数控机床第6章-数控系统中的PLC控制与应用(2015-08)

【教学重点】数控系统中的PLC是构成数控机床电气控制电路的核心，以完成M、S、T等辅助功能指令的控制。本章主要介绍数控系统中的PLC（PMC）控制的基础知识。通过对西门子808D与FANUC0i-D典型数控系统内置PLC的作用与结构、信息交换、编程元件与指令、程序结构与运行特点、梯形图程序设计方法以及典型应用案例的介绍，初步了解NC、PLC、和MT三者之间关系、信息交换和实现数控机床M、S、T辅助功能控制的方法。由于中大型数控机床的PLC程序设计比较复杂，读者还需要深入进行专题学习。【教学内容】6.1数控系统中PLC作用与结构

6.2数控系统中PLC信息交换与接口

6.3数控系统中PLC编程元件与指令

6.4数控系统中PLC顺控程序结构与运行特点

6.5PLC辅助控制功能控制与典型案例【教学课时】6课时周德卿2015.81

1.数控系统中PLC的作用

(1)PLC与PMC

可编程控制器简称PLC(ProgrammableLogiccottrol1er),它实际上是应用大规模集成电路技术及计算机技术，设计的一种专门在工业环境下应用的数字运算控制电子装置---工业控制计算机控制器。PLC控制器采用由半导体触发器电路构成各种存储器、寄存器的“软继电器”,代替过去继电控制电路中的有触点的继电器、接触器等器件；采用可编程序的“软件”逻辑代替继电控制电路中的硬布线逻辑，以实现逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字或模拟的输入和输出，从而控制各类机械和生产过程，被广泛用于生产过程自动化、自动生产线、家用电器、智能楼宇、机器人等方面的控制装置中。

6.1数控系统中PMC作用与结构周德卿2015.82

用于数控机床中PLC又称PMC(ProgrammableMachineController)，特别是在日本FANUC公司数控系统的使用、调试、维修说明书及有关著作中习惯使用PMC名称，本教材采用国际上通行名称PLC。数控系统中的PLC一般内置于CNC中，如图6-1所示。可见PLC是介于数控装置NC侧和机床本体MT侧之间的中间环节，起着承上启下作用，主要负责数控机床辅助功能M、S、T的实现，即专门执行数控机床的“顺序控制”。

数控系统中PLC软硬件组成、结构和工作原理、程序编制语言和编制方法等，基本上与三菱、西门子、通用、欧姆龙等公司工业标准型PLC相同。特别要指出的是，机床数控系统中的PLC可完成机床顺序控制的逻辑控制部分，是计算机的“弱电”控制部分。如要带动负载实现主轴启停与正反转、刀具自动换刀、旋转工作台控制等，还需要与主电路、电气控制电路即“强电”部分配合进行，并进行功率放大，以驱动相应的电动机、电磁阀或气动、液动等执行机构。将PLC控制信号经过I/0接口单元电路，输出至电控柜中的相关控制电气元器件和电气控制装置如继电器、接触器变频器、伺服驱功器等，然后再接至机床侧各有关动力设备。这就涉及到PLC、CNC、SV与机床电气电路配合设计的问题，并且为与机床传动机械匹配还需要设置“机床参数”，以形成一个完整的机电一体化的数控系统，这就是“系统”的概念。周德卿2015.83电气控制系统与PLC控制系统对比图周德卿2015.84三菱公司基本单元+扩展式与模块式PLC工业标准型产品三菱FX2N系列基本单元+扩展式三菱Q型模块式PLC周德卿2015.85图6-1CNC、PLC(内装)与机床之间的关系周德卿2015.86(2)数控系统中PLC的控制内容

PLC与传统继电电气控制系统相比，有快速响应、可靠、易于编程、灵活性好以及使用维护方便等优点。一般，数控机床的CNC要完成的任务有两个：一是，要完成零件轮廓曲线各坐标轴的数字插补运算与控制，通常以G代码(准备功能)指令形式发出，通过主轴和进给驱动系统，完成各进给伺服轴和主轴位置与速度等闭环控制；

二是，要完成加工过程的辅助控制，通常以M、S、T代码指令形式发出并以开关量顺序控制为主，由内装于CNC中的PLC来完成。因此，PLC成为数控系统中不可缺少的重要组成部分，机床制造商根据所制造的机床类别、加工工艺等等控制要求，进行PLC控制程序的设计。PLC完成机床顺序控制的内容主要有：

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数控系统中PMC的主要控制内容机床的人机界面操作控制（操作面板和机床控制面板）；坐标轴控制（急停、使能、硬限位、参考点）；机床的冷却控制机床的导轨润滑控制机床的液压系统控制机床的自动排屑控制机床的自动换刀控制（车床的刀架、系统的刀库）；机床的辅助控制（防护门互锁、报警灯等）.

可以说,机床的外部操作及反映机床操作结果的信息均依赖PMC，不了解PMC就不能真正掌握数控机床的操作，更不能进行故障诊断与维修。一般，现行出产的西门子和FANUC的数控产品中，都具有通过有关“软键”操作可在显示屏上调出梯形图的功能，并在各执行的逻辑接点上有绿色亮条显示动态运行情况，如图6-2所示。据此，可追踪故障点，调试与维修极为方便。所以，了解数控机床PLC控制与梯形图编制是安装、调试与维修工作者，必须掌握的专业知识。周德卿2015.88图6-2FSOi-D动态梯形图显示周德卿2015.892.数控系统中PMC的结构形式

结构形式---在CNC中的PLC有内置和外置之分，如图7-2。(1)内置PLC内置PLC是在CNC内部配置的，结构上与插补控制计算机合一，如图7-4所示。硬件结构、性能、梯形图编程指令都靠标准PLC，例如西门子808D、828D数控系统采用了S7-200(I/0=114/96，存储器容量为8KB)，而FANUC0i则有两种结构：

