第五章 數(shù)控系統(tǒng)中的PLC控制教材

第五章數(shù)控系統(tǒng)中的PLC控制介紹了數(shù)控系統(tǒng)中PLC的組成、分類及工作過程；數(shù)控系統(tǒng)中PLC與CNC、MT之間的信息交換；數(shù)控系統(tǒng)中PLC控制功能（M、S、T）的實現(xiàn)方法；數(shù)控系統(tǒng)中的PLC在數(shù)控機(jī)床主軸運動、潤滑系統(tǒng)、自動換刀以及零件計數(shù)等方面的具體應(yīng)用第一節(jié)概述

一、作用對機(jī)床主軸正反轉(zhuǎn)與啟停、工件的夾緊與松開、冷卻液開關(guān)、刀具更換、工件及工作臺交換、液動與氣動以及潤滑等輔助功能進(jìn)行順序控制。二、概念可編程序控制器PC（ProgrammableController）是一種數(shù)字運算系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下的設(shè)備運行與控制而設(shè)計。圖7-1數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部信息流在數(shù)控系統(tǒng)信息流通中PLC控制的輔助功能（M、S、T等）信息第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)中的PLC

一、PLC的結(jié)構(gòu)、特點及其工作過程（一）PLC的基本結(jié)構(gòu)

PLC的種類型號很多，大、中、小型PLC的功能不盡相同，其結(jié)構(gòu)也各不相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)形式大體上是相同的，都是由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM/ROM）、輸入/輸出單元（I/O）、編程器、電源模塊和外部設(shè)備等組成，并且內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)。圖7-2PLC控制系統(tǒng)組成1．中央處理單元CPUPLC中的CPU與通用計算機(jī)中的CPU一樣，是PLC的核心。PLC實現(xiàn)的控制任務(wù)，主要是完成一些動作和速度要求不特別快的順序控制，在一般情況下，不需要使用高速的微處理器。為了提高PLC的控制功能，通常采用多CPU控制方式，如用一個CPU用來管理邏輯運算及專用功能指令；另一個CPU用來管理I/O接口和通信等功能。中、小型PLC常用8位或16位微處理器，大型PLC則采用高速單片機(jī)。2．存儲器PLC存儲器主要包括隨機(jī)存儲器RAM和只讀存儲器ROM。PLC所用存儲器基本上由EPROM、RAM和PROM三種形式組成，其存儲容量隨著PLC類別或規(guī)模的不同而改變。3．輸入/輸出（I/O）模塊I/O模塊是PLC與外部設(shè)備或現(xiàn)場I/O裝置之間進(jìn)行信息交換的橋梁。4．編程器編程器是提供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試、監(jiān)視以及運行應(yīng)用程序的特殊工具，一般由鍵盤、智能處理器、顯示屏、外部設(shè)備（如硬盤/軟盤驅(qū)動器等）組成，它通過通信接口與PLC相連，完成人機(jī)對話功能。5．電源電源單元的作用是將外部提供的交流電轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部所需的直流電源。圖7-3SIMATICS7-300結(jié)構(gòu)圖（二）PLC的特點1．可靠性高2．靈活性好3．編程簡單4．與現(xiàn)場信號直接連接5．安裝簡單維修方便6．網(wǎng)絡(luò)通信（三）工作過程PLC的工作過程是在硬件的支持下運行軟件的過程圖7-4PLC的掃描過程圖7-5PLC的工作過程二、數(shù)控系統(tǒng)中的PLC分類數(shù)控系統(tǒng)中的PLC可分為“內(nèi)裝型”（Built-in-Type）PLC和“獨立型”（Stand-alone-Type）PLC兩種類型。1．內(nèi)裝型PLC內(nèi)裝型PLC是指PLC內(nèi)置于CNC裝置內(nèi)，從屬于CNC裝置，與CNC裝置集于一體圖7-6內(nèi)裝型PLC的CNC系統(tǒng)框圖內(nèi)裝型PLC的性能指標(biāo)（如輸入／輸出點數(shù)、程序掃描時間、每步執(zhí)行時間、程序最大步數(shù)、功能指令數(shù)目等）是根據(jù)所從屬的CNC系統(tǒng)的規(guī)格、性能、適用機(jī)床的類型等確定的。圖7-7內(nèi)裝型PLC中的CPU圖7-8SINUMERIK810數(shù)控系統(tǒng)的I/O模塊序號公司名稱CNC系統(tǒng)型號內(nèi)裝型PLC型號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具有內(nèi)裝型PLC的CNC系統(tǒng)2．獨立型PLC獨立型PLC是完全獨立于CNC裝置、具有完備的硬件和軟件功能、能夠獨立完成CNC系統(tǒng)規(guī)定控制任務(wù)的裝置。圖7-9獨立型PLC的CNC系統(tǒng)框圖圖7-10SIMATICS7-300可編程序控制器第三節(jié)數(shù)控系統(tǒng)中PLC的信息交換

