數(shù)控機床PLC控制

數(shù)控機床PLC控制

可編程控制器PLC是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型自動化控制裝置，已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備，而本書中僅僅討論PLC在數(shù)控機床中的應(yīng)用。

PLC的分類、組成及其工作方式；常用的編程語言；應(yīng)用PLC時需要掌握的電氣基本知識；數(shù)控機床PLC系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試；機床數(shù)控中PLC控制應(yīng)用實例。主要內(nèi)容

可編程控制器是計算機技術(shù)與自動控制技術(shù)有機結(jié)合的一種通用工業(yè)控制器。在此之前，機床的順序控制是以機床當前運行狀態(tài)為依據(jù)，使機床按預(yù)先規(guī)定好的動作依次地工作，這種控制方式的實現(xiàn)，是由傳統(tǒng)的繼電器邏輯電路RLC（RelayLogicCircuit）完成的。RLC是將繼電器、接觸器、按鈕、開關(guān)等機電式控制器件用導線、端子等連接起來的電路，以實現(xiàn)規(guī)定的順序控制功能。

可編程控制器概述只能解決開關(guān)量的簡單邏輯運算，定時、計數(shù)功能；修改控制邏輯時，需要增減控制元器件和重新布線，安裝；調(diào)試周期長，工作量大；繼電器、接觸器等器件體積較大，每個器件工觸點有限。當機床中的受控對象較多，或控制動作順序較復(fù)雜時，需要采用大量的器件，使得整個RLC體積龐大，功耗高，可靠性差等，因此，只能用于工業(yè)設(shè)備和簡單的數(shù)控機床。PLC存在一些難以克服的缺點：

1969年，美國DEC公司研制出世界上第一臺型號為“PDP-14”的可編程控制器，在通用汽車公司的自動裝配線上使用，獲得了成功。因為這種裝置當時稱為“可編程邏輯控制器”（ProgrammableLogicController），故簡稱PLC。

1980年，美國電氣制造協(xié)會（NEMA）正式將這類裝置命名為“ProgrammableLogicController”，簡稱PC。

由于個人電腦（PersonalComputer）也簡稱PC，而且已被廣為使用，故可編程控制器，習慣上仍稱作PLC。1987年，國際電工委員會（IEC）在頒布的可編程控制器國際標準草案中，對PLC作了如下的規(guī)定：

“可編程控制器是一種數(shù)字運算電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下運用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用于存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等特定功能的用戶指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其輔助設(shè)備都應(yīng)按易于構(gòu)成一個工業(yè)控制系統(tǒng)，且它們所具有的全部功能易于應(yīng)用的原則設(shè)計?！?/p>

數(shù)控機床的控制由數(shù)控裝置和可編程控制器協(xié)調(diào)配合共同完成：

數(shù)控裝置主要完成與數(shù)字運算和管理等有關(guān)的功能，如零件程序的編輯、插補運算、譯碼、位置伺服控制等；

可編程控制器（以下簡稱PLC）主要完成與邏輯運算有關(guān)的一些動作，沒有實現(xiàn)軌跡運動上的具體要求。

（1）PLC是一種專用于工業(yè)順序控制的微機系統(tǒng)。為了適應(yīng)順序控制的要求，PLC省去了微機的一些數(shù)字運算功能，而強化了邏輯運算控制功能，是一種介于繼電器控制和微機控制之間的自動控制裝置；（2）PLC是專為在惡劣的工業(yè)環(huán)境下使用而設(shè)計的，所以具有很強的抗干擾能力。除輸入/輸出部分采用光電隔離的措施外，對電源、運算器、控制器、存儲器等也設(shè)置了多種保護和屏蔽。

PLC沒有繼電器那種機械觸點，因此，不存在觸點的接觸不良、熔焊、磨損和線圈損壞等故障；可編程控制器的特點與分類：可編程控制器（PLC）具有如下特點：

（3）相對于RLC，PLC采用軟件實現(xiàn)用戶控制邏輯，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，很容易裝入機床內(nèi)部或電氣箱內(nèi)，便于實現(xiàn)動作復(fù)雜的控制邏輯和數(shù)控機床的機電一體化；（4）目前大多數(shù)的PLC，均采用梯形圖編程方式。梯形圖與繼電器邏輯控制電路圖十分相似，圖形符號形象直觀、工作原理易于理解和掌握、編程簡單、操作方便、改變程序靈活；（5）PLC可與編程器、個人計算機等聯(lián)接，可以很方便地實現(xiàn)程序的顯示、編輯、診斷、存儲和傳送等操作。

PLC的產(chǎn)品很多，型號規(guī)格也不統(tǒng)一，可以從結(jié)構(gòu)、原理、規(guī)模等方面分類。從數(shù)控機床應(yīng)用的角度可編程控制器可分為兩類：一類是CNC的生產(chǎn)廠家專為數(shù)控機床順序控制而將數(shù)控裝置（CNC）和PLC綜合起來而設(shè)計制造的“內(nèi)裝型”（Build-inType）PLC。

另一類是專業(yè)的PLC生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，它們的輸入/輸出信號接口技術(shù)規(guī)范，輸入/輸出點數(shù)、程序存儲容量以及運算和控制功能均能滿足數(shù)控機床的控制要求，稱為“獨立型”（Sdand-aloneType）PLC。可編程控制器的分類：內(nèi)裝型PLC從屬于CNC裝置，PLC與CNC裝置之間的信號傳送在CNC裝置內(nèi)部即可實現(xiàn)。PLC與數(shù)控機床之間則通過CNC輸入/輸出接口電路實現(xiàn)信號傳送：

1.內(nèi)裝型PLC（1）內(nèi)裝型PLC實際是CNC裝置帶有的PLC功能。一般作為CNC裝置的基本功能提供給用戶；（2）內(nèi)裝型PLC的性能指標是根據(jù)從屬的CNC系統(tǒng)的規(guī)格、性能、適用機床的類型等確定的。其硬件和軟件部分是被作為

CNC系統(tǒng)的基本功能或附加功能與CNC系統(tǒng)其他功能統(tǒng)一設(shè)計、制造的。因此，系統(tǒng)的硬件和軟件整體結(jié)構(gòu)十分緊湊，且PLC所具有的功能針對性強，技術(shù)指標合理、實用，尤其適用于單機數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用場合；內(nèi)裝型PLC具有如下特點：

(3）在系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)上，內(nèi)裝型PLC可與CNC共用CPU，也可以單獨使用一個CPU；硬件控制電路可與CNC裝置其它電路制作在同一塊印刷電路板上，也可以單獨制成一塊附加電路板，當CNC裝置需要附加PLC功能時，再將此附加電路板安裝到CNC裝置上；內(nèi)裝型PLC一般不單獨配置輸入/輸出接口電路，而是使用CNC系統(tǒng)本身的輸入/輸出電路；PLC所用電源由CNC裝置提供，不需另備電源；（4）采用內(nèi)裝型PLC結(jié)構(gòu)，CNC系統(tǒng)可以具有某些高級控制功能。如梯形圖編輯和傳送功能，在CNC內(nèi)部直接處理大量信息等。

獨立型PLC又稱外裝型或通用型PLC。對數(shù)控機床而言，獨立型PLC獨立于CNC裝置，具有完備的硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能，能夠獨立完成規(guī)定的控制任務(wù)。2.獨立型PLC獨立型PLC具有如下特點：（1)獨立型PLC具有如下基本的功能結(jié)構(gòu)：

CPU及其控制電路；系統(tǒng)程序存儲器；用戶程序存儲器；輸入/輸出接口電路；與編程機等外部設(shè)備通訊的接口和電源（2)獨立型PLC一般采用積木式模塊結(jié)構(gòu)或插板式結(jié)構(gòu)，各功能電路多做成獨立的模塊或印刷電路插板，具有安裝方便，功能易于擴展和變更的優(yōu)點。例如：可采用通訊模塊與外部輸入/輸出設(shè)備、編程設(shè)備、上位機、下位機等進行數(shù)據(jù)交換；采用D/A模塊可以對外部伺服裝置直接進行控制；采用計數(shù)模塊可以對加工數(shù)量、刀具使用次數(shù)、旋轉(zhuǎn)工作臺的分度數(shù)等進行檢測和控制；采用定位模塊可以直接對諸如刀庫、轉(zhuǎn)臺、旋轉(zhuǎn)軸等機械運動部件或裝置進行控制。（3）性價比不如內(nèi)裝型PLC。目前，提供獨立型PLC廠商主要有：德國西門子、美國羅克韋爾、日本三菱等公司。