SA1---基本配置型,I/0=1024/1024，存储器容量为：128KB。

SB7---可拓展型,I/0=2048/2048，存储器容量为：128-768KB。

内置PLC其CPU等可与CNC插补控制CPU共用也可单独设置。大多用在中、低档数控机床系统中，它的I/0点较少。在CNC面板背面,有专用的输入/输出端子接口，例如西门子802S/802C，在CNC背面设计了若干输入/输出端子排接口插座,以与机床外设操作面板、机床侧开关量及机床电气执行元件(如电磁伐、电动机等)相连；

或采用专用的I/0LinK总线接口连接外设专用I/0模块，例如西门子8O2D系统用两块I/0模块PP72/48(72点入、48点出),外部开关信号先接于该模块3×50芯插座上，然后再由I/0LinK总线接口将这些信号传输至CNC。周德卿2015.810SEIMENS802S/C/D的内置PLC为：S7-200FANUC0i/0iMate的内置PLC为:SA1(基本型)、SB7(拓展型)图6-3内置型PLC控制系统原理框图周德卿2015.811

(2)外置PLC

外置PLC是在CNC外部配置的,是独立安装的标准PLC产品，系统如图6-5所示，多用于大型、多轴、复杂的机床数控系统中。因为I/0接点数量较多(数千点)用内置PLC已不能满足要求。例如840D就采用了西门子的S7-300/400定型产品（如图6-4）。有些国产经济型数控系统，为简化CNC设计与提高可靠性，也配置外置独立型的PLC产品，如选用日本三菱、富士、欧姆龙等公司的产品。在数控系统中，无论内置、外置的PLC

与工业控制中使用的独立的PLC产品在工作原理、工作方式还是基本组成都是相同的，PMC均采用了典型的计算机结构。其结构包括硬件和软件两大部分，在编程上与独立PLC也是类似的,并都提供自已的编程软件，例如西门子802系统提供S7-200在PC机上编程的软件Micro/WlN梯形图编程，甚至提供了用于车、铣床的PMC应用程序实例，方便了用户。周德卿2015.812外置S7-300型PLC内置PLC与CNC合一外置的72点入/48点出外部I/0接口板图6-4802D的内置PLC和840D的外置PLC周德卿2015.813图6-5外置型PLC控制系统原理框图周德卿2015.8146.2数控系统中PLC的信息交换1.PLC信息交换概述由前述知，数控系统中PLC要完成数控机床顺序控制也就是完成M、S、T辅助控制功能，需要CNC内置PLC通过I/0接口单元接收和输出机床侧的大量开关信号，少则几十点多则几百点或上千点，这就是信息交换。因此，数控系统中PLC的信息交换是指以PLC为中心，在NC、PLC、MT（机床）三者之间的信号双向传递处理过程，图6-5示出了FANUC0i系列数控系统NC、PLC和MT三者之间信息交换关系图。CNC内置PLC与标准PLC产品不同之处是在内置PLC中增加了与数控系统进行信息交换的数据区，这个数据区称为接口信号。图6-6示出了FANUC0i系列数控系统NC、PLC和MT三者之间信息交换。周德卿2015.815

图6-6FANUC0i系列数控系统NC、PLC和MT三者之间信息交换图由图6-6看出：常把数控机床分为“NC侧”和“MT”侧两大部份。内装PLC在NC里，通过I/0接口单元将三者连接起来。“NC侧”包括CNC数控系统的硬件和软件，以及与CNC连接的外围设备如显示器、MDI面板等。“PLC”处于NC与MT之间，对NC和MT的输入、输出信号进行处理。“MT侧”包括机床机械部份如液压、气压、冷却、润滑、排屑等以及辅助装置、机床操作面板、继电器电路、机床主电路等。周德卿2015.8162.FANUC系统PLC的信息交换与接口对FANUC数控系统中内置PLC，FANUC公司习惯称为PMC，为与西门子统一本书仍采用国际通称PLC。FANUC0i-D系统的PLC交换信号接口地址符号有：F、G、X、Y，分别指NC→PLC、PLC→NC、MT→PLC、PLC→MT的接口信号，信息交换情况如图6-7所示。图6-7FANUC0i-D数控系统中PLC的信息交换图周德卿2015.817（1）MT至PLC信号接口由机床侧或辅助设备如排屑机、交换工作台等外围设备的开关、按钮和各检测传感器信息，通过I/O接口单元输入到PLC的信号。如由机床控制面板控制的的主轴正/反转、冷却液开/关、各进给坐标轴点动与快移、循环启动/进给保持、打刀缸松开等开关；各检测传感器信号如各坐标轴超限行程开关、回参考点开关、刀位的接近开关、润滑油的压力和温度开关、防护门开关。机床侧开关信号所用地址是以X字母开头。除极少数涉及到安全的信号（如急停信号★ESP的地址规定是X8.4），需用FANUC公司规定的固定地址外，其它大多数信号地址由用户分配。（2）PLC至MT信号接口

由PLC输出的机床顺序控制(M、S、T)动作信号，通过PLC输出接口送到机床侧，控制机床的执行元件如电动机、电磁铁、接触器、继电器等，以驱动控制电动机、电磁阀等使机床运动部件动作。例如机床的启/停、主轴正/反转和模拟主轴速度控制、车床刀架或加工中心刀库的自动换刀、切削液与润滑油启/停、各坐标轴点动、卡盘的松/夹、各进给轴的限位及回参考点开关、各伺服轴运行准备等。所有PLC输出到MT的信号，用户可自行分配输出地址，信号地址以字母Y开头。周德卿2015.818（3）CNC至PLC信号接口