CNC、PLC和MT之間的信息交換包括以下四個部分。1．CNC傳送給PLCCNC送至PLC信息可由開關(guān)量輸出信號（對CNC側(cè)而言）完成，也可由CNC直接送入PLC的寄存器中。主要包括各種功能代碼M、S、T的信息，手動/自動方式信息及各種使能信息等。2．PLC傳送給CNCPLC送至CNC的信息由開關(guān)量輸入信號（對CNC側(cè)而言）完成，所有PLC送至CNC的信息地址與含義由CNC系統(tǒng)生產(chǎn)廠家確定，PLC編程者只可使用不可改變和增刪。主要包括M、S、T功能的應(yīng)答信息和各坐標(biāo)軸對應(yīng)的機(jī)床參考點信息等。3．PLC傳送給MTPLC控制機(jī)床的信號通過PLC的開關(guān)量輸出接口送至MT中。主要用來控制機(jī)床的執(zhí)行元件，如電磁閥、繼電器、接觸器以及各種狀態(tài)指示和故障報警等。4．MT傳送給PLC機(jī)床側(cè)的開關(guān)量信號可通過PLC的開關(guān)量輸入接口送入PLC中，主要是機(jī)床操作面板輸入信息和其上各種按鈕、開關(guān)等信息，如機(jī)床的起停、主軸正反轉(zhuǎn)和停止、各坐標(biāo)軸點動、切削液的開關(guān)、刀架卡盤的夾緊與松開、倍率選擇及各運動部件的限位開關(guān)信號等信息。圖7-11FAGOR系統(tǒng)的信息交換第四節(jié)數(shù)控系統(tǒng)中的PLC控制功能實現(xiàn)1．M功能的實現(xiàn)M功能稱為輔助功能，用M后跟二位數(shù)字來表示。根據(jù)M代碼的編程，可以實現(xiàn)機(jī)床主軸正反轉(zhuǎn)及停止，數(shù)控加工程序運行停止，冷卻液的開關(guān)，自動換刀，卡盤的夾緊和松開等功能的控制。輔助功能代碼功

