plc在数控机床中的应用

PLC介绍

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC主要有CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成，如图所示。有的PLC还可以配备特殊功能模块，用来完成对操作面板、机床外部开关输入信号、输出信号等的控制功能

1、CPU模块

CPU的模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑，他不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存续乎其用来储存程序和数据。

2、I/O模块

输入（Input）模块和输出（Output）模块简称I/O模块，他们相当于系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。

输入模块用来接収和采集输入信号，开关量输入模块用来接収从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等过来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变速器的连续变化的模拟量电流、电压信号。

开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。

CPU模块的工作电压一般是5V，而PLC的输入/输出信号电压一般较高，如直流24V和交流220V。从外部引入的尖峰电流和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。在I/O模块中用光耦合器、光电晶闸管、小型继电器的器件来隔离PLC内部电路和外部I/O电路，I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。

3、编程器

编程器是PLC必不可少的重要外部设备。编程器将用户所希望的功能通过编程语言送到PLC的用户程序存储器中。编程器不仅能对程序进行写入、读出、修改，还能对PLC的工作状态进行监控，同时也是用户与PLC之间进行人机对话的界面。手持编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。

使用编程软件可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。

4、电源

PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V，正负12V，24V等直流电源。小型PLC一般都可以作为输入电路和外部的电子传感器（如接近开关）提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。

PLC在数控机床中的发展方向

1、国内外PLC的现状

目前，全世界约有PLC生产厂家约200家，生产300多个品种。全球PLC发运件数1998年为1456万件，1999年为1620万件，2000年达到1778万件。在1995年发运的PLC中，按最终用户分：汽车占23％，粮食加工占16.4%，化学药品占14.6%金属、矿山占11.5％，纸浆、造纸占11.3％，其他占23.2％，PLC逐渐成为占自动化装置及过程控制系统最大市场份额的产品。2000年PLC的销售额在控制市场份额中超过50％。在全球PLC制造商中，世界PLC主要生产厂家分别是Siemens（西门子）公司、Allen-Bradley（A—B）公司、Schneider（施耐德）公司、Mitsubishi（三菱）公司、Omron（欧姆龙）公司，他们的销售额约占全球总销售额的三分之二。

我国的PLC生产目前也有一定的发展，小型PLC已批量生产，中型PLC已有产品，大型PLC已经开始研制。有的产品不仅供应国内市场，而且还有出口。国内PLC形成产品化的生产企业约30多家，但是国内产品市场占有率不超过10％，另一方面，国产PLC许多仍停留在全套引进或以仿制为主的阶段上，这种方式在研究开始是必要的，但是停留在这个水平上是绝对不可取的。当然，国内产品在价格上占有明显的优势。总体来说，国产PLC的发展有一定的基础。但从产品结构上看，我国自主研制及引进技术生产的PLC大都属于中低档产品，至今没有形成主流产品和完整的系列产品。

2、PLC的发展趋势

自60年代未引入PLC技术以来，PLC由最初的只能处理丌关量而发展到可以处理模拟量和数据，以后又与其他技术相结合，利用其不同的性能和特点，相互渗透和融合、集成以及网络化，构成各种新型的自动控制系统，以满足各种自动控制的要求。总体来讲，PLC的发展趋势主要表现在以下几个方面：

（1）微型、小型PLC功能明显增强

很多有名的PLC厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的PLC。三菱的FXOSl4（8个24VDC输入，6个继电器输出），其尺寸仅为58mmx89mm，仅大于信用卡几个毫米，而功能却有所增强，使PLC的应用领域扩大到远离工业控制的其它行业，如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆等，甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。

（2）向开放型转变，编程语言多样化

传统PLC存在严重的缺点，主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，绝大多数的PLC是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组态、寻址、语文结构不一致，使各种PLC互不兼容。国际电工协会（IEC）在1993年颁布了《可编程序控制器的编程软件标准》，为各PLC厂家编程的标准化铺平了道路。我国也在1995按照这个标准制定了可编程控制器的国家标准。《可编程序控制器的编程软件标准规定了5种编程语言（我国国家标准中也遵守此规定）：梯形图（LD，美、日），顺序功能图（SFC，欧洲），功能块图（FBD，欧洲），结构文本（ST）和指令表（IL德、曰）。为适合不同应用场合和不同国家应用习惯的要求，允许在同一个PLC程序中使用多种编程语言。