CNC输送至PLC的信号，表示数控系统内部的状态，包括各种辅助功能M、S、T的信号、点动/手动/自动等工作方式状态信号和各种使能信号等，这些信号可由CNC直接送入PLC的寄存器中。所有CNC送往PLC的信号含义和地址(开关量地址或寄存器地址)均由CNC制造商确定，PLC编程人员只可使用不可以增删。信号地址以字母F开头。（4）PLC至CNC信号接口

PLC输送至CNC的信号，它是PLC向数控系统发出的控制请求和应答信号，包括数控系统的控制方式选择、坐标轴运动的使能、进给倍率、M、S、T功能应答信号等。地址与含义由CNC制造商确定，PLC编程人员只可使用不可以增删。信号地址以字母G开头。

周德卿2015.8193．西门子数控系统PLC的信息交换与接口

（1）PLC的信息交换

西门子8O8D、828D系统中PLC与NCK数字控制中央单元、MCP机床控制面板以及HMI人机接口之间的信息交换，如图6-8所示。其中NCK实际是数控计算机CNC的核心，包括硬件与软件，需要交换的信息有M、S、T指令，零件程序与循环子程序，设定的各种参数数据如参考点及软限位尺寸、间隙补偿、刀架与刀库数据等；MCP是机床控制面板，如前述上面有各种机床操作的开关、接钮；HMI是人机接口，西门子标准操作界面有NC输入键，自定义键盘、显示屏功能软键和报警信号灯等。信息传递方向与过程与FANUC0i系统类似，其接口信号地址命名输入信号是以字母I开头，输出信号则是以Q开头。图6-8808D/828D数控系统PLC信息交换图周德卿2015.820（2）接口信号地址的数据结构

在西门子系统与FANUC系统的PLC信息交换中，对不同来源、不同传递方向的接口信号地址命名方式是不同的。FANUC0i-D系统中，除PLC输入输出接口信号分别用X和Y开头命名外，还用了F和G分别表示在CNC→PLC与PLC→CNC信息交换与控制所需要的接口信号。例如，当发生按下急停开关或某坐标轴超程等紧急情况时，CNC接收到来自MT机床侧急停信号★ESP从I/0单元接口X8.4接收，CNC判断后发出伺服使能低电平信号，封锁伺服与主轴驱动器，用F8.4通知PLC执行，PLC接收后用G8.4信号回复CNC。而在西门子808D系统的PLC逻辑控制中，此种信息交换所需接口信号地址的数据结构则是专门在CNC里开辟了一块数据区，用DB地址符加8位数字构成DB数据块地址，如图6-9所示。图6-9DB数据块地址结构图周德卿2015.821（3）接口信号地址数据块分区

西门子808/828D系统信息交换接口信号地址，按不同的功能、类型与传送方向分成若干的DB数据块区存放如图6-10所示，这样便于管理、存取与查询方便。例如在808D系统中，DB1000.DBD0～DB1000.DB10数据块区放置的是来自MCP通道的机床控制面板各按键和选择开关信号，这是MCP→PLC的可读信号。从表6-1看出，DB1000.DBDO.1～DB1000.DBDO.7分别放置了“工作方式选择开关”的手轮、J0G、REF.POlNT、AUT0、MDA、程序测试各档对应信号；DB1000.DBD3.0～DB1000.DBD3.5分别放置了主轴反转、主轴停止、主轴正转、复位、循环停止、循环启动的各对应信号。而从表6-2中看出，DB2500.1000～DB2500.1012数据块区放置的则是来自NCK通道的M功能(M0-M99)译码接口信号，这是NCK→PLC的只读信号。其它DB接口信号数据块地址分区情况如图6-10所示，详见“SINUMERIK808调试手册”。周德卿2015.822图6-10808D/828D系统中DB接口信号数据块分区图周德卿2015.823表6-1来自MCP通道的机床接作面板DB信号表6-2来自NCK通道的M功能DB信号周德卿2015.8246.3数控系统中PLC编程元件指令与应用

数控系统中PLC编程元件是供用户使用的内部资源，实际是指可供编制PLC程序使用的内部存储器，按继电控制电路的习惯被冠以“继电器”的名称。例如三菱公司FX2N型的PLC内部有X(输入继电器)、Y(输出继电器)、M(中间继电器)、T(定时器)、C(计数器)、S(状态继电器)、D(数据寄存器)等。注意，不同厂商、不同型号的PLC基本编程元件在类别和功能上大体相同，对小型PLC尤其如此。但其编程元件的命名、地址标记和编码方法存在差异，下面以西门子808D、828D系统和FANOC0i-C/D系统中的内置PLC为例，来说明其编程元件、指令特点与应用。周德卿2015.8256.3.1西门子数控系统PLC编程元件指令与应用

西门子公司808D和828D系统的内置PLC基本上是按西门子S7-200标准型PLC设计的，所以编程元件的基本指令及功能指令也相同。1.编程元件及地址格式

I---输入继电器；Q---输出继电器；V---变量继电器；

M---辅助继电器；AC--累加器T---定时器；C---计数器；HC--高速计数器；S---状态继电器等。各编程元件地址编制格式如图6-11所示:图6-11808D/828D系统PLC编程元件的地址编制格式图周德卿2015.8262.编程指令(1)基本指令①LD：取指令，从梯形图左侧母线开始，连接常开触点。梯形图符号：语句表：LDAx.y②LDN：取非指令，从梯形图左侧母线开始，连接常闭触点。梯形图符号：语句表：LDNAx.y③＝(OUT)：输出指令，用于线圈输出。梯形图符号：语句表：＝（OUT）Ax.y周德卿2015.827④

