第六章第六章PLC与接口技术与接口技术 可编程控制器是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。经过三十多年的发展，在工业生产中获得极其广泛的应用。 在数控机床上，PLC也已成为一种应用最多的、基本的控制装置，对于车削中心、加工中心、FMC、FMS等机械运动复杂、自动化程度高的加工设备和生产制造系统，PLC更是一种不可或缺的控制装置。本章主要介绍PLC的功能、特点、原理、编程以及在数控机床中的应用。6.1 PLC的结构与原理 本节主要介绍PLC的特点、功能、定义、结构及工作原理等基本概念 6.1.1PLC的特点和主要功能 （一）PLC的特点1、可靠性高，抗干扰能力强可编程控制器用软元件代替实际的继电器与接触器，仅有与输入输出有关的少量硬件，接线只有“继电器接触器”控制的十分之一到百分之一，故障几率也就大为减少。 2、编程简单易学梯形图是使用得最多的可编程序控制器编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图基本相似。梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员不需专门培训就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。3、功能完善，适应性强 可编程序控制器产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部电路。 针对不同的工业现场信号，如交流与直流、开关量与模拟量、电流与电压、脉冲与电位等，PLC都有相应的I/O接口模块与工业现场设备直接连接，用户可根据需要，非常方便地进行配置，组成实用、紧凑的控制系统。可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。可编程序控制器的梯形图程序一般采用顺序设计法，这种编程方法很有规律，很容易掌握。 4、使用简单，调试维修方便可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过可编程序控制器上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间大为减少。 可编程序控制器的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。可编程序控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程序控制器上的发光二极管或编程器提供的信息，可迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法迅速地排除故障。5、体积小，重量轻，功耗低对于复杂的控制系统，使用可编程序控制器后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型可编程序控制器的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的二分之一到十分之一，重量也大为降低。 （二）PLC的主要功能1、开关量控制可编程序控制器具有“与”、“或”、“非”等逻辑功能，可以实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。 2、模拟量控制很多PLC都具有模拟量处理功能，通过模拟量I/O模块可对温度、压力、速度、流量等连续变化的信号进行控制。某些PLC还具有PID闭环控制功能，这一功能可以用PID子程序或专用的PID模块来实现。 3、运动控制可编程序控制器使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可实现单轴、双轴、三轴和多轴位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。 4、数据处理现代的可编程序控制器具有数学运算（包括四则运算、矩阵运算、函数运算、逻辑运算等）、数据传送、比较、转换、排序、查表等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。 5、通信联网可编程序控制器的通信包括主机与远程I/0设备之间的通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。 1、PLC的定义早期的可编程控制器主要是用来替代“继电器接触器”控制系统的，因此功能较为简单，只进行简单的开关量逻辑控制，称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。