模块五 可编程控制器（PLC）课题一 数控机床主轴功能的程序流程知识点：可编程控制器的结构及其工作原理可编程控制器在数控机床上可实现的功能技能点：能分析PLC在机床上可实现的功能及其特点一、任务引入数控机床主轴为保证加工时的安全，将主轴转速限制在203000rmin范围，用可编程控制器进行处理，试写出可编程控制器的主轴S功能程序流程。二、任务分析数控机床的主轴速度是由可编程控制器（即PLC）控制的。什么是可编程控制器？可编程是怎样工作的？什么是S功能及其代码？可编程控制器在数控机床上有哪些应用？下面我们就先对这些问题进行讲解。三、相关知识1可编程控制器的结构可编程控制器硬件构成如图5-1所示。通用的可编程控制器，主要由中央处理单元CPU、存储器、输入输出模块以及供电电源组成，各部分通过总线连接起来由于可编程控制器实现的任务主要是动作速度要求不特别快的顺序控制，因此不需使用高速微处理器。(1)CPU可编程控制器的CPU与微机的CPU一样，是可编程控制器的核心。它按可编程控制器中系统程序赋予的功能，接受并储存从编程器输入的用户程序和数据，用扫描方式查询现场输入装置的各种信号状态和数据，并存入输入过程状态寄存器或数据寄存器中，在诊断了电源及可编程控制器内部电路工作状态和编程过程中的语法无错误后，可编程控制器进入运行。从存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路，分时、分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等功能，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务。在控制单元内还可设有标志、计时、计数等组件地址，它们直接与运算器交换数据信息，根据运算结果更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，再由输出状态寄存器的位状态和数据寄存器的有关内容实现输出控制、数据通信等功能。图5-1 可编程控制器结构内装式可编程控制器的CPU有两种用法：一种是可编程控制器装置与数控装置共用一个CPU，相对价格低，但其功能受到一定限制；另一种是专用的CPU，控制处理速度快，并能增加控制功能。为了进一步提高可编程控制器的功能，近年来采用多CPU控制，如一个CPU分管逻辑运算与专用的功能指令，另一个CPU管理输入输出模块，甚至还采用单独的CPU作为故障处理和诊断，以增加可编程控制器的工作速度及功能。(2)存储器可编程控制器的存储器一般有随机存储器RAM和只读存储器EPROM两种类型。随机存储器RAM是用于存放可编程控制器的号数设定值、定时器计数器设定值数据、保持存储器的数据以及必须保存的输入输出状态，也可用于存放用户程序。RAM中的数据由电池供电保持。只读存储器EPROM用于存储可编程控制器的系统程序，也可以固化编好调试后的用户程序。(3)输入输出模块可编程控制器的输入输出模块是可编程控制器与数控装置的输入输出接口和其他外部设备的连接部件。可编程控制器的输入输出模块可以直接连到执行件上，它将外部过程信号转换成控制器内部的信号电平，或将内部信号电平与外部执行机构所需电平匹配。由于所控对象不同，其接收的输入信号电压和控制的输出信号电压也各异，如有直流24V、交流110V或220V，因此，可编程控制器提供了各种操作电平、驱动能力以及各种功能的输入输出模块供用户选用，如输入输出电平转换、串并行转换、数据传送、数据转换、AD转换、DA转换以及其他的功能控制模块。在输入输出模块中，采用了光电隔离、消抖动回路、多级滤波器等措施，并与外界绝缘，具有抗噪声和抗干扰性能。输入输出模块都配有发光二极管指示运行状态。当一台可编程控制器输入输出点数不能满足需要时还可以扩展。（4）编程器可编程控制器通过编程器将用户程序送入可编程控制器，因此编程器是可编程控制器的主要辅件。编程器用作用户程序的编制、调试、监视、修改和编辑，并最后将程序固化在EPROM中。编程器还可通过通信接口与可编程控制器的CPU联系，用键盘去调用和显示可编程控制器的一切内部状态或参数。编程器分简易型和智能型，前者通过一个专用接口与可编程控制器连接，只能在线编程。程序以软件模块的形式输入，各程序段先在编程器的RAM区存放，然后转送到可编程控制器的存储器中，或者经调试通过后，将程序固化到EPROM中。智能型编程器既可在线编程，又可离线编程，还可以远离可编程控制器插到现场工作站的相应接口进行编程。智能型编程器有许多不同的应用程序软件包，功能齐全，适应的编程语言和方法也较多。2梯形图梯形图，即梯形逻辑图(Relay Ladder Logic，简称RLL)，是从继电器接触器控制系统的电气原理图演化而来的，是一种图形语言。它沿用了继电器的触点、线圈串并联等术语和图形符号，也增加了一些简单的计算机符号，来完成时间上的顺序控制操作。继电器和触点图形符号就是编程语言的指令符号，如常开触点“”，线圈“ (或)”。数字0，1，2，是对应元件地址编号。用梯形图编程也有它一定的要求，其编程的基本原则有以下几点。 1）梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列； 2）继电器线圈在一个程序中只能引用一次，而它的常开、常闭触点可多次引用； 3）输入、输出继电器和内部继电器的驱动方式不同； 4）计数器使用前要赋值； 5）力求编程简单，结构简化； 6）不存在几条并列支路同时运行的情况。