A：与操作指令，用于与常开触点的串联。梯形图符号：语句表：AAx.y⑤AN：与非操作指令，用于与常闭触点的串联。梯形图符号：语句表：ANAx.y⑥O：或操作指令，用于与常开触点的并联。梯形图符号：语句表：OAx.y⑦ON：或非操作指令，用于与常闭触点的并联。梯形图符号：语句表：ONAx.y周德卿2015.828例6-1基本指令举例应用举例周德卿2015.829⑧置位S﹑复位R指令应用的梯形图和语句表例6-2置位S﹑复位R指令基本指令举例应用举例周德卿2015.830(2)功能指令(选编)西门子S7-200/300系列PLC功能指令有几十种，例如计时器、计数器、译码器和数据的运算、比较、转换、传送和跳转等,下面介绍几种与机床数控典型应用案例有关的功能指令如下：

①定时器指令定时器是PLC中最常用的元件之一，S7-200系列的PLC为用户提供了3种类型的定时器：通电延时型（TON）有记忆的通电延时型又称保持型（TONR）断电延时型（TOF）共计256个定时器（T0～T255），并且都为增量型定时器。定时器类型分辨率/ms最大当前值/s定时器号TONR132.767T0，T6410327.67T1~T4，T65~T681003276.7T5~T31，T69~T95TON，TOF132.767T32，T9610327.67T33~T36，T97~T1001003276.7T37~T63，T101~T255表6-3S7-200计时器类型表

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LADSTL功能、注释

TON通电延时型TONR有记忆的通电延时型TOF断电延时型定时器指令应用举例周德卿2015.832②计数器指令计数器用于累计其输入端脉冲电平由低到高的次数。计数器类型有加计数器（CTU）、加减计数器（CTUD）和减计数器（CTD）三种类型，见图6-15。计数器有两种寻址形式：当前值和计数器位。当前值是16位有符号整数，存储累计值，计数器位的值是根据当前值和预置值的比较结果来置位或复位。两种寻址使用相同的格式，都用C＋计数器号表示，使用哪种形式依所使用的指令而定。如例6-3中最后一个语句“CTUTC48，+4”，表示48号加减计数器，预置值为4，依加/减脉冲是否有效，决定是从0加到+4还是从+4减到O，计数计到位时，该计数器状态“1”，Q0.0=1。图6-15S7-200计数器类型图周德卿2015.833例6-3计数器指令应用程序周德卿2015.834③比较指令周德卿2015.835[例6-4]比较指令应用程序B：字节比较R：实数比较④累加器和标志位存储器

累加器是可以像存储器一样使用的读写存储器。标志位存储器可作为控制继电器存储中间操作状态和控制信息。按字节、字、双字来存取累加器和位存储器中的数据。累加器AC最多4个，标志位存储器最多256个字节。周德卿2015.8363.特殊标志存储器地址为：SM，SM位为PLC的CPU与用户程序之间传递信息提供了一种手段。可以用这些位选择和控制西门子PLCCPU的一些特殊功能，简化PLC应用程序的设计。周德卿2015.8374.应用程序编制与案例

西门子公司为方便用户编制机床PLC顺序控制梯形图程序，对808D、828D系统都提供了默认的PLC子程序库，子程序库中包括初始化、主轴和进给控制、冷却控制、润滑控制、主轴换挡控制、车床刀架自动换刀控制、手持手轮单元控制等(参见SINUMERIK808DPLC子程序库手册)。利用该程序库再结合要控制的数控机床具体情况，在如图6-19所示的西门子提供的“PLCProgrammingToo1”编程工具软件界面上，容易设计出所需要的梯形图，并可用RS-232C总线连机上传、下载CNC，进行调试修改和运行监控。现以808D系统数控车床PLC冷却液控制子模块梯形图程序设计为例，说明西门子系统PLC的编程方法与特点。周德卿2015.838图6-19“PLCProgrammingToo1”编程工具软件界面周德卿2015.839[例6-5]808D车床数控系统冷却液控制模块PLC控制程序

(1)冷却液控制模块控制要求冷却液控制模块是数控机床必不可少的一部分，在数控机床运行切削工件时如果没有冷却液的冷却作用，机床刀具切削工件产生的高温会灼伤以加工好的工件表面，影响加工质量，同时对刀具也有很大的影响，加速刀具的磨损，影响刀具对工件的加工质量，缩短刀具的使用寿命等。结合数控机床的控制要求，该设计编制了冷却液控制子模块。冷却液控制子程序可以通过机床控制面板的控制键启动或停止冷却，也可以在自动或MDA方式下利用M07或M08启动冷却、以M09停止冷却，同时该子程序还通过编程来控制操作面板上的指示灯的启、灭，从而显示冷却状态。在急停、冷却电机过载、冷却液位过低或在程序测试等情况下终止冷却液的输出。当冷却电机过载或冷却液液位过低时回触发相应的报警输出。另外该子程序设计了冷却液禁止输出，例如在机床防护门打开时，可以停止冷却。周德卿2015.840（2）冷却液子模块梯形图程序控制流程图图6-20冷却液模块梯形图程序的控制流程图周德卿2015.841表6-5冷却液控制PLC接口信号的I/0变量地址和信息交换的DB数据块地址（3）冷却液子模块梯形图控制程序I/0接口信号地址

冷却液控制子模块梯形图程序，它的I/0接口信号变量地址和CNC、PLC、MCP之间信息交换的DB数据块接口地址与说明，见表6-5。使用输入输出信号接口的变量地址，灵活性大，程序移植方便。周德卿2015.842（4）冷却液控制子模块梯形图程序的设计

冷却液控制子模块梯形图程序及助记符语句表如图6-21所示，梯形图程序右边有说明文字，读者可对照图6-20控制流程图和I/0接口信号的变量地址以及CNC、PLC、MCP之间信息交换的DB数据块地址学习。图6-21为808D系统冷却液控制子模块梯形图程序与助记符语句表周德卿2015.843周德卿2015.8446.3.2FAUNC数控系统PLC编程元件地址指令与应用对FAUNC0i系列数控系统中的PLC，可按不同性能要求选择不同的内置PLC。如FAUNC0i-C数控系统可选SA1和SB7两种规格。