20世纪70年代 “PC是一种数字式的电子装置，它使用可编程序的存储器以及存储指令，能够完成逻辑、顺序、定时、计数及算术运算等功能，并通过数字或模拟的输入、输出接口控制各种机械或生产过程”。 1987年2月，国际电工委员会（International Electro technical Commission，即IEC）定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，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、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制器系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计”。 6.1.2PLC的定义、结构和组成 2、PLC的结构和组成（1）PLC的硬件结构PLC主要由CPU、存储器、电源、输入单元、输出单元、编程器及其他外部设备组成。 图6-1PLC的硬件结构 CPU与通用计算机一样，CPU是PLC的核心部件，在PLC控制系统中的作用类似于人体的神经中枢，整个PLC的工作过程都是在CPU的统一指挥和协调下进行的。它不断地采集输入信号，执行用户程序，然后刷新系统的输出。PLC常用的CPU有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。 存储器PLC配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器存放系统程序，用户存储器存放用户编制的控制程序。 电源PLC配有开关式稳压电源的电源模块，用来将外部供电电源转换成供PLC内部CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需的直流电源。PLC还配有锂电池作为后备电源。 输入/输出单元实际生产过程中产生的输入信号多种多样，信号电平也各不相同，而PLC所能处理的信号只能是标准电平，因此必须通过输入单元将这些信号转换成CPU能够接收和处理的标准信号。 外部执行元件如电磁阀、接触器、继电器等所需的控制信号电平也千差万别，也必须通过输出模块将CPU输出的标准电平信号转换成这些执行元件所能接收的控制信号。 编程器编程器是PLC的最重要的外围设备，它不仅可以写入用户程序，还可以对用户程序进行检查、调试和修改，还可以在线监视PLC的工作状态。 目前很多PLC都可利用微型计算机作为编程工具，只要配上相应的硬件接口和软件，就可以用包括梯形图在内的多种编程语言进行编程，同时还具有很强的监控功能。 I/O扩展单元I/O扩展单元用来扩展输入、输出点数。 数据通信接口PLC系统可实现各种标准的数据通信或网络接口，以实现PLC与PLC之间的链接，或者实现PLC与其他具有标准通信接口的设备之间的连接。通过各种专用通信接口，可将PLC接入工业以太网、PROFIBUS总线等各种工业自动控制网络。 （2）PLC的软件系统硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，它们相辅相成，缺一不可。没有软件的PLC系统称为裸机系统，不起任何作用。 系统程序系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC生产厂家提供，用于控制PLC本身的运行。系统程序固化在EPROM存储器中。系统程序可分为管理程序、编译程序、标准程序模块和系统调用三部分。 管理程序是系统程序中最重要的部分，PLC整个系统的运行都由它控制。 编译程序用来把梯形图、语句表等编程语言翻译成PLC能够识别的机器语言。 用户程序用户程序就是由用户根据控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序，以实现所需的控制目的，用户程序存储在系统程序指定的存储区内。 6.1.3PLC的工作原理 而PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式“扫描技术”。 扫描工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期，在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 1、输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入存储器中的相应单元（通常称作I/O映象区）内。 