模块五 数控系统中可编程控制器的应用

1. 模块五 数控系统中可编程控制器的应用 教学目的与要求 1、掌握PLC在数控系统中的作用； 2、掌握数控系统中PLC的信息交换； 3、了解PLC的工作原理

2. 引子 • 数控系统内部处理的信息大致可以分为两大类： 1、控制坐标轴运动的连续数字信息。 2、控制刀具更换、主轴起停、换档变速、冷却&润滑开/关等的逻辑离散信息。 • 数控系统中的可编程逻辑控制器（PLC）对离散信息进行处理，实现数控机床辅助操作功能。 • 数控机床辅助操作功能包括：M代码的处理、S主轴功能的处理及T刀具交换的处理。

3. 数控系统中的PLC • PLC－Programmable Logic Controller，称为可编程逻辑控制器。 • PLC与传统继电器逻辑控制系统相比，有快速响应、显著可靠、易于编程、灵活性好以及使用维护方便等优点。 • 在数控机床中，PLC是介于数控装置与机床本体之间的中间环节，起着承上启下的作用，是数控系统中的一个重要组成部分。 图7－1 数控装置、可编程控制器、机床之间的关系

4. 图7－2 PLC软硬件组成 1.1 PLC的工作原理 1、PLC的结构和工作原理 • 内置在数控系统中的PLC与工业控制中使用的独立的PLC产品在原理上是相同的。 • 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。

5. （1）紧凑型PLC的基本结构 • 典型紧凑型PLC的硬件基本结构包括：中央处理器（CPU）、存储器、专门设计的输入/输出单元（I/O接口）、电源单元、通信接口等，内部通过总线相连。 图7－3 紧凑型PLC的硬件结构示意图

6. CPU相当于PLC的大脑，可用通用微处理器、单片机等，专业的PLC生产产家均采用自己开发的CPU芯片。CPU相当于PLC的大脑，可用通用微处理器、单片机等，专业的PLC生产产家均采用自己开发的CPU芯片。 • CPU负责接收、存储用户程序和现场数据，并执行监控程序和用户程序，最终将结果数据输出，完成工业自动控制或过程控制。 b、存储器 • 用于存放系统程序、用户程序和运行数据，分为系统存储器和用户存储器。 • 用户存储器又分用户程序存储器和用户数据存储器。户程序存储器用于存储用户程序，用户数据存储器所存储的是在用户程序中使用的指令的操作数或是有关的标志、数据和信息。 a、中央处理器 CPU

7. I/O模块相当于系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。I/O模块相当于系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。 • 专为工业环境设计的I/O接口主要实现电平转换、电气隔离、模数转换等功能。 d、电源单元 • 将外部提供的电源转换为PLC内部芯片和电路所需的直流电源，并为通讯接口和扩展模块提供所需电源。 • PLC对电源单元的要求较高，要求工作电源具有较好的电磁兼容性和稳定性，并有过电流过电压保护功能。 c、输入/输出单元（I/O接口）

8. （2）可编程逻辑控制器的定义 国际电工委员会(IEC) 1987对PLC的定义： 可编程逻辑控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程逻辑控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

9. （3）PLC的工作原理 • PLC可采用梯形图(LD—Ladder Diagram)编程，梯形图是一种继承传统继电器控制线路形式的面向对象的编程方式，保留了继电器控制线路形象直观的特点。 • 下图为“起动－保持－停止”控制电路的梯形图与继电器电气原理图的对照。 a、PLC梯形图与继电器电气图

10. b、PLC的工作方式方式 • PLC的CPU从第一条指令开始按顺序逐条执行用户程序直到结束，然后重复执行，一直循环，这种工作方式称为不断循环的顺序扫描方式，循环扫描的三个基本过程如图所示。

11. 二、 • 2、PLC的内部资源 • PLC的内部资源是指可供PLC用户使用的内部存储器，也即用户数据存储器。 • PLC根据数据存储器功能的不同，对其进行分类归区，基本上有输入/输出映像寄存器、辅助寄存器、内部标志位存储器、特殊标志位寄存器、定时器、计数器、变量存储器、模拟量输入/输出映像寄存器、累加器、高速计数器等。在许多场合这些编程元件按继电控制系统的习惯，被冠以“继电器”的名称。 • 注意：不同厂商、不同型号PLC的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。但其编程元件的地址标记和编码方法存在差异。

12. （1）siemens数控系统（802系列）PLC内部资源 • 输入/输出过程映像寄存器 • 每次扫描周期的开始，CPU对物理输入点进行采样，并将采样值写入输入过程映像寄存器。在每次扫描周期的结尾，CPU将输出过程映像寄存器中的数值复制到物理输出点上。 • 可以按位、字节、字、双字来存取输入输出过程映像寄存器中的数据。 • 地址：输入：I 输出：Q • 格式：位 I0.0， Q2.1；字节 IB4， QB2； • 字 IW2， QW6 ； 长字 ID0， QD4 ；