（3）向集成化、通讯化、网络化发展

由于控制内容的复杂化和高难度化，使PLC向集成化方向发展，并强化了通讯能力和网络化。网络化和强化通信能力是PLC的重要发展方向。尤其是以PC为基础的控制产品增长率最快。PLC与PC集成，即将计算机、PLC及操作人员的人一机接口结合在一起，使PLC能利用计算机丰富的软件资源，而计算机能和PLC的模块交互存取数据。以PC机为基础的控制方法使得用户编程更加方便，而且提供开放的体系结构，用户可以根据需要选择各类、各厂家的PLC或I/O设备进行互联，从而可以降低生成成本和提高生产率。

（4）PLC的新进展——软PLC

计算机软、硬件技术的迅速发展，推动了自动控制技术又耿得了一系列新的进展。目前有许多工业用自动控制产品、机电一体化产品开始转向以计算机为平台的控制方式。德国工业界最新推出了以计算机为平台的SOFTPLC，可以说是这方面的优秀代表。软PLC又有人称作“PCPLC”、“嵌入式PLC”，顾名思义，软PLC实际利用软件来实现传统PLC的功能。SOFTPLC最大的优势是具备柔性扩展能力，用户可以选择不同厂家生产的各种硬件产品，充分利用每一软件的最佳特性，组成最佳的控制系统。同时与硬件的连接也十分方便。有很多的I／O卡可以直接内连接到SOFTPLC计算机总线上。从而在软、硬件两方面可以达到工控机和PLC性能的完美结合，方便了性能扩展和人机交流，是PLC未来的一大发展趋势。

PLC在数控机床中的作用

1、PLC是数控系统与数控机床间的信息交换的桥梁

相对于PLC，机床和CNC就是外部，PLC与机床以及CNC之间的信息交换，对于PLC的功能发挥，是非常重要的。PLC与外部的信息交换，通常有四个部分：

（1）机床侧至PLC：机床侧的开关量信号通过I/O单元接口输入到PLC中，除极少数信号外，绝大多数信号的含义及所配置的输入地址，均可由PLC程序编制者或者是程序使用者自行定义。数控机床生产厂家可以方便的根据机床的功能和配置，对PLC程序和地址分配进行修改。

（2）PLC至机床：PLC的控制信号通过PLC的输出接口送到机床侧，所有输出信号的含义和输出地址也是由PLC程序编制者或者是使用者自行定义。（3）CNC至PLC：CNC送至PLC的信息可由CNC直接送入PLC的寄存器中，所有CNC送至PLC的信号含义和地址（开关量地址或寄存器地址）均由CNC厂家确定，PLC编程者只可使用不可改变和增删。如数控指令的M、S、T功能，通过CNC译码后直接送入PLC相应的寄存器中。

（4）PLC至CNC：PLC送至CNC的信息也由开关量信号或寄存器完成，所有PLC送至CNC的信号地址与含义由CNC厂家确定，PLC编程者只可使用，不可改变和增删。

2、PLC在数控机床中的某些控制功能

（1）对操作面板的控制。操作面板分为系统操作面板和机床操作面板。系统操作面板的控制信号先是进入CNC，再由CNC送到PLC，来控制数控机床的运行。而机床操作面板控制信号，是直接进入PLC，从而控制机床的运行。（2）控制机床外部开关输入信号。机床侧的开关信号输入到PLC，进行逻辑运算。这些开关信号，包括很多检测元件信号。

（3）对输出信号进行控制：PLC输出信号经外围控制电路中的继电器、接触器、电磁阀等输出给控制对象。

（4）功能实现。系统给出T指令到PLC，经过译码，会在数据表内检索，找到T代码指定的刀号，并与主轴刀号来比较。如果不符合，会发出换刀指令，刀具换刀，换刀完成后，系统会发出完成信号。