2、用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序。在扫描每一条程序时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该线圈在I/O映象区或系统存储区中对应位的状态。 3、输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出线圈，再经输出电路驱动相应的外部设备，即真正意义上的PLC输出。 4、扫描周期的计算一般来说，PLC的扫描周期还包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊断、 通讯、输入采样、用户程序执行和输出刷新等所有时间的总和。5、PLC的I/O响应时间PLC的I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢得多。其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。 为提高I/O响应速度，现在的PLC均采取了一定的措施。在硬件方面，选用了快速响应模块、高速计数模块等新型模块。在软件方面，则采用了中断技术、改变信息刷新方式、调整输入滤波器等措施。 6.2PLC的指令系统的指令系统 本节主要介绍PLC的编程语言、基本指令和编程方法，以进行用户程序的编制。 6.2.1PLC常用的编程语言 IEC（国际电工委员会）于1994年5月公布了可编程控制器标准（IEC1131），它由通用信息、设备与测试要求、编程语言、用户指南和通信等五部分组成，其中的第三部分（IEC11313）是可编程控制器的编程语言标准。IEC11313标准提供了五种编程语言，它们分别为SFC（Sequential Function Chart，即顺序功能图或流程图）、LD（Ladder Diagram，即梯形图）、FBD（Function Block Diagram）、IL（Instruction List，即指令表、语句表或者叫做助记符）、ST（Structured Text，即结构文本），下面对FX系列PLC中的常用的LD、IL、SFC做一简单介绍。 （一）梯形图（LD）梯形图是应用最多的可编程控制器图形编程语言，因为它与继电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被熟悉工厂继电器控制系统的电气人员所掌握。图6-2所示为继电器电路图与梯形图对比。梯形图特别适用于开关量逻辑控制，由触点、线圈和用方框表示的功能块组成。 图中的X0表示常开触点，X1表示常闭触点。线圈代表逻辑输出结果，用来控制外部的指示灯、交流接触器及内部的输出条件等，上图中的圆圈Y0即代表线圈。 梯形图的编写规则主要有： （1）梯形图按行从上至下编写，每一行从左至右顺序编写。（2）每一逻辑行必须从起始母线画起，结束于终止母线。如图6-2所示。（3）梯形图中的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联，不能串联。（4）梯形图的最右侧必须连接输出元素。如图6-2中的线圈Y0。指令表（又称助记符、语句表）是PLC的语句表达式。用梯形图编程虽然直观，但要求配置在的显示器上方可输入图形符号，这在小型PLC上很难满足，一般常借助于指令表输入。 （二）指令表（IL）编程时，先根据系统要求编制梯形图，然后再将其转换成指令表，再利用编程器将其输入到PLC。应该说明的是，不同型号的PLC，其指令表是不同的，当然其基本原理没有太大的区别。 （三）流程图（SFC）流程图又称顺序功能图，是一种描述顺序控制功能的图形表示法，主要由“步”、“转移”和“有向线段”等元素组成。下图最简单的流程图示例，图中，1、2、3为步，其中1为起始步。A、B、C为转移，表示“步”与“步”之间切换的条件。 流程图的编写必须遵循以下规则：（1）步与步不能相连，必须用转移分开。（2）转移与转移不能相连，必须用步分开。（3）步与转移之间的连接采用有向线段，从上向下画时可以省略箭头。有向线段从下向上画时，必须画上箭头，以表示方向。（4）一个流程图至少要有一个起始步。 123ABC6.2.2FX系列PLC中使用的各种元器件 PLC中的元器件在使用时都必须用编号来加以识别，每个编程元件（软器件）的编码由字母和数字两部分组成。 X表示输入继电器、Y表示输出继电器、M表示中间继电器（辅助继电器）、S表示状态继电器、T表示定时器、C表示计数器、D表示数据寄存器。