13. 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。标志位存储器可以作为控制继电器来存储中间操作状态和控制信息。 • 可以按位、字节、字、双字来存取累加器和位存储器中的数据 • 地址： 累加器：AC；标志位存储器：M • 格式：算术累加器AC0，AC1 位M0.1； • 逻辑累加器AC2，AC3 字节MB21； • 字 MW22 ； • 长字 MD4

14. 计数器 • 计数器用于累计其输入端脉冲电平由低到高的次数。 • 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，计数器位的值根据当前值和预制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 加上计数器号表示，如C3，究竟使用哪种形式寻址取决于所使用的指令。

15. 定时器 • 定时器可用于时间累计和定时。 • 有两种寻址形式：当前值和定时器位。当前值是16位有符号整数，存储定时器所累计的时间值，定时器位的值根据当前值和预制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T 加上计数器号表示，如T3，究竟使用哪种形式寻址取决于所使用的指令。 • 类型：开启延时计时器 TON • 关闭延时计时器TOF • 保持延时计时器 TONR

16. 特殊标志存储器 • 地址为：SM，SM位为PLC 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PLC CPU的一些特殊功能，简化PLC应用程序的设计。

17. （2）FAUNC 0i 数控系统 PMC 内部资源 • FAUNC数控系统中的可编程逻辑控制器又称可编程机床接口，英文简写为PMC。 • 与西门子PLC一样，FAUNC PMC用地址来区分信号，不同的地址分别对应机床侧的输入/输出信号、CNC侧的输入/输出信号、内部继电器、计数器、保持型继电器（PMC参数）和数据表等。

18. （2）FAUNC 0i 数控系统 PMC 内部资源

19. 1.2 PLC在数控系统中的作用 1、PLC的结构和工作原理 • PLC是数控系统为机床制造厂提供的一个开发平台，其任务是控制机床明确而详细的功能和顺序。机床制造厂利用PLC开发工具，可以设计数控机床的各种控制功能，如冷却控制、润滑控制、刀库和机械手的控制以及各种辅助动作的控制。

20. 通常需要设计的PLC控制内容有： • 机床的人机界面（操作面板和机床控制面板）； • 坐标轴的控制（使能、硬限位、参考点）； • 机床的冷却系统 • 机床的润滑系统 • 机床的液压系统 • 机床的排屑系统 • 机床的换刀系统（车床的刀架、系统的刀库）； • 机床的辅助动作（防护门互锁、报警灯等）；

21. 2 数控系统中PLC的信息交换 • 数控系统内置PLC与标准PLC产品不同之处是在数控系统内置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。数控系统中PLC的信息交换是指以PLC为中心，在CNC、PLC、机床三者之间的信号传递处理过程。

22. 信号接口中的信号内容是数控系统明确定义，对于不同的数控系统和数控机床，上述交换信息的内容和数量都是有所不同的，不能一概而论。信号接口中信息量的大小是数控系统开放性的一种具体表现，也是衡量数控系统控制功能强弱的依据。信号接口中的信号内容是数控系统明确定义，对于不同的数控系统和数控机床，上述交换信息的内容和数量都是有所不同的，不能一概而论。信号接口中信息量的大小是数控系统开放性的一种具体表现，也是衡量数控系统控制功能强弱的依据。

23. 2.1 SINUMERIK 802D数控系统中PLC的信息交换 • 一、PLC接口地址的结构 • 在西门子系统中，NC和PLC之间的信息接口用“V”地址符表示，接口地址由“V”加8位数字构成，

24. 图7－12 NC与PLC之间的信息交换（接口） • V区中不同的数据块放置了不同功能的接口信号。

25. 二、访问接口信号 • 对PLC接口信号的访问和查询，是数控机床调试和故障诊断的一个最基本手段和方法。 • 通过对PLC 机床侧I/O信号所对应的V区数据块中的存储单元中的内容进行查询，可以确定故障部位和分析故障原因。

26. 以802D如何进行“操作方式选择”为例来说明对接口信号访问和修改：以802D如何进行“操作方式选择”为例来说明对接口信号访问和修改： • 数控机床的操作方式包括AUTO方式、MDA方式、回参考点方式、手动JOG方式等，当VB30000000.0＝1，表示PLC告诉NCK用户选择了AUTO方式，NCK接到此信息后需进入AUTO运行方式，当NCK有效进入AUTO方式后，送出方式有效信号给PLC，即将方式有效信号VB31000000置1来实现。 • 本操作所涉及的接口信号见表7－4所列。

27. 方法一: 通过802D的操作画面选择操作方式 • 1、同时按系统操作面板上的“SHIFT”与“SYSTEM”键，进入系统页面； • 2、从系统画面→PLC →PLC状态，显示PLC状态页面； • 3、输入接口地址VB30000000，按MDI面板上的“输入”键，系统显示对应字节的8位信号状态0000 0000； • 4、将光标移至0000 0000，按“编辑”软键后将其改为0000 0001，按“输入”软键，再按“接收”软键，就将VB30000000.O设为1，相当于告诉NCK，选择了“自动运行”方式； • 5、NCK 接到VB30000000.O＝1信号后，系统应进入自动方式，输入地址VB31000000，观察内容是否为0000 0001。