SA1型为基本配置，编程最大步数5000，I/0点数为1024/1024，功能指令48条。

SB7为可选附加模块型，编程最大步数为24000步、I/0点数为2048/2048，功能指令69条。显然，都比SA1多，适用控制比较复杂的数控机床。而最新版本FANUC0i-D内置PLC的型号则是“0i-D、0iMate-D”，其编程最大步数更多达32000步、功能指令更加丰富，基有本型93条，扩展型有218条，处理速度也更快。周德卿2015.8451.编程元件地址表示方法(1)接口信号地址命名如前述，FAUNC数控系统的PLC用不同地址命名来区分不同类型信号，如图6-22所示。从CNC侧至PLC用字母F打头的地址，而PLC应答CNC侧信号则用G字母打头的地址；MT机床侧输入到PLC信号用X字母打头的地址，而PLC输出到MT机床侧的信号用Y字母打头的地址。其它编程元件如内部继电器、计时器、计数器等命名及功能见表6-6。此外，FANUC数控系统的PLC还有一些地址固定的输入信号，大多是与机床安全有关的信号，例如急停、回参考点、各坐标轴超限行程等信号，详见表6-7，在使用时务必要把相关的MT机床侧输入信号连接到指定的地址上。周德卿2015.846图6-22FANUC0i-D接口信号地址命名分类图周德卿2015.847表6-6FAUNC0i系列数控系统PLC编程元件表周德卿2015.848表6-7FANUC0i系列数控系统PLC固定地址的输入信号表周德卿2015.849(2)编程元件地址表示方法FAUNC0i系列数控系统编程元件地址比较复杂，有绝对地址和符号地址之分，如图6-23所示。绝对地址：I/0信号在CNC中存储器中存储区域，如X0001.5（可缩写为X1.5）代表PLC第l输入字节第5位开关量信号输入(位信号)，如图6-23a)所示

符号地址：用英文字母(符号)代表的地址，只是一种符号，便于编辑、阅读、检查。如当输入X0001.5为“主轴报警”信号时，可用英语缩写词SPDALM来注释该接点，说明该继电器接点功能、联锁关系与接点特性，以有助于用户理解该控制模块梯形图程序，编制的专门注释文件(符号表)如图6-23b)所示。符号地址最大不超过6个字符。周德卿2015.850图6-23FAUNC0i编程元件的绝对地址和符号地址格式周德卿2015.8512.常用梯形图编程图形符号表6-8FANUC0i系列数控系统内置PLC梯形图编程常用符号周德卿2015.8523.CNC屏幕显示PMC梯形图

FANUC0i系列数控系统，均能通过CNC面板相应按键操作，可以在LCD显示屏上调出PMC的一级、二级…等梯形图(PMCLAD)，梯形图显示格式如图6-24所示。该梯形图可显示执行状态、绝对地址和执行动态绿色亮线，对了解机床现在运行状态、调试和追踪查找故障等极为方便。现在，西门子公司在新设件的808D和828D数控系统中也具有了此项功能。图6-24FANUC0iPMC梯形图显示格式周德卿2015.8534.编程指令(1)基本指令FANUC0iC/D数控系统PLC编程指令与三菱、西门子工业通用PLC一样有基本指令和功能指令。基本指令有“加载或取”(上母线)指令RD，“或”指令0R，“或非”指令OR.NUT，“与”指令AND，“与非”指令AND.N0T，“输出”指令WRT，“结束”指令END等逻辑处理指令，用这些指令编的简单梯形图程序见图6-14。(2)功能指令功能指令用于比较复杂的机床顺控制逻辑编程，若仅用基本指令编程会很困难而且规模大，用功能指令可简化程序。功能指令有计时器、计数器、译码器和数据的运算、比较、转换、传送和跳转等功能，还有一些是数控机床特有的功能如工作台旋转指令等。随着PLC的发展，功能指令越来越强大，往往一条指令可实现几十条基本指令才可以实现的功能，这大大简化了编程设计。在FANUC0i-C的PLC-SA1中，基本指令有12个，功能指令48个。在FANUC0i-C的PLC-SB7中，基本指令有14个，功能指令69个。在FANUC0i-D的PLC中，基本指令有14个，功能指令为93个。可见，FANUC0iC/D数控系统PLC的功能指令有几十种，读者一下子难以掌握，因篇幅所限，下面只介绍几条常用和本教材应用案例中要用到的一些功能指令，其它功能指令请读者参见FANUC公司有关资料

周德卿2015.854表6-9基本指令和处理内容图6-25堆栈寄存器结构及逻辑操作顺序周德卿2015.855图6-26FANUC0iC/D数控系统PLC基本指令与梯形图编程基本指令梯形图周德卿2015.856(2)功能指令周德卿2015.857周德卿2015.858周德卿2015.859FANUC系统PLC功能指令选编①结束指令(END)

在编制机床PLC顺序控制梯形图程序时，通常将要紧急响应处理的信号如急停、各坐标轴超限行程等子程序编为l级程序，其它控制编为2级或3级程序。END1就表示l级程序结束下面开始2级程序，直至末尾写END2表示2级程序结束，第3级程序用END3表示结束。功能指令编号分别为SUB1、SUB2、SUB48，指令格式与应用如图6-27所示。图6-27END结束指令格式与应用周德卿2015.860②

定时器在数控机床PLC顺序控制梯形图中，定时器用于机械动作完成或稳定状态的延时确认，如卡盘夹紧与松开时间、润滑与冷却的启动和工作时间、转台锁紧与释放时间等。定时器有三种类型，可更改延时计时器TMR、固定延时计时器TMRB和可变延时计时器TMRC，功能指令编号分别为SUB3、SUB24、SUB54。指令格式与应用，如图6-28所示。周德卿2015.861图6-28定时器指令格式与应用周德卿2015.862③计数器指令(CTR)