PLC實質(zhì)是一種專用計算機，它的組成形式基本上與微機相同，主要包括：

微處理器（CPU）、存儲器、用戶輸入/輸出部分、輸入/輸出擴展接口、外圍設(shè)備以及電源等。對于內(nèi)裝型PLC，CPU、存儲器、外圍設(shè)備、電源等部分一般與CNC裝置共用。

1.PLC各個組成部分的功能如下：（1）CPU

與通用微機CPU一樣，它是主機的核心。它接收并存儲用戶程序和數(shù)據(jù)；用掃描方式接受當前各輸入裝置的狀態(tài)；診斷PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程中的語法錯誤；在運行中讀取用戶程序、解釋指令的內(nèi)容，按指令規(guī)定的任務(wù)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。

可編程控制器的組成及工作方式（2）PLC一般配有系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器，前者用作存儲監(jiān)控程序、模塊化應(yīng)用子程序和各種系統(tǒng)參數(shù)等。后者用作存放用戶程序。系統(tǒng)存儲器用戶通常不能直接存取，因此，存儲器的容量是指用戶存儲器的容量。存儲器程序在硬件上，動態(tài)裝載部分一般采用RAM，程序存儲和備份部分則采用UVEP-ROM（紫外光擦除）、CMOSRAM（后備電池）或FLASH芯片/卡/盤（不需電池）等。（3）用戶輸入/輸出部分用戶輸入/輸出部分包括輸入/輸出接口，輸入/輸出控制電路及隔離電路等。用作PLC與外部輸入/輸出設(shè)備進行連接。（4）I/O擴展模塊當主機默認I/O點數(shù)不夠時，可選配I/O擴展模塊來擴展I/O點數(shù)。擴展模塊不能單獨使用，只能與主機一起使用。（5）外圍設(shè)備外圍設(shè)備根據(jù)PLC的型號與廠家的不同可配置編程設(shè)備，程序?qū)懭肫?，用戶程序卡，磁帶機，打印機，A/D，D/A卡，高速計數(shù)器，RS232/485通訊接口，光纖通訊接口等。其中，編程設(shè)備可以是內(nèi)置的，也可以是外置編程器或可安裝于微機上的編程軟件。

PLC的基本工作方式是順序執(zhí)行用戶程序，每一時刻執(zhí)行一條指令，由于相對于外部電氣信號有足夠的執(zhí)行速度，從宏觀上看是實時響應(yīng)的。對用戶程序的執(zhí)行一般有循環(huán)掃描和定時掃描兩種，掃描過程分為三個階段，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，2.PLC的基本工作方式（1）輸入采樣階段

PLC在輸入采樣階段以掃描方式順序讀入所有輸入端子的狀態(tài)，并存入輸入寄存器。

接著轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行階段即使外部輸入信號的狀態(tài)變化，輸入寄存器的狀態(tài)也不會改變，而狀態(tài)的變化只能在下一個工作周期的輸入采樣階段才被讀入。（2）程序執(zhí)行階段

PLC在程序執(zhí)行階段順序?qū)γ織l指令進行掃描。先從輸入寄存器讀入所有輸入端子的狀態(tài)。若程序中規(guī)定要讀入某輸出狀態(tài)，則也在此時讀入。然后進行邏輯運算，最后將所有結(jié)果送入輸出寄存器。（3）輸出刷新階段

所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出寄存器中所有的輸出狀態(tài)送到輸出電路，成為PLC的實際輸出。

PLC執(zhí)行完上述的三個階段稱為一個掃描周期，掃描周期因PLC的機型和程序中采用各類指令的組成比例而異，一般執(zhí)行1000條指令時間約為1ms到20ms之間. PLC執(zhí)行完一個工作周期后，在第二個工作周期輸入采樣階段進行輸入刷新，因而輸入寄存器的數(shù)據(jù)，由上一個刷新時間PLC輸入端子的狀態(tài)決定。1.

梯形邏輯圖（LAD）梯形邏輯圖簡稱梯形圖（ladderdiagram簡寫為LAD）,它是從繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的電氣原理圖演化而來的，是一種圖形語言，它沿用了常開觸點、常閉觸點、繼電器線圈、接觸器線圈、定時器和計數(shù)器等等術(shù)語和圖形符號，也增加了一些簡單的計算機符號，來完成時間上的順序控制操作。觸點和線圈等的圖形符號就是編程語言的指令符號。這種編程語言與電路圖相呼應(yīng)，簡單、形象、直觀、易編程、容易掌握，是目前應(yīng)用最廣泛的編程語言之一。常見的編程語言

2.指令語句表（STL）指令語句表簡稱語句表（statementlist簡寫為STL），類似于計算機的匯編語言，它是用語句助記符來編程的。不同的機型有不同的語句助記符，但都要比匯編語言簡單得多，很容易掌握，也是目前用得最多的編程方法。命令語句主要使用邏輯語言建立PLC輸入和輸出的關(guān)系，其中包括邏輯AND、OR、NOT及定時器、計數(shù)器、移位寄存器、算術(shù)運算和PID控制功能等。中小型PLC一般用語句表編程。每條命令語句包括命令部分和數(shù)據(jù)部分。其命令部分要指定邏輯功能；其數(shù)據(jù)部分要指定功能存儲器的地址號或直接數(shù)值。語句表編程簡單明了，語句少，其結(jié)構(gòu)類似于電路的串并聯(lián)方式，容易掌握。計算機通用語言可以實現(xiàn)梯形圖法和指令語句表法難以實現(xiàn)的復(fù)雜邏輯控制功能，但它沒有梯形圖法形象，比指令語句表編程復(fù)雜，因此較難掌握。常用的通用語言有C、BASIC、PASCAL、FORTRAN等，其中采用C語言較多。另外，還有控制系統(tǒng)流程圖（CSF）、邏輯方程式（布爾代數(shù)式）等方法，使用較少，而且工程技術(shù)人員對于計算機通用語言又比較難掌握，因此，大部分編程方法都采用梯形圖法和指令語句表。目前常用的PLC產(chǎn)品很多，不同廠家的PLC各種指標和性能不同，其編程方法、具體的指令格式以及繼電器編號也不同，當具體操作時，可查閱有關(guān)產(chǎn)品說明書。

3.計算機的通用語言（1）梯形圖結(jié)構(gòu)

梯形圖的控制邏輯結(jié)構(gòu)及工作原理與繼電器邏輯控制電路十分相似。它采用“觸點”、“線圈”（或稱繼電器線圈）、“功能圖”（功能指令，圖中未畫）等圖形符號表達輸出與輸入的邏輯關(guān)系，這些輸入/輸出可以是硬件上實際的輸入/輸出信號，也可以是PLC內(nèi)部虛擬的輸入/輸出信號。兩側(cè)的豎線稱為電力軌，用以模擬繼電器電路的電源（有些PLC的梯形圖只有左側(cè)的豎線）。梯形圖和語句表梯形圖和語句表是PLC中最常用的兩種編程語言，下面將對這兩種編程語言作一闡述。

1.梯形圖(2）

梯形圖與繼電器邏輯電路（RLC）在操作上的差別

梯形圖與繼電器電路的控制邏輯相似，但其工作順序與繼電器電路不同。

在RLC中，邏輯控制的結(jié)果取決于繼電器線圈、觸點和其它機電器件的動作時間。

而梯形圖則是沿從上到下，從左到右，一個梯級一個梯級順序地進行工作；當執(zhí)行至順序程序結(jié)束時，又返回開頭重復(fù)執(zhí)行。（3）高級順序和低級順序數(shù)控機床的PLC處理時間一般在1—100ms之間，對于數(shù)控機床的絕大多數(shù)信號，這個速度已足夠了。但有些信號（尤其是脈沖信號）要求響應(yīng)時間約20ms。為適應(yīng)整機控制信號的不同響應(yīng)要求，PLC程序常分為高級順序和低級順序兩部分。只應(yīng)把需要迅速處理的信號及快速響應(yīng)的順序編在高級順序中，如急停、坐標軸極限超程等邏輯，其它信號則編在低級順序中。（4）