3. PLC的工作过程与运行框图众所周知，继电器控制系统是一种“硬件逻辑系统”，如图5-2a所示，它的三条支路是并行工作的，当按下按钮SB1，中间继电器K得电，K的两个触点闭合，接触器KM1、KM2同时得电并产生动作。所以继电器控制系统采用的是并行工作方式。 图5-2 PLC控制系统与继电器控制系统的比较a）继电器控制系统简图 b）用PLC实现控制功能的接线示意图 而PLC是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，如图5-2b所示。但是CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令执行开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。PLC工作的全过程的运行框图如图5-3所示。整个过程可分为三部分。图5-3 PLC工作的全过程的运行框图 第一部分是上电处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。 第二部分是扫描过程。PLC上电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。 第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、IO和通信等是否异常或出错。如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码；当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描便停止。PLC运行正常时，扫描周期的长短与CPU的运算速度、与IO点的情况、与用户应用程序的长短及编程情况等有关。通常用PLC执行1 KB指令所需时间来说明其扫描速度(一般110 msKB)。对不同指令其执行时间是不同的，从零点几s到上百s不等，故选用不同指令所用的扫描时间也会不同。若要缩短扫描周期时，可从软硬件上同时考虑。4主轴功能主轴的转速功能用S代码表示。可编程控制器控制机床的主轴转速S功能有两种形式：S二位代码和S四位代码。如用S二位代码控制时，要找到S代码所对应的主轴转速，再去控制主轴转速；通过可编程控制器处理时经过电平转换、译码、数据转换、限位控制和DA转换后输出给主轴电动机伺服系统；其中限位控制是当s代码对应的转速大于规定的最高转速时，限定在最高转速。如用S四位代码，可直接指定主轴转速；有时数控系统中为了提高主轴转速的稳定性，保证低速时的切削力，主轴传动系统中有机械变速，并可通过辅助功能M代码来进行换档选择。四、任务实施当可编程控制器控制机床的主轴转速S代码为四位代码时，根据对主轴速度的安全要求（将其限制在203000rmin范围），以给定值为上下界限，并取相应界限值作为输出结果。具有主轴功能要求的可编程控制器的s功能程序流程如图5-4所示。图5-4 s功能程序流程五、知识链接数控机床的数控系统不仅要对各进给轴运动进行控制，还要对许多辅助动作进行控制，如主轴的起动、停止和转速的变化，刀库按程序要求实现换刀，液压、润滑、冷却、排屑装置、工件的装夹及行程极限保护、过载保护等许多开关量的控制。由于机床上控制对象很多，各种运动或动作相互之间有很多互锁关系或严格的逻辑关系，早年的机床采用继电器逻辑控制电路控制，电路复杂，其可靠性很低。现在，这些辅助动作控制均由可编程控制器来完成。因此可编程控制器(PLC)是处于数控装置和“机床侧”之间的桥梁，这里的“机床侧”包括机床机械本体，气动、液压、冷却和润滑等装置，机床操作面板、机床强电驱动系统和排屑器等辅助装置。1可编程控制器的类型用于数控机床的PLC一般分为两类：一类是CNC的生产厂家为实现数控机床的顺序控制而将CNC和PLC综合起来设计，PLC是CNC的一部分，其中的PLC称为内装型(或集成型)PLC；另一类是以独立专业化的PLC生产厂家的产品来实现顺序控制系统，这种类型的PLC称为独立型(或外装型)PLC。 图5-5 内装型PLC与CNC和MT(机床侧)的接口(1) 内装型PLC内装型PLC与CNC间的信息传送在CNC内部实现，PLC与机床(Machine Tool，简称MT)间信息的传送则通过CNC的输入输出接口电路来实现。一般这种类型的PLC不能独立工作，它只是CNC向PLC功能的扩展，两者是不能分离的。由于PLC和CNC间没有多余的连线，且PLC上的信息能通过CNC显示器显示，PLC的编程更为方便，而且故障诊断功能和系统的可靠性也有提高。PLC与MT(机床侧)则通过CNC输入输出接口电路实现信号传送，如图5-5所示。内装型PLC特点有以下几点。内装型PLC的性能指标(如输入输出点数、程序最大步数、每步执行时间、程序扫描时间、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，PLC所具有的功能针对性强，技术指标较合理、实用，较适用于单台数控机床及加工中心等场合。在系统的结构上，内装型PLC可与CNC共用CPU，也可单独使用一个CPU；内装型PLC一般单独制成一块附加板，插装到CNC主板的插座上，不单独配备IO接口，而是使用CNC系统本身的IO接口；PLC控制部分及部分IO电路所用电源(一般是输人口电源，而输出口电源是另配的)由CNC装置提供，不另备电源。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等。(2)独立型PLC独立型PIC与CNC机床的关系如图5-6所示。独立型PLC有以下几点特点。根据数控机床对控制功能的要求，可以灵活地选购或自行开发通用型PLC。一