在机床PLC顺序控制梯形图中，计数器常用于刀库刀位的计数、转台分度的计数以及多工作台的交换等。计数器按工艺要求可进行加计数和减计数，由控制端控制。形式有BCD(CTR)形式和二进制形式(CTRC)，用系统参数进行设定。CTR计数器功能指令编号为SUB5，指令格式与应用如图6-29所示。周德卿2015.863图6-29计数器指令(CTR)周德卿2015.864④译码器指令(DEC、DECB)PLC在执行M、S、T辅助功能顺序控制程序时CNC是以二进制代码形式输出的，这些信号需要经过译码器才能转化为PLC能够识别和相对应功能含义的一个逻辑状态。译码器有DEC两位BCD码形式译码和DECB二进制形式译码，功能指令序号分别为SUB4、SUB25，其中SUB25指令格式与应用如图6-30所示

a)二进制译码器指令格式周德卿2015.865b)二进制译码器指令应用图6-30二进制译码器指令格式与应用周德卿2015.866⑤一致性判断指令（COIN）一致性判断指令用于检查BCD码数据表示的“输入数据”与“比较数据”是否一致，该功能可用于检查刀库、转台等旋转体是否到达减速位置或目标位置等，功能指令序号为SUB16，指令格式与应用如图6-31所示。图6-31一致性判断指令格式与应用周德卿2015.867⑥

旋转指令(ROT)旋转指令ROT用于控制旋转部件，包括刀库、刀台、旋转工作台等。通过ROTB指令的运算，可以得到从目前所在位置到达目标位置的移动量和移动方向，单方向也可双向就最短路径方向选择，功能指令序号为SUB6，指令格式与应用如图6-32所示。周德卿2015.868周德卿2015.869图6-32旋转指令格式与应用周德卿2015.8705.应用程序编制与案例

与西门子公司一样，FANUC公司也为0i系列数控系统提供了FANUCLADDER-Ⅲ编程软件，利用这个软件也可在PC计算机上开展梯形图程序编写、修改、诊断、监控和通过RS-232C通信总线的上传、下载、复制等操作。虽然FANUC公司没有提供子程序库供用户使用，但是由于FANUC系统在中国应用历史长、范围广，已经在车、铣、加工中心等数控机床上形成了很多成功应用的梯形图范例，所以程序编制也并不困难。现以FANUC0i-D数控系统PLC的急停、超程报警控制子程序梯形图与机床润滑系统控制子程序梯形图设计为例，说明FANUC0i数控系统PLC的编程方法与特点。周德卿2015.871【例6-6】急停、超程报警控制子程序梯形图FANUC0i-D系统的急停、超程报警子程序梯形图如图6-33所示，因该程序需要紧急处理被安排在首先要扫描的笫1级程序段。由图看出当急停、超程等情况发生时的CNC、PLC、MT之间逻辑控制关系。由这些开关量信号状态，可判断故障是发生在CNC内部，还是在机床侧、伺服、主轴或其它外围设备。梯形图解释见图中文字说明。周德卿2015.872图6-33急停、超程报警子程序梯形图周德卿2015.873【例6-7】机床润滑系统控制梯形图1.数控机床润滑系统的控制要求

1）首次开机时，自动润滑15秒（2.5秒打油、2.5秒关闭）。2）机床运行时，达到润滑间隔固定时间（如30分钟）自动润滑一次，而且润滑间隔时间用户可以进行调整（通过PLC参数）。3）加工过程中，操作者可根据实际需要还可以进行手动润滑（通过机床操作面板的润滑手动开关控制）。4）润滑泵电动机具有过载保护，当出现过载时，系统要有相应的报警信息。5）润滑油箱油面低于极限时，系统要有报警提示（此时机床可以运行）。周德卿2015.8742.润滑系统电气控制接线图图6-35机床润滑系统电气控制电路图周德卿2015.8753.根据以上要求设计梯形图程序图6-34机床润滑系统控制子程序梯形图周德卿2015.8766.4数控系统中PLC顺控程序结构与运行特点1．数控系统中PLC顺序控制程序结构

西门子公司与FANUC公司数控系统的PLC顺序控制程序结构与运行模式，基本上是类似的。以FANUC0i-D数控系统的PLC为例，顺序控制程序通常由第1级程序、第2级程序、第3级程序和子程序组成，如图6-36所示。其中：

第1级程序---从整个梯形图程序开始到END1命令之间，系统每个梯形图执行周期中都要首先扫描第1级程序执行一次，特点是信号采样实时及输出信号快。主要用于需及时响应处理会危及机床安全的信号，如急停、跳转、超程等。显然，第1级程序要尽量短。

第2级程序---从END1命令之后至END2之前，处理机床面板、ATC(自动换刀)、APC(工作台自动交换)。图6-36FANUC0i-D数控系统的PLC程序结构图

第3级程序---从END2命令之后至END3之前，主要处理低速响应信号，通常处理PLC程序报警信号。功能简单的数控机床，只需要l级和2级程序。周德卿2015.877图6-36FANUC0i-D数控系统的PLC程序结构图周德卿2015.8782．数控系统中PLC顺序控制程序的运行特点

数控系统中PLC执行机床顺序控制程序的时序如图6-37所示。由图看出，PLC的扫描周期是8ms，其中前1.25ms为执行第一级程序时间。每个8ms扫描周期内首先要用大约1.25ms的时间优先执行一次第一级程序，处理要危及机床安全的少数几个重要信号如急停、撞到限位开关等，然后，余下的时间是用来执行第2级程序的一部分，这样系统就根据第二级程序的长短被自动分割成n等分，而在宏观上，紧急事件是立即反应的。在随后的各周期内，每个周期的开始都要首先执行一次一级程序，执行完一级程序后，再执行第2级程序中剩余的部分，周而复始直至全部程序执行完毕，这个过程称做PLC程序的分割。所以整个PLC的执行周期是n×8ms，可见一级程序应该越短越好，如果第一级程序过长会导致每8ms内扫描的第二级程序过少，则第二级程序被分隔成的数量n就多，整个执行周期就相应延长。周德卿2015.879图6-37FANUC0i-C/D数控系统的PLC顺序程序执行时序周德卿2015.8806.5PLC辅助功能控制与典型案例6.5.1辅助功能控制概述