梯形圖的繪制原則繪制梯形圖的原則如下：（a）梯形圖按從上到下，從左到右的順序繪制。繼電器線圈在最右側(cè)，若存在左右的電力軌線，則整個邏輯圖形似梯形。（b）對電路各元件分配編號。

（c）

在梯形圖中輸入觸點用以表示用戶輸入設(shè)備的輸入信號：用常開觸點還是常閉觸點，與輸入設(shè)備用的是常開觸點還是常閉觸點有關(guān)，還與控制電路的控制要求有關(guān)，PLC無法識別輸入設(shè)備接的是常開還是常閉觸點，只能識別輸入設(shè)備的觸點是接通還是斷開，當輸入設(shè)備的觸點接通時，對應(yīng)的輸入繼電器動作，其常開觸點接通，常閉觸點斷開。當輸入設(shè)備的觸點斷開時，對應(yīng)的輸入繼電器不動作，其常開觸點恢復(fù)斷開，常閉觸點恢復(fù)閉合。用PLC實現(xiàn)電動機的啟/?？刂茣r，啟動按鈕和停止按鈕可用常開觸點，也可用常閉觸點。啟動按鈕用常開觸點時，梯形圖中輸入觸點用常開觸點。啟動按鈕用常閉觸點時，在梯形圖中輸入觸點用常閉觸點。停止按鈕用常開觸點時，梯形圖中輸入觸點用常閉觸點。停止按鈕用常閉觸點時，在梯形圖中輸入觸點用常開觸點。（d）在梯形圖中，同一繼電器的常開、常閉觸點可以多次被使用，不受限制。因此，不存在繼電器接觸器電路中觸點數(shù)量不夠而需要另外增加中間繼電器的問題。但是，在梯形圖中，同一繼電器的線圈只能使用一次，否則僅最后一次操作有效。相同之處：

（a）

電路結(jié)構(gòu)形式大致相同；（b）

梯形圖大都沿用繼電器控制電路元件符號，但也有的有些不同；（c）

信號輸入、信號處理以及輸出控制的功能均相同。(5）

梯形圖與繼電器控制電路的比較（a）

組成器件不同。

繼電器控制電路是由許多真正的繼電器組成，而梯形圖則由許多所謂軟繼電器組成。軟繼電器實質(zhì)上是存儲器中的每一個觸發(fā)器。硬繼電器觸點易磨損，而軟繼電器則無此現(xiàn)象。（b）

工作方式不同。

當電源接通時，繼電器控制電路中各繼電器都處于該吸合的繼電器都應(yīng)吸合，不應(yīng)吸合的繼電器都因條件限制不能吸合。而梯形圖中，各繼電器的狀態(tài)都由周期性循環(huán)掃描時的外部信息決定。不同之處：（c）

觸點數(shù)量不同。

繼電器控制電路中的繼電器觸點數(shù)量有限，一般作中間控制用，每只繼電器的觸點數(shù)只有4—8對；而在梯形圖中，每只軟繼電器的觸點數(shù)則可無限，因為在存儲器中的觸發(fā)器狀態(tài)可取任意次。（d)編程方式不同。在繼電器控制電路中，其程序已包含在固定的電路之中，因此它功能專一，不靈活；而梯形圖的設(shè)計和編程，則可靈活多變。（e）聯(lián)鎖方式不同。

在繼電器控制電路中，為了達到某種控制目的，而又安全可靠，因此設(shè)置了許多制約關(guān)系的聯(lián)鎖的電路；而在梯形圖中，因它是掃描工作方式，不存在幾個并列支路同時動作的因素，因此簡化了電路設(shè)計。

采用語句表編程的PLC的指令各有不同，一般包括兩種指令：基本指令；功能指令。在設(shè)計順序程序時，使用得最多的是基本指令，如RD、AND、OR等。數(shù)控機床執(zhí)行的順序邏輯往往比較復(fù)雜，僅使用基本指令編程十分困難，即使可以實現(xiàn)，程序規(guī)模往往很龐大，因此，必須借助功能指令以簡化程序。功能指令如DEC、ROT、COIN等。2．語句表(1)基本指令(2）功能指令數(shù)控機床用PLC的指令必須滿足數(shù)控機床信息處理和動作控制的特殊要求。例如，由NC輸出的M、S、T二進制代碼信號的譯碼，機械部件運動狀態(tài)或液壓系統(tǒng)動作狀態(tài)的延時確認，加工零件計數(shù)，刀庫、分度工作臺沿最短路徑旋轉(zhuǎn)和現(xiàn)在位置至目標位置步數(shù)的計算等。

在為數(shù)控機床編輯順序程序時，對于上述譯碼、定時、計數(shù)、最短路徑選擇，以及比較、檢索、轉(zhuǎn)移、代碼轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)四則運算、信息顯示等控制功能，僅用執(zhí)行一位操作的基本指令編程，實現(xiàn)起來將會十分困難。因此，就需要增加一些具有專門控制功能的指令來解決基本指令無法處理的那些控制問題。這些專門指令就是“功能指令”。功能指令一般包括，定時器指令、計數(shù)器指令、順序結(jié)束指令、譯碼指令、旋轉(zhuǎn)指令及乘除運算等。數(shù)控機床所受控制可分為兩類：一類是“數(shù)字控制”，數(shù)控機床各坐標軸的移動距離，各軸運行的插補、補償控制等；另一類是“順序控制”，根據(jù)機床各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等的開關(guān)量信號，并根據(jù)預(yù)先規(guī)定的邏輯順序?qū)χT如主軸的啟/停、換向、刀具的更換、工件的夾緊/松開、液壓、冷卻、潤滑系統(tǒng)的運行等進行的控制。

PLC應(yīng)用的基本電氣知識1

.NC側(cè)與MT側(cè)的概念

數(shù)控機床從結(jié)構(gòu)上看通?？煞譃槿糠郑?/p>

CNC系統(tǒng)（計算機數(shù)控系統(tǒng)）；機床電氣；機床本體。對內(nèi)裝式PLC，它包含在CNC系統(tǒng)內(nèi)部；對于獨立式PLC則一般在機床電氣內(nèi)。從機電的角度看，CNC系統(tǒng)和機床電氣為‘電’，機床本體則為‘機’。 常以PLC為界把數(shù)控機床分為“NC側(cè)”和“MT側(cè)”（即機床側(cè)）兩大部分。“NC側(cè)”包括CNC系統(tǒng)的硬件軟件以及CNC系統(tǒng)的外部設(shè)備?！癕T側(cè)”則包括機床的機械部分、液壓、氣壓、冷卻、潤滑、排屑等輔助裝置，以及機床操作面板、繼電器線路、機床強電線路等。PLC處于NC與MT之間，并對NC和MT的輸入、輸出信號進行處理。

MT側(cè)順序控制的最終對象的數(shù)量隨數(shù)控機床的類型、結(jié)構(gòu)、輔助裝置等的不同而有很大的差別。一般來說，機床結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，輔助裝置越多，受控對象數(shù)量就越多。相比而言柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）的受控對象數(shù)量多，而數(shù)控車床、數(shù)控銑床的受控對象數(shù)量較少。

2.接口信息數(shù)控機床PLC主要包括兩類接口信息：硬件電氣接口信息

PLC與數(shù)控裝置、機床及機床電氣設(shè)備之間的電氣連接部分；軟件寄存器接口信息。

PLC為了運算和實現(xiàn)某些特殊功能的需要，以及內(nèi)裝式PLC與NC間數(shù)據(jù)交換的需要設(shè)置的寄存器變量或功能函數(shù)。1.