（5）M功能实现。系统给出M指令到PLC，经过译码，输出控制信号，控制主轴正反转和启动停止等等。M指令完成，系统发出完成信号。

PLC在数控机床中的应用

数控机床中所应用PLC可分为两类：一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的内装型PLC；另一类是I/O信号接口技术规范、I/O点数、程序存储容量以及运算和控制功能等均能满足数控机床控制要求的独立型PLC。

1、内装型PLC

内装型PLC（或称内含型PLC、集成式PLC）从属于CNC装置，PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部即可实现。PLC与机床（简称MT）之间则通过CNCI/O接口电路实现信号传送。如图2-1所示为具有内装型PLC的CNC机床系统框图。

内装型PLC有如下特点：

（1）内装型PLC实际上是CNC装置带有的PLC功能，一般作为一种基本的或可选择的功能提供给用户。

（2）内装型PLC的性能指标（如：I/O点数，程序最大步数，每步执行时间、程序扫描周期、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。其硬件和软件部分是被作为CNC系统的基本功能或附加功能与CNC系统其他功能一起统一设计、制造的。因此，系统硬件和软件整体结构十分紧凑，且PLC所具有的功能针对性强，技术指标亦较合理、实用，尤其适用于单机数控设备的应用场合。

（3）在系统的具体结构上，内装型PLC可与CNC系统共用CPU，也可以单独使用一个CPU；硬件控制电路可与CNC系统其他电路制作在同一块印制电路板上，也可以单独制成一块附加板，当CNC装置需要附加PLC功能时，再将此附加板插装到CNC装置上，内装PLC一般不单独配置I/O接口电路，而是使用CNC系统本身的I/O电路。PLC控制电路及部分I/O电路（一般为输入电路）所用电源由CNC装置提供，不需另备电源。

（4）采用内装型PLC结构，CNC系统可以具有某些高级的控制功能。如：梯形图编辑和传送功能，在CNC系统内部直接处理NC窗口的大量信息等。国内常见外国公司生产的带有内装型PLC的系统有：FANUC公司的FS—0（PMC—L/M）、FS—0Mate（PMC—L/M）、FS—3（PLC—D）、FS—6（PLC—A、PLC—B）、FS—10/11（PMC—1）、FS—15（PMC—N），SIEMENS公司的SINUMERIK810、SINUMERIK820，A-B公司的8200、8400、8600等。

2、独立型PLC

独立型PLC又称通用型PLC。独立型PLC是独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置。如图2.21所示为具有独立型PLC的CNC机床系统框图。

独立型PLC有如下特点：

（1）独立型PLC具有如下基本的功能结构：CPU及其控制电路、系统程序存储器、用户程序存储器、I/O接口电路、与编程机等外部设备通信的接口和电源等。

（2）独立型PLC一般采用积木式模块化结构或笼式插板式结构，各功能电路多做成独立的模块或印制电路板，具有安装方便，功能易于扩展和变更等优点。例如，可采用通信模块与外部I/O设备、编程设备、上位机、下位机等进行数据交换；采用D/A模块可以对外部伺服装置直接进行控制；采用计数模块可以对加工工件数量、刀具使用次数、回转体回转分度数等进行检测和控制，采用定位模块可以直接对诸如刀库、转台、直线运动轴等机械运动部件或装置进行控制。

（3）独立型PLC的输入/输出点数可以通过I/O模块或插板的增减灵活配置。有的独立型PLC还可通过多个远程终端连接器构成有大量输入/输出点的网络，以实现大范围的集中控制。

在独立型PLC中，那些专为用于FMS、FA而开发的独立型PLC具有强大的数据处理、通信和诊断功能，主要用作“单元控制器”，是现代自动化生产制造系统重要的控制装置。独立型PLC也用于单机控制。国外有些数控机床制造厂家，或是为了展示自己长期形成的技术特色，或是为了对某些技术绝窍进行保密，或纯粹是因管理上的需要，在购进的CNC系统中，舍弃了PLC功能，而采用外购或自行开发的独立型PLC作控制器，这种情况在从日本、欧美引进的数控机床中屡见不鲜。

国内已引进应用的独立型PLC有：SIEMENS公司的SIMATICS5系列产品，A-B公司的PLC系列产品，FANUC公司的PMC—J等。