如前述，CNC发出的指令有两种形式：

一是，以G代码(准备功能)形式发出，用来指定进给轴按照给定规定轨迹运行，完成零件轮廓插补控制，这由CNC的NCK中央控制单元完成。

二是，机床顺序控制功能，以M、S、T代码(辅助功能)形式发出，具体执行动作由CNC的内置PLC完成。1.M功能的实现M功能又称辅助功能，用来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，卡盘的夹紧松开，以及自动换刀装置的取刀和还刀等。在M功能实现方式上大致分为两种：

一种是开关量方式，即CNC将M功能以开关量形式送到PLC输入接口，然后由PLC进行逻辑处理，并输出控制有关执行元件动作；

另一种是寄存器方式，CNC将M功能代码直接传送至PLC相应寄存器中，然后由PLC进行逻辑处理，并输出控制有关执行元件动作。

周德卿2015.881(2)S功能的实现

S功能主要完成主轴的控制，常用S4位代码直接指定主轴转速，例如S1500表示主轴转速为1500r/min，可见S4位代码可表示的主轴转速范围为0-9999r/min。CNC将转速指令以数字形式输入到PLC中，再由PLC中的D/A转换器转换成相对应成相对应的模拟电压如0-10V，经功率放大后驱动电机等执行元件。(3)T功能的实现

T功能即刀具换刀功能，T代码一般为2位，表示刀具号。以加工中心为例，加工程序中的T代码指令由CNC传送至PLC，经译码后并在刀具数据表内检索，找到T代码所指定的目标刀号地址，然后与使用的当前刀号相比较。如果相同，说明指定的目标刀具就是当前所使用的刀具，不必换刀；若不相同，则需换刀操作。首先，回转刀库寻找到目标刀号，然后将主轴准停，机械手一端拔出当前刀具，另一端则抓取目标刀具，然后回转180o，将现行刀具归还刀库而将目标刀具装在主轴上，完成整个换刀过程。换刀期间要禁止进给轴运转，需在“进给保持”状态。周德卿2015.8826.5.2西门子数控系统PLC辅助功能控制与典型案例

1.西门子数控系统辅助功能控制信号在西门子808D数控系统中，与M、S、T功能相关的接口信号DB数据块地址是以DB2500打头的信号。其中，DB2500.DBX2000表示传输T功能，DB2500.DBX3000表示传输M动能，DB2500.DBX4000则表示传输S功能等，部分接口信号数据块地址如表6-10所示。例如：当NCK数字控制中央单元执行到加工指令T××时，NCK置DB2500.DBX8.0信号为有效，置位“1”，表示PLC要更改T功能，并且把T指令编程刀号译码后存放在DB2500.DBX2000中；同理，当NCK执行到加工指令M××时，NCK置DB2500.DBX4.0信号为有效，置位“1”，表示PLC要更改M功能，同时把与M功能译码指令对应的DB2500.DBX10××.×信号为有效置位“1”，以便让PLC知道具体的M指令，例如DB2500.DB1000.3为主轴正转信号M03，S功能处理基本相同，S功能处理基本相同。其它交换接口信号DB数据块地址与说明详见“SINUMERIK8O8D调试手册”。

周德卿2015.883表6-10808D数控系统与M、S、T功能相关的DB数据块地址周德卿2015.8842.西门子数控系统辅助功能实现典型案例【例6-8】西门子808D系统数控车床PLC换刀控制梯形图程序的设计。(1)数控车床自动回转刀架结构与工作原理数控车床加工复杂零件时，需要几把刀具轮换使用，这就要求刀架能自动换位，完成自动换刀。图6-38示出了四工位电动刀架产品图，图6-39则示出了自动回转刀架原理图。当PLC发出换刀信号后，若要求的目标刀号与实际在位的实时刀号不一致，刀架电动机就正转，通过螺杆推动螺母使刀台上升到精密端齿盘脱开时位置并旋转。当刀台转到实时刀号与目标刀号位置相符时，PLC发出反转信号使刀架电动机反转，于是刀台被定位卡死而不能转动，并缓慢下降至精密端齿盘的啮合位置，实现精密定位并锁紧。当夹紧力增大到推动弹簧而窜动压缩触点开关时，电动机停转并发出换刀已完成的应答信号，程序继续执行。

周德卿2015.885图6-38简易四工位电动刀架产品图

图6-39简易自动回转刀架结构原理图

l-刀位触点2-刀位发讯盘电路板3-触点4-刀台5-螺杆副6-精密齿盘7-变速齿轮8-蜗轮9-滑套式蜗杆10-停车开关11-刀架座12-压簧13-粗定位周德卿2015.886（2）自动换刀技术要求①换刀程序以SINUMERIK808DPLC子程序库中的Turret1_HET_T霍尔元件刀架控制子程序（子程序51）为蓝本改写，适用于霍尔元件检测刀位信号的简易四方或六方刀架，这种刀架只能单方向换刀，刀架电机为普通异步电动机。图6-39上的零件2，就是用霍尔三极管作接近开关制成的刀位发讯盘。若是四工位刀架，则霍尔开关每90o装一个，与其外罩上嵌装的小磁铁接近时接通。四个刀位信号T1～T4，从808D的背面PLC输入接口X101的I1.2～I1.4接入