数字则表示该类器件的序号，输入继电器和输出继电器的序号采用八进制，其他器件的序号则采用十进制。 （一）输入继电器(X)位置在输入映象寄存器中输入继电器的编号与接线端子的编号一致，线圈的吸合与释放只取决于PLC输入端子所连外部设备的状态，即由外部信号来驱动，不能用程序驱动。 FX系列PLC输入继电器的编号范围为X0X177（八进制，共128点）。 （二）输出继电器（Y）在输出映象寄存器中PLC的输出继电器是向外部负载输出信号的窗口，其输出触点（主触点）接到PLC的输出端子上，其常开/常闭触点可供内部PLC程序使用，且使用次数不限。如果PLC控制系统没有扩展单元，留给扩展口的输出继电器就没有输出端子来外接，其线圈和内部触点可供PLC程序使用，用法同中间继电器。PLC的输出形式主要有继电器接点输出、晶体管输出和晶闸管输出三种形式，以适应不同负载的需要。 FX系列PLC输出继电器的编号范围为Y0Y177（八进制，共128点）。 在逻辑运算中经常需要一些中间继电器，这些继电器并不直接驱动外部负载，只起到中间状态的暂存作用。FX系列PLC的辅助继电器共有三种：1、通用型辅助继电器其编号范围为M0M499，共计500点。 2、带掉电保护的通用型辅助继电器其编号范围为M500M1023，共计524点。掉电保护是指在PLC外部电源停电后，由机内电池为某些特殊工作单元供电，以记忆它们在掉电前的状态。 3、特殊辅助继电器其编号范围为M8000M8255，共计256点。 （三）辅助继电器（M） 特殊辅助继电器是具有特定功能的辅助继电器，根据使用方式可分为两类。 一种是只能利用其触点的特殊辅助继电器，其线圈由PLC自行驱动，用户只能利用其触点。 M8000：运行标志(RUN)，PLC运行时监接通。M8002：初始脉冲，只在PLC开始运行的第一个扫描周期接通。M8012：100ms时钟脉冲。 另一种是可驱动线圈型特殊辅助继电器，用户驱动线圈后，PLC做特定动作。 M8033：PLC停止时，输出保持。M8034：禁止全部输出。M8039：定时扫描方式。（四）状态寄存器（S） 状态寄存器是一个很重要的状态元件，它与步进指令组合使用，可以用于流程图程序的编制。若不与步进指令组合使用，可作为普通辅助继电器使用，且具有掉电保持功能。其常开、常闭触点在PLC内部可以自由使用，使用次数不限。状态寄存器共有1000点，用作流程图（SFC）的状态元件时，其定义如下：初始状态： S0S9 10点 用作SFC的初始状态。返回状态： S10S19 10点 多种运行模式中，用作返回原点的状态。一般状态： S20S499 480点 用作SFC的中间状态。掉电保持状态： S500S899 400点 用于停电恢复后需要保持的场合。信号报警状态： S900S999 100点 作报警元件使用。（五）定时器（T）定时器相当于继电器电路中的时间继电器，可在程序中用作延时控制。FX系列PLC定时器共有256点，分为普通定时器和积算定时器两种，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms三种， 输入/输出单元实际生产过程中产生的输入信号多种多样，信号电平也各不相同，而PLC所能处理的信号只能是标准电平，因此必须通过输入单元将这些信号转换成CPU能够接收和处理的标准信号。 外部执行元件如电磁阀、接触器、继电器等所需的控制信号电平也千差万别，也必须通过输出模块将CPU输出的标准电平信号转换成这些执行元件所能接收的控制信号。 编程器编程器是PLC的最重要的外围设备，它不仅可以写入用户程序，还可以对用户程序进行检查、调试和修改，还可以在线监视PLC的工作状态。 目前很多PLC都可利用微型计算机作为编程工具，只要配上相应的硬件接口和软件，就可以用包括梯形图在内的多种编程语言进行编程，同时还具有很强的监控功能。 I/O扩展单元I/O扩展单元用来扩展输入、输出点数。 数据通信接口PLC系统可实现各种标准的数据通信或网络接口，以实现PLC与PLC之间的链接，或者实现PLC与其他具有标准通信接口的设备之间的连接。通过各种专用通信接口，可将PLC接入工业以太网、PROFIBUS总线等各种工业自动控制网络。 100ms定时器： T0T199 200点 定时范围：0.13276.7s。10ms定时器： T200T245 46点 定时范围：0.01327.67s。1ms积算定时器： T246T249 4点 定时范围：0.00132.767s。100ms积算定时器： T250T255 6点 定时范围：0.13276.7s。 （六）计数器（C）计数器在程序中用作计数控制。FX系列PLC计数器可分为内部计数器及外部计数器，内部计数器对PLC内部器件（X、Y、M、S、T和C）的信号进行计数，外部计数器对外部信号进行计数。