能類型輔助功能代碼功

能類型M00M01M02M03M04M05M06程序停選擇停程序結(jié)束主軸順時針旋轉(zhuǎn)主軸逆時針旋轉(zhuǎn)主軸停換刀準(zhǔn)備AAAIIACM07M08M09M10M11M30液狀冷卻霧狀冷卻關(guān)冷卻液夾緊松開程序結(jié)束并倒帶IIAHHA2．S功能的實現(xiàn)S功能是主軸轉(zhuǎn)速控制功能，以往用S2位代碼形式指定主軸轉(zhuǎn)速，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般用S4位代碼來編程。圖7-12S功能處理框圖圖7-13SINUMERIK3系統(tǒng)主軸控制框圖3．T功能的實現(xiàn)T功能稱為刀具功能，用T代碼后跟2～5位數(shù)字表示刀具號和刀具補(bǔ)償號。根據(jù)T代碼通過PLC可以實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的自動換刀及刀庫管理，即根據(jù)刀具和刀具座的編號，可以方便可靠地進(jìn)行選刀和換刀控制。圖7-14T功能處理示意圖圖7-15T功能處理流程圖第五節(jié)數(shù)控系統(tǒng)中的PLC應(yīng)用實例一、典型PLC介紹數(shù)控機(jī)床用FANUCPLC有PMC-A、PMC-B、PMC-C、PMC-D、PMC-GT和PMC-L等多種型號，它們分別適用于不同的FANUC系統(tǒng)組成內(nèi)裝型的PLC。圖7-16堆棧寄存器操作順序1．基本指令序號指令處理內(nèi)容1RD讀指令信號的狀態(tài)，并寫入ST0中。在一個梯級開始的節(jié)點是常開節(jié)點時使用2RD.NOT將信號的“非”狀態(tài)讀出，送入ST0中，在一個梯級開始的節(jié)點是常閉點時使用3WRT輸出運算結(jié)果（ST0的狀態(tài)）到指定地址4WRT.NOT輸出運算結(jié)果（ST0的狀態(tài)）的“非”狀態(tài)到指定地址5AND將ST0的狀態(tài)與指定地址的信號狀態(tài)相“與”后，再置于ST0中6AND.NOT將ST0的狀態(tài)與指定的信號的“非”狀態(tài)相“與”后，再置于ST0中7OR將指定地址的狀態(tài)與ST0相“或‘后，再置于ST08OR.NOT將地址的“非”狀態(tài)與ST0相“或‘后，再置于ST09RD.STK堆棧寄存器左移一位，并把指定的地址的狀態(tài)置于ST010RD.NOT.STK堆棧寄存器左移一位，并把指定地址的狀態(tài)取“非”后再置于ST011AND.STK將ST0和ST1的內(nèi)容執(zhí)行邏輯“與”，結(jié)果存于ST0，堆棧寄存器右移一位12OR.STK將ST0和ST1的內(nèi)容執(zhí)行邏輯“或”，結(jié)果存于ST0，堆棧寄存器右移一位表5-5基本指令及處理內(nèi)容基本指令格式如下：×× 0000.0指令操作碼

地址號

位數(shù)操作數(shù)據(jù)如RD100.6，其中RD為操作指令碼，100.6為操作數(shù)，即指令操作對象。它實際上是PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器某一個單元中的一位100.6表示第100號存儲單元中的第6位。圖5-18梯形圖例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．功能指令數(shù)控機(jī)床用的PLC指令必須滿足數(shù)控機(jī)床信息處理和動作順序控制的特殊要求。例如CNC輸出的M、S、T二進(jìn)制代碼信號的譯碼（DEC）；加工零件的計數(shù)（CTR）；機(jī)械運動狀態(tài)或液壓系統(tǒng)動作狀態(tài)的延時（TMR）確認(rèn)；刀庫、分度工作臺沿最短路徑旋轉(zhuǎn)和現(xiàn)在位置至目標(biāo)位置步數(shù)的計算（ROT）；換刀時數(shù)據(jù)檢索（DSCH）和數(shù)據(jù)變址傳送指令（XMOV）等。功能指令都是一些子程序，應(yīng)用功能指令就是調(diào)用相應(yīng)的子程序。1）功能指令的格式功能指令不能使用繼電器的符號，必須使用圖5-19所示格式符號。這種格式包括：控制條件、指令標(biāo)號、參數(shù)和輸出幾個部分。圖5-19功能指令格式RD.NOT 1.0AND 1.1RD 2.4AND.NOT 3.1SUBOO （指令）PRMOOOO （參數(shù)1）PRMOOOO （參數(shù)2）PRMOOOO （參數(shù)3）PRMOOOO （參數(shù)4）WRT 10.1（1）控制條件控制條件的數(shù)量和意義隨功能指令的不同而變化?？刂茥l件被存入堆棧寄存器中，其順序是固定不變的。（2）指令功能指令的種類見表5-6，指令有三種格式，格式1用于梯形圖；格式2用于在紙帶穿孔和程序顯示；格式3用編程器輸入程序時的簡化指令。對于TMR和DEC指令在編程器上有其專用指令鍵，其他功能指令則用SUB鍵和其后的數(shù)字鍵輸入。（3）參數(shù)功能指令不同于基本指令，可以處理各種數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)本身或存有數(shù)據(jù)的地址可作為功能指令的參數(shù)，參數(shù)的數(shù)量和含義隨指令的不同而不同。（4）輸出功能指令的執(zhí)行情況可用一位“1”和“0”表示，把它輸出到R1軟繼電器，R1繼電器的地址可隨意確定，但有些功能指令不用R1，如MOVE、COM、JMP等。2）部分功能指令說明（1）順序程序結(jié)束指令（END1、END2）END1：高級順序程序結(jié)束指令；END2：低級順序程序結(jié)束指令。指令格式：ENDi其中i=1或2，分別表示高級和低級順序程序結(jié)束指令。（2）定時器指令（TMR、TMRB）在數(shù)控機(jī)床梯形圖編制中，定時器是不可缺少的指令，用于順序程序中需要與時間建立邏輯關(guān)系的場合。功能相當(dāng)于一種通常的定時繼電器。①TMR指令設(shè)定時間可更改的定時器，指令格式如圖5-20所示，語句表如下。