。②PLC换刀程序要从808D的背面PLC输出接口X201的Q1.0和Q1.1，输出刀架电机正、反转信号，并通过直流继电器连锁至交流接触器以驱动刀架电机正、反转运转。当刀架电动机正转时，寻找目标刀号实现自动换刀。当刀架电机反转时，则为锁紧定位切削。寻找刀具的时间有监控，若寻刀时间大于15秒～20秒，则认为换刀失败，应退出换刀。此外，刀架反转锁紧时间应限制为1～l.5秒，否则报警。此时，刀架电动机实际处于堵转状态，反转时间若太长，可能导致电机绕阻发热而烧毁；周德卿2015.887③可在手动和MDA方式下，实现T功能自动换刀动作。在JOG方式下点动机床控制面板上手动换刀键，可使刀架转一个刀位；④在换刀过程中CNC接口信号“读入禁止”(DB3200.DBX6.1)和“进给保持”(DB3200.DBX6.0)置位为“1”状态，这表示零件程序暂停执行，等侍换刀完成后方可继续进行。这期间，将禁止伺服进给轴运动,以保证刀具不与工件相撞。⑤在急停刀架电机过载或程序测试及仿真时，禁止刀架换刀。（3）自动换刀控制流程图

四工位电动刀架自动换刀工作时序如图6-40所示，PLC控制程序流程图如图6-41所示，据此可设计的808D系统四工位电动刀架自动换刀梯形图程序。图6-40简易四工位电动刀架自动换刀时序图周德卿2015.888图6-40简易四工位电动刀架自动换刀时序图周德卿2015.889正转换刀监控时间15秒，若超时即换刀失败刀号为0时即刀位发信器坏,或在急停及检测时退出换刀反转锁紧监控时间1秒，若超时即换刀失败换刀期间禁止进给轴运动和刀架反转图6-41刀架控制流程图周德卿2015.890（4）808D系统简易四工位电动刀架自动换刀梯形图程序808D系统的简易四工位电动刀架自动换刀梯形图程序如图6-42所示，表6-11808D系统简易四工位电动刀架自动换刀I/0接点信号①生成用户报警信号本程序定义了三个用户报警信号(“SINUMERIK808D子程序库手册”)。700023---编程刀号大于刀架刀位数：700024---寻刀监控时间超出；700025---无刀架定位信号(刀架没有到位或刀架电子发信盘故障)。

②使用的变量MD32---存储当前刀号值；MD36---存储目标刀号值。

③中间继电器的标志位中间继电器标志位是逻辑运算的中间结果，供程序连锁过渡设计用，由程序设计者定义。在本四工位自动换刀梯形图程序中用到的中间继电器有：M112.3、M112.5、M112.6、M112.7、M113.3、M113.4等，可在换刀程序中找到具体含义。例如：M112.5---编程刀号有效标志位；M113.3---手动换刀使能位；M113.4---手动正转换刀结束标志。周德卿2015.891④接口信号

本程序所涉及到的接口信号在表6-11中列出了一部分，至于所涉及的数十个以DB数据块形式表示的NCK、PLC、MCP之间信息交换的接口信号，为读者阅读方便，已表示梯形图注释中。根据前述的设计技术要求和图6-41所示的自动换刀控制流程图，读者阅读并理解图6-42所示的808D系统简易四工位电动刀架自动换刀梯形图程序就不困难了，梯形图逻辑控制说明参见图6-42右边的文字注释。该梯形图程序的设计参考了西门子802S系统车床换刀程序，使该程序更易理解。虽然与808D子程序库中的子程序51有差别，但是设计思想是一致的。周德卿2015.892图6-42自动换刀梯形图程序周德卿2015.893图6-42自动换刀梯形图程序（续）周德卿2015.8946.5.3FANUC数控系统PLC辅助功能控制与典型案例（1）M、S、T代码处理时序

当FANUC0i系列NC执行到加工程序段中的M、S、T代码时，执行时序见图7-17，处理的具体步骤如下，。①首先NC会把具体代码信号（代码的数值）发送到PLC特定的代码寄存器中，同时会有相应的辅助功能触发信号也送到PLC中去。②PLC根据NC相应的触发信号和代码信号执行译码动作，并触发相应的机床动作。如主轴旋转控制、换刀动作等。③当动作执行完成后,PLC会发出一个完成信号给NC，表示动作执行已完成，NC可以继续执行下面加工程序段，否则系统会处在等待状态④当NC接到PLC的完成信号后，会切断辅助功能的触发信号，表示NC响应了PLC的完成信号。⑤当NC触发信号关断后，PLC切断返回给NC的完成信号。M、S、T各辅助功能处理过程及时序同上，程序地址、代码信号等见表7-7。周德卿2015.895图6-43M代码处理时序图周德卿2015.896功

能程序地址CNC输出给PMC的信号PMC输入给CNC信号代码信号选通信号分配结束信号结束信号M辅助功能MF10~F13F7.0(MF)F1.3(DEN)G4.3(FIN)主轴速度功能SF22~F25F7.2(SF)刀具功能TF26~F29F7.3(TF)2.M、S、T辅助信息交换的代码地址、选通信号和应答信号

FANUC0i-D的M、S、T辅助功能信息交换的代码地址、选通信号和应答信号见表6-12。表6-12FANUC0i-D数控系统各辅助功能信号

零件加工程序的辅助功能M00-M31、S00-S31、T00-T31分别对应代码信号F10.0-F13.7、F22.0-F25.7、F26.0-F29.7各存储位(8位)。当加工程序中出现某辅助功能时，对应的代码信号位FX.X被置l，例如M03，对应代码F10.3被置1。此外M代码选通信号为F7.0，S主轴功能选通信号为F7.2，T刀具交换的选通信号为F7.3。周德卿2015.8973.FANUC数控系统PLC辅助功能实现的典型案例