28. 方法二、通过PLC编程软件选择操作方式 • 1、802D进入与PLC编程工具软件microWIN STEP7的联机状态； • 2、进入PLC编程工具软件的状态表，输入地址，写入新值； • 3、将新值写入802D，即可选择不同的机床操作方式，与方法一效果一致。 • 同理，I/O信号状态的显示和诊断方法与上述例子一样，进入系统页面，从系统画面→PLC →PLC状态页面，输入需要检测的I/O信号地址字节，如需检测I0.1、Q1.0或VB38000000时，输入信号地址IB0、QB1和VB38000000，系统即显示对应字节信号状态。

29. 图 7－13 FANUC 0i-C数控系统接口信号示意图 • 2.2 FANUC 0i-C数控系统中PLC的信息交换 • FANUC PMC中与信息交换有关的接口信号地址符有F、G、X和Y，分别指NC→PMC、PMC→NC、MT→PMC、PMC→MT的接口信号。

30. FANUC PMC与NC接口信号 • （1）机床侧至PMC：机床侧的开关量信号通过I/O单元接口输入到PMC中，除极少数信号外，绝大多数信号可由用户自行分配输入地址，信号地址以字母X开头。 • （2）PMC至机床：PMC的控制信号通过PMC的输出接口送到机床侧，所有输出信号可由用户自行分配输入地址，信号地址以字母Y开头。 • （3）CNC至PMC：CNC送至PMC的信息可由CNC 直接送入PMC的寄存器中，所有CNC送至PMC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，PMC编程者只可使用不可改变和增删。信号地址以字母F开头。 • （4）PMC至CNC：PMC送至CNC的信号地址与含义由CNC 厂家确定，PMC 编程者只可使用不可改变和增删。信号地址以字母G开头。

31. 3 数控机床辅助功能(M S T)的实现 3.1 802C bl数控系统中辅助功能(M S T)的实现 • 在西门子802C bl中，传送NC通道的辅助功能的接口信号区为V2500╳╳╳╳，见下表7-5所列。 • 例：当NCK执行到加工指令T××时，NCK置V25000001.4信号为有效，意为告诉PLC更改T功能，并且把T指令后的编程刀号译码后存放在在V25002000中；同理，当NCK执行到加工指令M××时，NCK置V25000000.0信号为有效，意为告诉PLC更改M功能，同时把与M指令值对应的V25001000×.×置1，以便让PLC知道具体的M指令。S功能的处理基本相同。

32. 802C bl数控车床PLC换刀控制（即T功能处理）程序 • 本例程序以802SC bl 子程序库中的TURRET1——霍尔元件刀架控制子程序为蓝本改写，适用于用霍尔元件检测刀位信号的简易四工位刀架，这种刀架只能单方向换刀，刀架电机为普通异步电机。 • 示例程序的两个输出Q0.4、Q0.5分别控制两个接触器实现刀架电机的正转和反转，刀架电机正转为寻找刀具换刀，反转为锁紧定位。需要注意：刀架反转锁紧时刀架电机实际上是一种堵转状态，因此反转时间不能太长，否则可能导致刀架电机的烧毁。

33. 刀架控制流程图

37. 3.2 FANUC 0i-C数控系统中辅助功能(M S T)的实现 当FANUC 0i系列NC执行到加工程序段中的M、S、T代码时，处理执行的具体步骤如下： a：首先NC会把具体代码信号（代码的数值）发送到PMC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PMC中去。 b：PMC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。 c：当动作执行完成后，PMC会发出一个完成信号给NC，表示动作执行已完成NC可以继续执行下面的加工程序段，否则系统会处在等待状态。

38. d：当NC接到PMC的完成信号后，会切断辅助功能的触发信号，表示NC响应了PMC的完成信号。 e：当NC的触发信号关断后，PMC切断返回给NC的完成信号。

39. FANUC 0i-mate-TC数控车床M功能处理的PMC程序

43. FANUC 0i-TC数控车床六工位简易刀架换刀控制（即T功能处理）的PMC程序

47. 小结 • PLC是数控系统的重要组成部分，用来完成对数控机床离散逻辑信号的处理，主要包括对M、S、T指令、机床控制面板信号的处理以及数控机床外围辅助电器的控制。数控机床中辅助功能的实现是由数控装置、PLC、伺服装置、机床本体等单元共同完成的，CNC、PLC与机床之间有着丰富的信息交换，不同数控系统对这些接口信息的表示方法和开放程度不同，理解接口信息有助于理解数控机床的控制过程，读懂PLC梯形图程序。现代数控系统中PLC都是全面开发的，机床PLC程序的设计是数控机床调试不可缺少的重要一步，为日后数控机床的调试和故障诊断打下坚实基础。