机内信号的频率低于扫描频率，因而是低速计数器，高于机器扫描频率的信号计数需用高速计数器。 1、16位增计数器增计数器的含义为每接到一个脉冲，计数器加一，到达设定值后动作，其触点状态反转。16位指其设定值及当前值寄存器为二进制16位寄存器，其设定值在K1K32767范围内有效。FX系列PLC有两种16位二进制增计数器： 通用型： C0C99 100点。掉电保持型： C100C199 100点。 2、32位增/减计数器32位指其设定值寄存器为32位，由于是双向计数，除去一个符号位，设定值的最大绝对值为31位二进制数所能表示的数，即21474836482147483647。计数方向(增计数或减计数)由特殊辅助继电器M8200M8234设定。对于C，当M8接通(置1)时为减法计数，当M8断开（置0）时为加法计数。 通用型： C200C219 20点。 掉电保持型： C220C234 15点。 3、高速计数器高速计数器共有21点，地址编号为C235C255。但由于适用高速计数器的PLC输入端子只有X0X5等6点，最多只能有6个高速计数器同时工作。 （七）数据寄存器（D）FX系列PLC的数据寄存器均为16位，最高位为符号位，当然也可以将两个相邻寄存器合并起来作为32位寄存器，最高位仍为符号位。当作16位寄存器使用时，其数值范围为3276832767，用作32位寄存器时，其数值范围为21474836482147483647。 FX系列PLC数据寄存器的地址分配如下：普通数据寄存器： D0D199 200点 用作普通数据的存储。掉电保持寄存器： D200D511 312点 具有掉电保持功能。特殊数据寄存器： D8000D8255 256点 用于监控PLC的运行状态。文件数据寄存器： D1000D2999 2000点 用于存储大量数据。 （八）变址寄存器（V/Z）变址寄存器通常用来修改器件的地址编号，存放在它里面的数据为一个增量，能够被变址寄存器修正的元件包括X、Y、M、S、T、C、D等。变址寄存器由两个16位的数据寄存器V和Z组成，它们可以像其他数据寄存器一样进行数据的读写。进行32位操作时，将V、Z合并使用，V寄存器为高16位，Z寄存器为低16位。 变址寄存器的使用方法如下例：MOV D5V Dl0Z其中MOV为数据传递指令，用于将某一单元的内容传递到另一单元。上例中，如果V=8、Z=14，则D5V指的是D13数据寄存器（5813），D10Z指的是D24数据寄存器（101424），执行该指令的结果是将数据寄存器D13中的内容传送到数据寄存器D24中。 第六章第六章6.2.3FX系列系列PLC的基本指令及编程方法的基本指令及编程方法 （一）PLC的基本指令FX系列PLC共有基本指令20条，步进指令2条，应用指令85条。基本指令和应用指令可通过增加后缀或前缀进行扩充，若考虑此种情况，则实际基本指令有27条，应用指令有245条。下面主要介绍PLC的基本指令及编程方法。1、逻辑取、输出线圈驱动指令（LD、LDI、OUT）几点说明：（1）LD、LDI指令用于将触点连接到母线上，逻辑运算开始，连接触点可以是X、Y、M、S、T、C继电器的触点。与ANB指令配合，在分支起点处也可使用。（2）OUT指令是对Y、M、S、T、C继电器线圈的驱动指令。（3）并行输出指令可以多次使用。（4）LD、LDI指令的程序步数为1步。OUT指令的程序步数与输出元件有关，若为输出继电器及通用辅助继电器，其步数为1；若为特殊辅助继电器，其步数为2；若为定时器及16位计数器，其步数为3；若为32位计数器，其步数为5。（5）对定时器的定时线圈和计数器的计数线圈，在OUT指令后还必须设定常数K，其数值范围如表6-2。符号名称功能梯形图程序步数LD取运算开始（常开触点）1LDI取反运算开始（常闭触点）1OUT输出线圈驱动输出见说明举例图6-3 LD、LDI、OUT指令应用 举例如图6-3所示，说明LD、LDI、OUT三个指令的应用。步数指令操作对象0LDX0001OUTY0002LDIX0013OUTM1004OUTT0 K207LDT0 8OUTY0012、触点串联指令（AND、ANI）AND与 串联常开触点 程序步数 1ANI与非 串联常闭触点 程序步数 1几点说明：（1）AND、ANI指令用于触点的串联连接，对串联触点的个数没有限制。（2）OUT指令后可以通过触点对其他线圈驱动输出，称作纵接输出，纵接输出也可以重复使用。 下面举一个例子，如图6-4所示，说明AND、ANI两个指令的应用。