電氣接口電氣接口從信號的流向看包括輸入接口和輸出接口；從信號的幅值特性看包括模擬量接口和開關(guān)量接口。對PLC而言，由機床或NC等外部設(shè)備向PLC傳送的信號稱為輸入信號，由PLC向機床或NC等外部設(shè)備傳送的信號稱為輸出信號；若信號的幅值是連續(xù)變化的稱為模擬量信號，若只有導通和斷開兩種狀態(tài)則稱為開關(guān)量信號；開關(guān)量接口一般采用直流24V供電，低電平有效，即NPN型開關(guān)量接口，也有些采用或同時具備高電平有效的接口，即PNP型開關(guān)量接口。PLC常用的電氣接口一般有開關(guān)量輸入接口、開關(guān)量輸出接口和模擬量輸出接口等三種。（1）

開關(guān)量輸入接口典型的開關(guān)量輸入接口電路如圖所示。輸入接口圖輸入接口圖外部觸點閉合時，+24V電壓加到接收器電路上，經(jīng)濾波和電平轉(zhuǎn)換處理后，輸出至NC內(nèi)部，成為內(nèi)部電子電路可以接受和處理的信號。圖中接收電路采用光電耦合轉(zhuǎn)換電路（虛線框內(nèi)），開關(guān)量輸入信號是機床側(cè)的開關(guān)、按鈕、繼電器觸點、檢測傳感器等采集的閉合/斷開狀態(tài)信號。這些狀態(tài)信號需經(jīng)上述接口電路處理，才能變成PLC或NC能夠接受的信號。當采用有源開關(guān)器件（如無觸點開關(guān)、霍爾開關(guān)等）時，必須采用DC24V規(guī)格，檢測元件的NPN/PNP型號必須與PLC接口的型號一致。開關(guān)量輸入接口的導通電流一般為5~9mA。（2）

開關(guān)量輸出接口

PLC輸出電路一般為晶體管輸出，如圖所示，最大輸出電流一般為100mA左右，可以驅(qū)動發(fā)光二極管、繼電器線圈等。另外還可以經(jīng)過繼電器、晶閘管等放大后再輸出到外部接口，繼電器和晶閘管輸出的負載能力較大，可以達到2A以上，能夠驅(qū)動電磁閥和交流接觸器線圈等。晶體管輸出為直流輸出，雙向晶閘管輸出為交流輸出，繼電器輸出則交直流負載都可以。對于交流感性負載（如交流接觸器線圈）必須在負載兩端加阻容吸收電路，可以選用成品也可自行用100—200歐姆/1W的電阻和0.1μF630V的電容組裝；對于直流感性負載（如繼電器線圈）需加續(xù)流二極管，如圖所示。有些繼電器自帶續(xù)流二極管；在公共輸出端必須串接短路保護器件（熔斷器或空開）

當負載的工作電壓或工作電流超過輸出信號的工作范圍時，應(yīng)先用PLC輸出接口驅(qū)動小型繼電器（一般工作電壓DC24V），然后再用它們的觸點驅(qū)動強電線路的繼電器、接觸器或直接驅(qū)動這些負載。（3）模擬量輸出接口模擬量輸出接口有電壓和電流輸出兩種。模擬指令輸出范圍典型值：-20mA～+20mA（電流型）；-10V～+10V（電壓型），負載電流：10mA；

0～+10V（電壓型），負載電流：10mA。

PLC要實現(xiàn)對各接口的通斷和電平狀態(tài)信息進行識別和處理，必須把它們轉(zhuǎn)換成內(nèi)部計算機可以識別的變量，這些變量稱之為寄存器，為了運算和控制的方便，PLC還需要一些和硬件接口無關(guān)的內(nèi)部寄存器。由于寄存器的值在PLC處理中和繼電器的使用非常類似，例如讀取寄存器的值相當于引用繼電器的常開點；對讀取的值取反相當于引用繼電器的常閉點；對寄存器賦值相當于接通繼電器的控制線圈，因此PLC的寄存器也稱為PLC的軟繼電器。根據(jù)不同機型的PLC，常用的寄存器有以下幾種：（a）輸入寄存器（X/I）--保存各輸入接口的狀態(tài)；（b）輔助寄存器（R/M）2.

寄存器接口上述寄存器又稱中間寄存器，用于保存運算中所需要的中間變量的狀態(tài)。輔助寄存器由PLC中各種寄存器（軟繼電器）的觸點驅(qū)動，如同中間繼電器一樣，在PLC內(nèi)起傳遞信號的作用。輔助寄存器的觸點不可直接驅(qū)動外部負載，但可通過輸出寄存器來驅(qū)動外部負載；（a）

計數(shù)器（C）計數(shù)器（CONUNTER簡稱C或CNT）的符號如圖6-12所示，計數(shù)器的計數(shù)值根據(jù)程序需要設(shè)定。（b）

輸出寄存器（Y/O）—保存各輸出接口的狀態(tài)；（c）

輔助寄存器（R/M）上述寄存器又稱中間寄存器，用于保存運算中所需要的中間變量的狀態(tài)。輔助寄存器由PLC中各種寄存器（軟繼電器）的觸點驅(qū)動，如同中間繼電器一樣，在PLC內(nèi)起傳遞信號的作用。輔助寄存器的觸點不可直接驅(qū)動外部負載，但可通過輸出寄存器來驅(qū)動外部負載

（d）

計數(shù)器（C）

計數(shù)器（CONUNTER簡稱C或CNT）的符號如圖6-12所示，計數(shù)器的計數(shù)值根據(jù)程序需要設(shè)定。

計數(shù)器有一個時鐘脈沖端（CP），它接受PLC內(nèi)各種軟繼電器送入的脈沖信號，在圖6-12中為輸入繼電器觸點X00，當X00由斷開到閉合，每變換一次輸入一個脈沖信號，計數(shù)器當前值減1，直到計數(shù)器當前值為0時，計數(shù)器線圈通電，它的多對常開觸點閉合、常閉觸點斷開，可以在PLC內(nèi)選擇使用。圖6-12中計數(shù)器C00的計數(shù)值為3，X00經(jīng)過斷--通三次變化后，計數(shù)器常開觸點C00閉合，輸出Y00。此后，即使X00再進行斷一通變化，計數(shù)器線圈仍維持通電。計數(shù)器還有一個復(fù)位端（RESET簡寫R），當接到R端上的觸點接通時，輸入復(fù)位信號，使計數(shù)器線圈斷電，其常開觸點恢復(fù)斷開，常閉觸點恢復(fù)閉合，計數(shù)器的當前的值回到設(shè)定值，可以重新接收計數(shù)脈沖信號。亦可采用計數(shù)器的常開觸點C00作為復(fù)位信號，這種復(fù)位稱為自復(fù)位。若計數(shù)器的最大計數(shù)值不能滿足要求時，可以若干個計數(shù)器級聯(lián)使用，用以擴大計數(shù)范圍。其計數(shù)值N=N1*N2。計數(shù)器與定時器級聯(lián)時，也可擴大定時范圍。（e）

定時器（T）定時器（TIMER簡寫T）的工作時間即延時時間由程序設(shè)定。定時器線圈接受到輸入信號后，按數(shù)值遞減的方式進行。當前數(shù)值變?yōu)?時進行一次輸出，即定時器常開觸點閉合。當輸入繼電器X00接受到輸入信號后，觸點X00接通，即為邏輯1狀態(tài)，定時器線圈通電開始計時，經(jīng)過設(shè)定時間（圖中為10s）后，其常開觸點T00閉合，輸出繼電器Y00線圈通電即為1態(tài)。為定時器應(yīng)用于常開斷電延時的梯形圖，當輸入端有X00信號輸入時，Y00通電并經(jīng)其常開觸點自保，因此為常開瞬時接通觸點。當輸入信號X00消失時，定時器線圈T00通電，到達設(shè)定時間后，T00常閉觸點斷開，Y00線圈斷電。因此構(gòu)成了常開斷電延時觸點。

