST0的状态与指定地址的信号状态相“与”后，再置于ST0中6AND.NOT将ST0的状态与指定的信号的“非”状态相“与”后，再置于ST0中7OR将指定地址的状态与ST0相“或‘后，再置于ST08OR.NOT将地址的“非”状态与ST0相“或‘后，再置于ST09RD.STK堆栈寄存器左移一位，并把指定的地址的状态置于ST010RD.NOT.STK堆栈寄存器左移一位，并把指定地址的状态取“非”后再置于ST011AND.STK将ST0和ST1的内容执行逻辑“与”，结果存于ST0，堆栈寄存器右移一位12OR.STK将ST0和ST1的内容执行逻辑“或”，结果存于ST0，堆栈寄存器右移一位表5-5基本指令及处理内容基本指令格式如下：×× 0000.0指令操作码

地址号

位数操作数据如RD100.6，其中RD为操作指令码，100.6为操作数，即指令操作对象。它实际上是PLC内部数据存储器某一个单元中的一位100.6表示第100号存储单元中的第6位。图5-18梯形图例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．功能指令数控机床用的PLC指令必须满足数控机床信息处理和动作顺序控制的特殊要求。例如CNC输出的M、S、T二进制代码信号的译码（DEC）；加工零件的计数（CTR）；机械运动状态或液压系统动作状态的延时（TMR）确认；刀库、分度工作台沿最短路径旋转和现在位置至目标位置步数的计算（ROT）；换刀时数据检索（DSCH）和数据变址传送指令（XMOV）等。功能指令都是一些子程序，应用功能指令就是调用相应的子程序。1）功能指令的格式功能指令不能使用继电器的符号，必须使用图5-19所示格式符号。这种格式包括：控制条件、指令标号、参数和输出几个部分。图5-19功能指令格式RD.NOT 1.0AND 1.1RD 2.4AND.NOT 3.1SUBOO （指令）PRMOOOO （参数1）PRMOOOO （参数2）PRMOOOO （参数3）PRMOOOO （参数4）WRT 10.1（1）控制条件控制条件的数量和意义随功能指令的不同而变化。控制条件被存入堆栈寄存器中，其顺序是固定不变的。（2）指令功能指令的种类见表5-6，指令有三种格式，格式1用于梯形图；格式2用于在纸带穿孔和程序显示；格式3用编程器输入程序时的简化指令。对于TMR和DEC指令在编程器上有其专用指令键，其他功能指令则用SUB键和其后的数字键输入。（3）参数功能指令不同于基本指令，可以处理各种数据，数据本身或存有数据的地址可作为功能指令的参数，参数的数量和含义随指令的不同而不同。（4）输出功能指令的执行情况可用一位“1”和“0”表示，把它输出到R1软继电器，R1继电器的地址可随意确定，但有些功能指令不用R1，如MOVE、COM、JMP等。2）部分功能指令说明（1）顺序程序结束指令（END1、END2）END1：高级顺序程序结束指令；END2：低级顺序程序结束指令。指令格式：ENDi其中i=1或2，分别表示高级和低级顺序程序结束指令。（2）定时器指令（TMR、TMRB）在数控机床梯形图编制中，定时器是不可缺少的指令，用于顺序程序中需要与时间建立逻辑关系的场合。功能相当于一种通常的定时继电器。①TMR指令设定时间可更改的定时器，指令格式如图5-20所示，语句表如下。

RDOOO.O （条件ACT）

TMROO （定时器数据存储单元）

WRTOOO.O （输出地址）图5-20TMR指令格式及语句表定时器的工作原理是：当控制ACT=0时，定时继电器TM断开；当ACT=1时，定时器开始计时，到达预定的时间后，定时继电器TM接通。定时器设定时间的更改可通过数控系统（CRT/MDI）在定时器数据地址中来设定，设定值用二进制数表示。例如有：TMR03 TM014.5s206.6则4.5s的延时数据通过手动数据输入板（MDI）在CRT上预先设定，由系统存入第203号数据存储单元。TM01即1号定时继电器，数据位为206.6。②TMRB为设定时间固定的定时器。③译码指令（DEC）是数控机床在执行加工程序中规定的M、S、T代码信号。图5-21DEC功能指令格式01：译码地址中的两位BCD码，高位不变，只译低位码。10：高位译码，低位不译码。11：两位BCD码均被译码。M30的译码梯形图如图7-22所示，语句表如下：RD 66.0AND 66.3DEC 0067PRM 3011WRT 228.1图5-22M30LTU译码梯形图图5-23控制主轴运动的梯形图局部HS.M 手动操作开关AS.M 自动操作开关CW.M 主轴正转按钮CCW.M 主轴反转按钮OFF.M 主轴停转按钮SPLGEAR 齿轮低速换档到位行程开关SPHGEAR 齿轮高速换档到位行程开关LEGAR 手动低速换档到位开关HEGAR 手动高速换档到位开关程序中应用了译码和延时2个功能指令，所涉及到的M功能是：M03 主轴正转M04 主轴反转M05 主轴停转M41 主轴齿轮换低速档M42 主轴齿轮换高速档1．主轴运动的控制2.润滑系统自动控制图5-24润滑系统电气控制原理图图5-25润滑系统控制流程图图5-26润滑系统的PLC控制梯形图3．自动换刀控制图5-27刀套编码选刀控制图5-28随机换刀刀库数据表地址数据表序号(刀套号)(BCD码)刀具号(BCD码)1720（00000000）12（00010010）1731（00000001）11（00010001）1742（00000010）16（00010110）1753（00000011）17（00010111）176