RDOOO.O （條件ACT）

TMROO （定時器數(shù)據(jù)存儲單元）

WRTOOO.O （輸出地址）圖5-20TMR指令格式及語句表定時器的工作原理是：當(dāng)控制ACT=0時，定時繼電器TM斷開；當(dāng)ACT=1時，定時器開始計時，到達(dá)預(yù)定的時間后，定時繼電器TM接通。定時器設(shè)定時間的更改可通過數(shù)控系統(tǒng)（CRT/MDI）在定時器數(shù)據(jù)地址中來設(shè)定，設(shè)定值用二進(jìn)制數(shù)表示。例如有：TMR03 TM014.5s206.6則4.5s的延時數(shù)據(jù)通過手動數(shù)據(jù)輸入板（MDI）在CRT上預(yù)先設(shè)定，由系統(tǒng)存入第203號數(shù)據(jù)存儲單元。TM01即1號定時繼電器，數(shù)據(jù)位為206.6。②TMRB為設(shè)定時間固定的定時器。③譯碼指令（DEC）是數(shù)控機(jī)床在執(zhí)行加工程序中規(guī)定的M、S、T代碼信號。圖5-21DEC功能指令格式01：譯碼地址中的兩位BCD碼，高位不變，只譯低位碼。10：高位譯碼，低位不譯碼。11：兩位BCD碼均被譯碼。M30的譯碼梯形圖如圖7-22所示，語句表如下：RD 66.0AND 66.3DEC 0067PRM 3011WRT 228.1圖5-22M30LTU譯碼梯形圖圖5-23控制主軸運動的梯形圖局部HS.M 手動操作開關(guān)AS.M 自動操作開關(guān)CW.M 主軸正轉(zhuǎn)按鈕CCW.M 主軸反轉(zhuǎn)按鈕OFF.M 主軸停轉(zhuǎn)按鈕SPLGEAR 齒輪低速換檔到位行程開關(guān)SPHGEAR 齒輪高速換檔到位行程開關(guān)LEGAR 手動低速換檔到位開關(guān)HEGAR 手動高速換檔到位開關(guān)程序中應(yīng)用了譯碼和延時2個功能指令，所涉及到的M功能是：M03 主軸正轉(zhuǎn)M04 主軸反轉(zhuǎn)M05 主軸停轉(zhuǎn)M41 主軸齒輪換低速檔M42 主軸齒輪換高速檔1．主軸運動的控制2.潤滑系統(tǒng)自動控制圖5-24潤滑系統(tǒng)電氣控制原理圖圖5-25潤滑系統(tǒng)控制流程圖圖5-26潤滑系統(tǒng)的PLC控制梯形圖3．自動換刀控制圖5-27刀套編碼選刀控制圖5-28隨機(jī)換刀刀庫數(shù)據(jù)表地址數(shù)據(jù)表序號(刀套號)(BCD碼)刀具號(BCD碼)1720（00000000）12（00010010）1731（00000001）11（00010001）1742（00000010）16（00010110）1753（00000011）17（00010111）176