在對某觸點即需要通電延時，又需要斷電延時，則可采用圖6-14（b）由兩個定時器組成的電路。此電路相當于常開通電延時閉合、斷電延時斷開觸點。由此可見，利用PLC內(nèi)部繼電器組成的延時電路在選型、工藝、改裝等各方面都要比普通時間繼電器靈活方便得多。（f）

斷電保存寄存器（B/M）

PLC上電工作時，除去已閉合的輸入條件，其它寄存器的值都為0。但是，有一些被控對象需要存儲停電前的條件，例如加工中心的刀具位置信息，以便在PLC恢復(fù)工作時重新被使用。斷電保存寄存器除具有輔助寄存器功能外，還具有斷電保存的功能，即PLC上電時保持上次斷電時的狀態(tài)（g）

用戶指令寄存器（P）一般在內(nèi)裝式PLC中提供，各寄存器的含義由PLC定義。使用者可以通過用戶指令寄存器在不修改PLC程序的情況下在一定的范圍內(nèi)調(diào)整PLC的工作狀態(tài)。例如自動潤滑時間、車床刀架反轉(zhuǎn)鎖死時間等。（h）

NC狀態(tài)寄存器（F）一般在內(nèi)裝式PLC中提供，各寄存器的含義由數(shù)控系統(tǒng)軟件定義。PLC可以通過讀取NC狀態(tài)寄存器的內(nèi)容獲得NC當前工作狀態(tài)信息。例如NC的報警信息、M、S、T指令代碼、各進給軸的位置和速度、主軸的轉(zhuǎn)速等。（a）

NC控制寄存器（G）一般在內(nèi)裝式PLC中提供，各寄存器的含義由數(shù)控系統(tǒng)軟件定義。PLC可以通過修改NC控制寄存器的內(nèi)容向NC發(fā)布指令及報告當前機床電氣部分的工作狀態(tài)信息。例如輔助電機的過熱報警信息、各進給軸超程報警信息等。

PLC以及RLC除了完成必須功能外，還要求在異常的情況下通過安全互鎖能夠?qū)Σ僮髡吆驮O(shè)備進行緊急保護，然后通過報警功能通知操作者，因此，在設(shè)計時必須詳細了解設(shè)備的工作過程及原理，分析容易發(fā)生事故的環(huán)節(jié)，以便在程序和電氣設(shè)計中實現(xiàn)。另外考慮到PLC程序可能不完善或發(fā)生軟件故障，有些重要的保護功能必須由硬件即RLC實現(xiàn)。通常我們把RLC的設(shè)計稱為電氣設(shè)計，把PLC的設(shè)計成為軟件設(shè)計。下面是在軟硬件設(shè)計中一般需要注意的安全互鎖功能。

若目前有A、B兩個過程，出于安全的目的，當A動作后將限制B的動作，稱A對B有安全互鎖；若B對A也有安全互鎖，稱A、B之間為雙向安全互鎖，簡稱A、B之間安全互鎖。

安全互鎖

1.

急停當出現(xiàn)緊急情況時，可以按下急停按鈕以避免故障和事故進一步擴大，因此，急停按鈕必須能停止各運動部件，如進給軸、主軸、刀架等，常用的方法是，通過急停按鈕關(guān)閉所有的動力電源，只保留控制電源；也可以用急停按鈕關(guān)閉各運動部件驅(qū)動器的使能信號來實現(xiàn)，但如果驅(qū)動器失控這種方法則失效。急停的安全互鎖必須在電氣設(shè)計中實現(xiàn)。

2.

限位當進給軸或其他有位置要求的移動部件超出設(shè)計的行程時，則通過限位信號進行保護。限位信號一方面需要在出現(xiàn)限位的時刻禁止移動部件的移動；另一方面，還要通知NC限位的方向，這樣當用超程解除等方式脫離限位狀態(tài)時，不會因為誤操作而進一步擴大超行程的程度，即只允許移動部件向與限位方向相反的方向移動。限位的安全互鎖一般在電氣設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面實現(xiàn)。

3.進給驅(qū)動裝置數(shù)控機床在自動加工中通常進給運動是由一個以上的進給驅(qū)動裝置同時完成的，因此，當某個進給驅(qū)動裝置出現(xiàn)報警時，必須停止自動加工狀態(tài)。上面進給驅(qū)動裝置的安全互鎖一般在軟件中實現(xiàn)

4.

主軸單元數(shù)控機床主軸的回轉(zhuǎn)運動帶動刀具或工件產(chǎn)生切削運動。（1）

當主軸報警時必須禁止自動加工，以防止損壞刀具或主軸；（2）當主軸運動時，必須禁止刀具松/緊禁止和自動換刀等需要主軸靜止的過程；（3）

若主軸有多個擋位，則主軸換擋未成功時必須禁止主軸的連續(xù)運動和機床的自動加工。上述（1）與（3）一般在軟件設(shè)計中實現(xiàn)；而（2）一般在電氣設(shè)計中實現(xiàn)。

5.

三相異步電動機換向三相異步電機通過掉換任意兩相電源，來改變電機的旋轉(zhuǎn)方向，如圖6-15(a)所示。如果控制正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的兩個交流接觸器同時閉合，則三相電源中的兩相會發(fā)生短路，因此這兩個交流接觸器的控制必須進行雙向安全互鎖如圖6-15(b)所示。(b)(a)另外交流接觸器的釋放有一定的滯后，若兩個交流接觸器的控制線圈同時得電，仍然會有一個瞬時同時接通的過程使得電源瞬時短路，因此在軟件設(shè)計中也要設(shè)計正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的安全互鎖。

6.

換刀（1）換刀過程中或換刀失敗，特別是銑床要禁止主軸的運動，相應(yīng)的也要禁止系統(tǒng)程序的自動加工進給；（2）

自動換刀鏜銑床若采用機械手或盤式刀庫，在松刀和緊刀的過程中必須禁止Z軸的移動；（3）自動換刀鏜銑床刀庫靠近主軸的過程中要禁止Z軸的移動；刀具未夾緊時禁止主軸旋轉(zhuǎn)，通常也應(yīng)該禁止機床的自動進給。數(shù)控機床PLC系統(tǒng)的設(shè)計與數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計是密不可分的，目前機床數(shù)控系統(tǒng)一般都自帶或提供PLC的功能，這其中既有內(nèi)裝型PLC，也有獨立型PLC。因此，在設(shè)計數(shù)控機床PLC時通常都選擇與數(shù)控系統(tǒng)相同品牌的PLC。由數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商提供的PLC在硬件上無論是接口類型還是I/O點的規(guī)模都為了適應(yīng)數(shù)控機床的要求進行了專門設(shè)計或給出了典型推薦配置；軟件上則一般根據(jù)數(shù)控機床的控制要求固化了PLC程序或提供標準PLC例程供用戶參考選用。用戶在使用中只需要根據(jù)具體機床的特點設(shè)置少量的參數(shù)或?qū)藴世套鞑糠中薷募纯蓾M足一般的要求。對于復(fù)雜的控制要求也可以通過參考例程比較容易的實現(xiàn)。數(shù)控機床PLC系統(tǒng)的設(shè)計及調(diào)試

1．

工藝分析首先對被控機床設(shè)備的工藝過程、工作特點、控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特性進行分析，估算I/O開關(guān)量的點數(shù)，I/O模擬量的接口數(shù)量和精度要求，從而對PLC提出整體要求。2．

系統(tǒng)調(diào)研對根據(jù)設(shè)備的要求初步選定的數(shù)控系統(tǒng)進行調(diào)研，了解其所提供的PLC系統(tǒng)的功能和特點，包括PLC的類型，接口種類和數(shù)量，接口性能，擴展性，PLC程序的編制方法。PLC系統(tǒng)設(shè)計步驟根據(jù)前兩步的工作，綜合考慮數(shù)控系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)的功能、性能、特點，本單位的需要和使用習慣以及整機性價比確定PLC系統(tǒng)的方案。實際上這里主要是從PLC的角度對數(shù)控系統(tǒng)提出要求，從而確定數(shù)控系統(tǒng)的方案。只有少數(shù)情況下才會需要選用獨立型PLC。例如，從經(jīng)濟的角度考慮，選用了簡易型數(shù)控系統(tǒng)，但設(shè)備需要較多的模擬量接口或大量的開關(guān)量接口，而數(shù)控系統(tǒng)提供的PLC不能滿足要求，則需要選用獨立型PLC。

3．

確定方案在選擇獨立型PLC時主要考慮四個因素：（1）

功能范圍

PLC功能有強弱之分，價格差別很大，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實際需要選用。功能方面主要考慮有無擴展能力，有無模擬量輸入輸出，指令系統(tǒng)是否完善，有沒有中斷能力和聯(lián)網(wǎng)能力等。（2）

I/O點數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)設(shè)計中輸入/輸出的種類及數(shù)量，確定選用I/O模塊的種類及數(shù)量。一般都有一定數(shù)量的擴展單元供用戶配置。選用時在滿足需要的前提下注意經(jīng)濟性。（3）

存儲器容量根據(jù)系統(tǒng)大小不同，選擇用戶存儲器容量不同的PLC，一般廠商提供1K，2K，4K，8K，16K程序步等容量的存儲器。選擇方法主要憑經(jīng)驗估算，其估算法有下列兩種：（a）PLC內(nèi)存容量（指令條數(shù)）約等于I/O總點數(shù)的10—15倍。

(b)指令條數(shù)=6（I/O）+2（Tm+Ctr）。式中Tm為定時器總數(shù)，Ctr為計數(shù)器總數(shù)。有時可在其基礎(chǔ)上增加20%的裕量。（4）

處理時間

PLC從處理一個輸入信號到產(chǎn)生一個輸出信號所需的時間稱為處理時間。處理時間的長短不僅決定于CPU的循環(huán)掃描周期，還與輸出繼電器的機械滯后、輸入信號的到來時刻在掃描周期中的時機、以及程序語句的安排有密切的關(guān)系。當PLC的掃描周期為20ms時，一個交流輸入信號的處理時間可達60ms左右，這對于一般工業(yè)控制系統(tǒng)來說已足夠靈敏，對某些要求輸入/輸出作出快速響應(yīng)的設(shè)備，可采用快速響應(yīng)模塊、高速計數(shù)模塊及中斷處理等措施來縮短處理時間。

4．電氣設(shè)計

PLC控制系統(tǒng)的電氣設(shè)計包括以下內(nèi)容：原理圖、元器件清單、電柜布置圖、接線圖與互連圖，如果是定型設(shè)備還應(yīng)包括工藝圖，這在其它章節(jié)有詳細介紹。電氣設(shè)計時特別要注意以下幾點：（1）

PLC輸出接口的類型，是繼電器輸出還是光電隔離輸出等。（2）

PLC輸出接口的驅(qū)動能力，一般繼電器輸出為2A，光隔輸出為500mA。（3）

模擬量接口的類型和極性要求，一般有電流型輸出（-20mA～+20mA）和電壓型輸出（-10V～—+10V）兩種可選。（4）

采用多直流電源時的共地要求。（5）

輸出端接不同負載類型時的保護電路。執(zhí)行電器若為感性負載，需接保護電路。直流可加續(xù)流二極管，交流可加阻容吸收電路。（6）

若電網(wǎng)電壓波動較大或附近有大的電磁干擾源，應(yīng)在電源與PLC間加設(shè)隔離變壓器、穩(wěn)壓電源或電源濾波器。注意:PLC的散熱條件，當PLC的環(huán)境溫度大于55oC時，要用風扇強制冷卻。

目前數(shù)控機床特別是通用數(shù)控機床的各項功能，例如主軸控制、車床刀架轉(zhuǎn)位、加工中心刀庫的換刀、潤滑、冷卻的啟/停等已經(jīng)標準化，各種數(shù)控系統(tǒng)一般都內(nèi)置或提供滿足這些功能的PLC程序。采用獨立型PLC時，一般廠家也會提供滿足通用數(shù)控機床要求的標準PLC程序。因此，設(shè)計PLC程序最重要的方法就是詳細了解并參考系統(tǒng)提供的標準PLC程序。

PLC程序設(shè)計程序設(shè)計是PLC應(yīng)用中最關(guān)鍵的問題。PLC程序設(shè)計的基本思路是按照設(shè)備的要求設(shè)計輸入和輸出信號的邏輯關(guān)系，在輸入某些信號時得到預(yù)期的輸出信號，從而實現(xiàn)預(yù)期的工作過程。因此，簡單而常用的方法是以過程為目標，分析每個過程的啟動條件和限制條件，根據(jù)這些條件編寫該過程的PLC程序，完成了所有過程的PLC程序即完成了整個PLC程序。其中某個過程可以僅涉及一個輸出接口，例如冷卻電機的啟動/停止；也可以涉及多個輸出接口，例如加工中心換刀的過程。這種方法比較容易實現(xiàn)PLC程序的模塊化，易于各過程的獨立調(diào)試，缺點是往往不能保證最小的存儲器占有量。目前隨著計算機和微電子技術(shù)的發(fā)展，對PLC存儲器容量方面的限制已經(jīng)越來越小。

1.

PLC程序設(shè)計的常用方法程序設(shè)計的方法有很多，如狀態(tài)表法、功能圖法、流程圖法及現(xiàn)代Petri網(wǎng)法等。狀態(tài)表法是從傳統(tǒng)繼電器邏輯設(shè)計方法繼承而來的，經(jīng)過適當改進，適合于可編程控制器梯形圖設(shè)計的一種方法。但狀態(tài)表法僅適合于單一順序問題的程序設(shè)計，而對于具有并行順序和選擇順序的問題就顯得無能為力了。功能圖法是先將控制要求表達為功能圖，用功能圖來說明可編程控制器所要完成的控制功能，然后由功能圖寫出邏輯方程，再畫出梯形圖或?qū)懗鲋噶?。狀態(tài)表法、功能圖法可以解決順序、隨機等類型問題的程序設(shè)計。但是，這些方法不適用于具有協(xié)調(diào)、競爭等性質(zhì)系統(tǒng)控制程序的設(shè)計。Petri網(wǎng)方法是解決并行系統(tǒng)程序設(shè)計的一種方法。對于采用計算機高級語言設(shè)計的PLC程序，可以采用數(shù)據(jù)處理指令來解決邏輯問題，比單純用邏輯指令要簡單的多?？梢苑奖愕奶幚眄樞?、隨機、協(xié)調(diào)、競爭等控制功能。流程圖是熟悉計算機高級語言的程序設(shè)計人員常用的程序設(shè)計方法。（1）

將繼電器控制電路，改畫成梯形圖對于采用梯形圖編程的PLC，正如前述由于繼電器控制電路與梯形圖有很多相似處，因此可以將成熟的繼電器控制系統(tǒng)直接改畫成PLC梯形圖，這種方法適用于較簡單的控制過程。（2）經(jīng)驗設(shè)計法對于較復(fù)雜的控制過程，可以根據(jù)被控對象控制的要求，初步設(shè)計出繼電器控制電路，或直接設(shè)計出梯形圖，再進行必要的簡化和校驗，有時在調(diào)試過程中還需要進行必要的修改。這種設(shè)計方法靈活性大，其結(jié)果一般不是唯一的。一般與第一種方法配合使用。（3）流程圖流程圖是采用高級語言編寫程序的PLC所用的方法，與一般軟件設(shè)計的流程圖相同，由有向線段、處理塊、判斷塊等元素組成，對數(shù)控機床上的各種過程都能非常方便的描述。在分析機床的工藝和控制過程時可以直接采用流程圖進行描述，這樣完成了機床所有的控制過程的分析也就基本上完成了程序設(shè)計，然后在通過流程圖完成程序的編寫。這種方法也適用于采用語句表編程語言的PLC。程序設(shè)計的狀態(tài)表法、功能圖法等讀者可以參考相關(guān)書籍。2.PLC程序設(shè)計的一般步驟（1）若所采用的PLC自帶有程序，應(yīng)該詳細了解程序已有的功能，對現(xiàn)有需求的滿足程度和可修改性，盡量采用PLC自帶的程序。（2）將所有與PLC相關(guān)的輸入信號（按鈕、行程開關(guān)、速度及時間等傳感器），輸出信號（接觸器、電磁閥、信號燈等）分別列表，并按PLC內(nèi)部接口范圍，給每個信號分配一個確定的編號。（3）詳細了解生產(chǎn)工藝和設(shè)備對控制系統(tǒng)的要求。畫出系統(tǒng)各個功能過程的工作循環(huán)圖或流程圖、功能圖及有關(guān)信號的時序圖。（4）按照PLC程序語言的要求設(shè)計梯形圖或編寫程序清單。梯形圖上的文字符號應(yīng)按現(xiàn)場信號與PLC內(nèi)部接口對照表的規(guī)定標注。3.

PLC程序設(shè)計的一般原則（1）保證人身與設(shè)備安全的設(shè)計永遠都不是多余的。

PLC的設(shè)計應(yīng)該是在保證操作者和設(shè)備安全的前提下完成其功能，沒有安全保證的設(shè)備是沒有實際應(yīng)用價值的。（2）PLC程序的安全設(shè)計，并不代表硬件的安全保護可以省略。

PLC程序的安全設(shè)計，僅是在軟件上提供保護功能，為了避免軟件工作異常和調(diào)試中程序編寫錯誤或操作不當引起的事故，還要在硬件上設(shè)計保護功能。例如，電機正/反轉(zhuǎn)接觸器的互鎖設(shè)計，進給電機的限位保護開關(guān)，這些均在硬件上實現(xiàn)，不需要通過PLC控制。（3）

了解PLC自身的特點不同的廠家的PLC都各有特點，在應(yīng)用中也會不同，因此要了解PLC自身的特點才能正確使用并發(fā)揮PLC應(yīng)有的能力。如：初始狀態(tài)、工作方式（循環(huán)掃描/周期掃描）、掃描周期（4）

設(shè)計調(diào)試點易于調(diào)試

PLC程序的設(shè)計往往不是一次可以完成，常常需要分步反復(fù)調(diào)試和實驗，因此，在PLC設(shè)計中，與一般的軟件設(shè)計類似，需要利用中間寄存器設(shè)計跟蹤標記和斷點，以方便調(diào)試。例如:在自動換刀控制程序中設(shè)計臨時外部控制指令，使連續(xù)的換刀過程變?yōu)榉植綀?zhí)行，分步檢查換刀的控制過程是否滿足實際要求，待調(diào)試成功再取消該臨時外部控制指令，使換刀過程連續(xù)執(zhí)行。(5）

模塊化設(shè)計數(shù)控機床的PLC一般要完成許多功能，模塊化設(shè)計便于我們對各個功能進行單獨調(diào)試，當改變某一功能的控制程序時，也不會對PLC的其它功能產(chǎn)生影響。（6）

盡量減少程序量減少程序量可以減少程序運行的時間，提高PLC的響應(yīng)速度，這對于循環(huán)掃描的PLC尤為重要。另外某些內(nèi)裝式PLC與數(shù)控系統(tǒng)共用處理器，存儲器等資源，減少PLC的程序量對于節(jié)省系統(tǒng)資源也是非常必要的。（7）全面的注釋，便于維修

PLC所服務(wù)的數(shù)控機床要求長時間的穩(wěn)定運行，因此，PLC出現(xiàn)問題時要能立刻排除，詳細的注釋有利于維修人員維修、日常維護以及系統(tǒng)擴展新的功能。1．輸入程序根據(jù)型號的不同，PLC有多種程序輸入方法，例如，在PLC上本地輸入;通過數(shù)控系統(tǒng)輸入;通過外部專用編程器輸入;通過PLC提供的基于PC的軟件在外部PC上輸入。多數(shù)PLC都提供PC機編程輸入功能。

2．檢查電氣線路如果電氣線路安裝有誤，不僅會嚴重影響PLC程序的調(diào)試進度，而且有可能損壞元器件。因此，調(diào)試前應(yīng)該仔細檢查整個系統(tǒng)的電氣線路，特別是電源部分。若系統(tǒng)是分模塊設(shè)計調(diào)試的，也可以只檢查準備調(diào)試的模塊部分的電氣線路。3．模擬調(diào)試。正如前述，PLC處在數(shù)控系統(tǒng)與機床電氣之間，起著承上啟下的作用，如果PLC指令有誤，即使電氣線路沒有錯誤，也有可能引起事故，損壞設(shè)備。例如，主軸采用齒輪傳動時，若齒輪嚙合未到位，強行長時間運行主軸有可能損壞傳動齒輪。因此，在PLC實際應(yīng)用調(diào)試前應(yīng)先進行模擬調(diào)試。

PLC調(diào)試4．運行調(diào)試接通功率器件的動力，如電機及其驅(qū)動器的強電、氣壓、液壓等，按照實際運行的需要調(diào)試，在運行調(diào)試中要注意電氣與機械的配合。5．非常規(guī)調(diào)試，驗證安全保護和報警的功能。按照與設(shè)計功能不同的順序輸入或輸出信號，例如刀具松的狀態(tài)下，按主軸啟動按鈕，或在主軸運行中，按下刀具松按鈕。觀察PLC設(shè)計的保護功能是否有效。運行中接入各單元的報警信號，觀察PLC程序是否能正確的報警并保護相應(yīng)的單元。例如主軸運行中，接入主軸過熱信號，觀察PLC是否能報警，并同時停止主軸和刀具進給。這部分工作一般也分為模擬調(diào)試和運行中調(diào)試，兩步以防如果保護功能失效損壞器件和設(shè)備。

6．安全檢查并投入考驗性試運行待一切正常后可將程序固化到PLC存儲器中，并作備份和詳細文檔說明程序的功能和使用方法等信息。

前面已經(jīng)提到，在PLC設(shè)計方面需要詳細了解被控過程的工作過程和工作原理；在編程方面可以學習和參考系統(tǒng)提供的標準例程和編程說明書以及其它專門介紹PLC編程語言的參考書。因此本節(jié)對具體的編程方法未作詳細的介紹，只針對數(shù)控機床PLC控制中比較典型的三個應(yīng)用實例進行過程和安全互鎖分析，每個應(yīng)用實例提供一種不同編程語言的PLC程序。 應(yīng)用實例中的PLC均采用DC24VNPN型晶體管接口電路，即低電平有效。

數(shù)控機床PLC控制應(yīng)用實例1．過程分析 主軸的控制包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、制動和沖動等。要求按正轉(zhuǎn)按鈕是電動機正轉(zhuǎn)；按反轉(zhuǎn)按鈕時電動機反轉(zhuǎn)；按停止按鈕時電動機停止，并控制制動器制動2秒；按下沖動按鈕電動機正轉(zhuǎn)0.5秒，然后停止；電動機過載報警后正/反轉(zhuǎn)和沖動按鈕無效。2．安全互鎖

主軸系統(tǒng)

3．程序設(shè)計 電氣部分的設(shè)計如圖6-17所示，主軸為普通三相異步電動機，由交流接觸器控制正反轉(zhuǎn)；繼電器采用直流24V供電，自帶續(xù)流二極管；交流接觸器采用交流110V供電。

與主軸控制相關(guān)的輸入/輸出寄存器包括：輸入寄存器：X1.4—正轉(zhuǎn)，X1.5—反轉(zhuǎn)，X1.6—停止，X1.7—沖動，X8.5—報警；輸出寄存器：Y5.0—正轉(zhuǎn)，Y5.1—反轉(zhuǎn)，Y5.2制動，Y5.3—松刀。 在電氣安全互鎖設(shè)計方面，主軸正/反轉(zhuǎn)在接觸器和繼電器分別進行了安全互鎖；主軸正/反轉(zhuǎn)對刀具松進行了安全互鎖；急停對主軸運轉(zhuǎn)進行了安全互鎖。

序號名稱含義4序號名稱含義1QF3主軸帶過載保護電源空開2KM3主軸正轉(zhuǎn)交流接觸器3KM4主軸反轉(zhuǎn)交流接觸器4KA1由急停控制的中間繼電器5KA4主軸正轉(zhuǎn)中間繼電器6KA5主軸反轉(zhuǎn)中間繼電器7KA6主軸制動中間繼電器8KA9刀具松間繼電器9SB11主軸正轉(zhuǎn)按鈕10SB12主軸反轉(zhuǎn)按鈕11SB13主軸停止按鈕12SB14主軸沖動按鈕13RC2三相滅弧器14RC7,RC8單相滅弧器指令語句表程序如下：1.

LD X1.4 -- 讀取主軸正轉(zhuǎn)按鈕2.

OR R0.0 -- R0.0自鎖3.

AND X8.5 -- 無報警4.

ANI Y5.3 -- 刀具未松開5.

AND X1.6 -- 停止按鈕未按下（停止按鈕硬件上是常閉連接）6.

ANI Y5.1 -- 反轉(zhuǎn)無輸出7.

ANI Y5.2 -- 主軸未制動8.

OUT R0.0 -- 則輸出中間變量R0.0，并自鎖-------主軸正轉(zhuǎn)條件都滿足，則按下正轉(zhuǎn)按鈕后，輸出R0.0并自鎖-------9.

LD X1.7 -- 讀取主軸沖動按鈕10.

OR R0.1 -- R0.1互鎖11.

ANI T1 -- 若T1計時未完成12.

OUT R0.1 -- 則輸出R0.113.

OUT T1 K5 -- T1計時0.5秒----按下主軸沖動按鈕后，R0.1輸出0.5秒后關(guān)閉14.

LD R0.0 -- 讀取R0.0。15.

OR R0.1 -- 或R0.0。16.

AND X8.5 -- 無報警。17.

ANI Y5.3 -- 刀具未松開。18.

AND X1.6 -- 停止按鈕未按下。19.

ANI Y5.1 -- 反轉(zhuǎn)無輸出。20.

ANI Y5.2 -- 主軸未制動。21.

OUT Y5.0 -- 則輸出Y5.0控制主軸正轉(zhuǎn)。-------主軸正轉(zhuǎn)條件滿足后，R0.0和R0.1任意一個有輸出則輸出Y5.0控制主軸正轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了主軸連續(xù)正轉(zhuǎn)和每次按下主軸沖動按鈕，主軸正向沖動0.5秒的功能。22.

LD X1.6 -- 讀取主軸停止按鈕。23.

OR Y5.2 -- 主軸制動自鎖。24.

ANI T2 -- 若T2計時未完成。25.

OUT Y5.2 -- 則輸出主軸制動。26.

OUT T2 K20 -- T2計時2秒。-按下主軸停止按鈕后，Y5.2輸出制動主軸2秒后斷開27.

LD X1.5 -- 讀取主軸反轉(zhuǎn)按鈕。28.

OR Y5.1 -- 主軸反轉(zhuǎn)自鎖。29.

AND X8.5 -- 無報警。30.

ANI Y5.3 -- 刀具未松開。31.

AND X1.6 -- 停止按鈕未按下。32.

ANI Y5.0 -- 正轉(zhuǎn)無輸出。33.

ANI Y5.2 -- 主軸未制動。34.

OUT Y5.1 -- 則輸出Y5.1控制主軸反轉(zhuǎn)。35.

END主軸反轉(zhuǎn)條件都滿足，則按下反轉(zhuǎn)按鈕后，輸出Y5.1并自鎖-------1.

過程分析 由PLC控制潤滑電動機實現(xiàn)自動潤滑功能，代替自動潤滑站。數(shù)控機床通電工作后，定時潤滑即開始自動執(zhí)行，不受外部按鈕或M指令控制。2．安全互鎖 檢測到?jīng)]有潤滑液或潤滑電動機過熱報警后向系統(tǒng)發(fā)出報警信息，并停止定時潤滑的工作。急停對潤滑運轉(zhuǎn)進行了安全互鎖。3.程序設(shè)計定時潤滑

電氣部分的設(shè)計如圖6-18，圖中各器件的含義如下：

序號名稱含義1

M4潤滑電動機2

QF6潤滑電動機帶過載保護的電源空開3

KM7潤滑電動機啟動交流接觸器4

KA1由急?？刂频闹虚g繼電器5

KA10潤滑電動機啟動中間繼電器6

HL1潤滑報警指示燈7

RC5三相滅弧器8

RC11單相滅弧器定時潤滑涉及到的寄存器如下：

X1.5：潤滑液位低報警檢測； X2.7：潤滑電動機過熱報警檢測；

Y0.7：潤滑電動機控制； Y1.6：潤滑系統(tǒng)報警指示燈；

數(shù)控機床的潤滑系統(tǒng)一般要求每間隔數(shù)十分鐘甚至幾個小時工作幾秒鐘，而一般PLC的定時器沒有這么大的定時范圍，因此采用定時器和計數(shù)器相結(jié)合的方法來擴大定時范圍，下面以每隔一小時潤滑10秒為例設(shè)計定時潤滑系統(tǒng)的PLC梯形圖程序如圖6-19。

X1.5和X2.7硬件上均按常閉點連接，PLC再按常閉點判斷，則正常時都是斷開的，Y1.6（報警指示燈）沒有輸出。一旦出現(xiàn)了一個或兩個報警則硬件上為斷開狀態(tài)，PLC內(nèi)部因取常閉點而閉合，Y1.6有輸出提示報警。 開始上電時R0.0為0，C0、T1以及T2都處于復(fù)位狀態(tài)，T0處于定時狀態(tài)，時間為10秒，定時完成后R0.0自鎖保持1狀態(tài)，則對C0、T1、Y0.7沒有影響。若X1.5或X2.7任意一個出現(xiàn)了故障報警，則R0.0變?yōu)?，重新復(fù)位C0、T1以及T2，故障消除后，T0又開始計時，R0.0延時10秒后再變?yōu)?。因此，用R0.0的常閉點可以保證每次開機和故障消除后Y0.7能馬上輸出，控制潤滑10秒。

R0.0變?yōu)?后，T0一直被復(fù)位，T1開始工作，定時時間是60秒，因此每隔60秒C0計數(shù)一次，C0的設(shè)定值是60，因此，1小時后C0計數(shù)完成，這期間T2一直處于復(fù)位狀態(tài)。C0計數(shù)完成后，常開點閉合，復(fù)位T1，而T2開始計時，T2的設(shè)定時間是10秒，10秒鐘后T2的常開點閉合復(fù)位C0，因此，C0的1狀態(tài)只維持10秒即變?yōu)?，同時把T2復(fù)位，由于T2、C0、T1都處于復(fù)位狀態(tài)，R0.0為1，T1又開始計時，每隔60秒向C0發(fā)送一個脈沖，進入新一輪循環(huán)。 可見每隔1小時，C0即輸出10秒鐘，用C0的常開點控制Y0.7即實現(xiàn)了控制的要求。

1.

過程分析 以四工位自動刀架為例，刀架電動機采用三相交流380V供電，正轉(zhuǎn)時驅(qū)動刀架正向旋轉(zhuǎn)，各刀具按順序依次經(jīng)過加工位置（如圖6-20所示），刀架電動機反轉(zhuǎn)時，刀架自動鎖死，保證刀具能夠承受切削力。每把刀具各有一個霍爾位置檢測開關(guān)。車床刀架換刀動作由T指令或手動換刀按鈕起動，換刀過程如下：（a）

刀架電動機正轉(zhuǎn)；（b）

檢測到所選刀位的有效信號后，停止刀架電動機，并延時（100ms）；

(c)延時結(jié)束后刀架電動機反轉(zhuǎn)鎖死刀架，并延時（500ms）；

(d)延時結(jié)束后停止刀架電動機，換刀完成。

車床刀架不存在刀具交換的問題，刀具選好后即可以開始加工，因此，車床的換刀由T指令（選刀指令）完成，而不需要換刀指令（M06指令）的參與。

2.