步数指令操作对象0LDX000 1ANIX001 2OUTT2K50 5LDX002 6ANDX003 7OUTY000 8ANDT2 9OUTY0013、触点并联指令（OR、ORI）几点说明：（1）OR、ORI指令用于1个触点的并联连接。当串联两个以上触点，并将这种串联电路块与其他电路并联时，应采用后面讲到的ORB指令。（2）OR、ORI指令是从当前步开始，对前面的LD、LDI指令并联连接，对并联的次数没有限制。并联常开触点 程序步数1 ORI或非 并联常闭触点 OR或 程序步数1步数指令操作对象0LDX0001ORIX0012OUTY0003LDIX0024ANDX0035ORM0006ANDX0047ORIX005 8OUTM000例子 :4、电路块串、并联指令（ANB、ORB）ORB电路块或 串联电路块的并联连接 程序步数1ANB电路块与 并联电路块的串联连接 程序步数1几点说明：（1）2个以上触点串联连接的电路称为串联电路块。串联电路块并联连接时，分支的开始用LD、LDI指令，分支的结束用ORB指令。（2）2个以上触点并联连接的电路称为并联电路块。分支电路并联电路块与前面电路串联连接时，使用ANB指令。分支的开始用LD、LDI指令，并联电路块结束后用ANB指令，表示与前面的电路串联。（3）ORB、ANB均为无操作对象的指令。（4）ORB、ANB指令可以重复使用，但由于LD、LDI指令的重复次数有限制，注意电路块的串、并联应在8次以下。 例子 : 0LDX0001ORI X0032LDX0013AND X0024LDX0045AND X0056ORB7ORI X006 8ANB9ORI X00710 OUTY000步数指令操作对象 几点说明：（1）在PLC中有11个存储器，用来存储运算的中间结果，称作堆栈存储器。（2）使用一次MPS指令，便将此时的运算结果压入堆栈的第一层，同时原来存在第一层的数据被压入第二层，依次类推。（3）使用一次MPP指令，将第一层的数据读出，同时其他数据依次上移。（4）MRD指令只是用来读第一层的数据，堆栈内的所有数据均不移动。（5）MPS、MPP必须成对使用，而且连续使用次数应少于11次。（6）MPS、MPP、MRD都是不带操作对象的指令。5、多重输出指令（MPS、MRD、MPP） 指令的功能、梯形图 :符号名称功能梯形图程序步数MPS入栈将结果压入堆栈1MPP出栈将结果弹出堆栈1MRD读栈读出当前堆栈数据1例子 : 步数指令对象步数指令对象0LD X000 10OUTY002 1MPS 11MRD2AND X001 12ANDX0053OUT Y000 13OUTY0034MPP 14MRDX0065AND X002 15ANDX0066OUT Y001 16OUTY0047LD X003 17MPP 8MPS 18ANDX0079AND X004 19OUTY005指令的功能、梯形图 :6、置位与复位指令（SET、RST） 符号名称功能梯形图程序步数SET置位元件置位并保持Y、M（通用）：1S、T、C、M（特殊）：2D、V、Z：3RST复位元件或寄存器清零几点说明： 对同一元件可多次使用SET、RST指令，但最后一次执行的结果才有效。 SET指令使元件的结果置位（置“1”），其操作对象可以是Y、M、S。 RST指令使元件的结果复位（清“0”），其操作对象可以是Y、M、S、T、C、D、V、Z。例子 : 步数指令操作对象0LDX0001RST Y0002LDX0013SET M1004LDX0025RST D0506LDX0037RST T1507、脉冲输出指令（PLS、PLF）指令的功能、梯形图 :符号名称功能梯形图程序步数PLS上升沿脉冲上升沿微分输出2PLF下降沿脉冲下降沿微分输出2几点说明：（1）PLS、PLF指令的操作元件为输出继电器及通用辅助继电器。（2）使用PLS指令，其后的Y、M元件仅在驱动输入接通后的个扫描周期内动作（置1），随后立即清零。（3）使用PLF指令，其后的Y、M元件仅在驱动输入断开后的个扫描周期内动作（置1），随后立即清零。 步数指令操作对象0LDX0001PLS M0003LDM0004SET Y000 5LDX0016PLF M001 8LDM001 9 RST Y0008、NOP及END指令指令的功能、梯形图见表6-9。 符号名称功能梯形图程序步数NOP空操作无动作无1END结束程序结束，回到第0步1几点说明：（1）NOP指令主要用于预先插入程序中，在修改或追加程序时可减少步序号的变化。（2）将程序全部清除时，全部指令变为空操作指令。（3）END指令表示程序的结束。在调试程序时，可分段加入END指令，以便进行分段检查。 9、其它基本指令（1）9个基本指令MC、MCR指令：主控及主控复位指令，可用于公共串联触点的连接及清除。INV指令：反转指令，即对前面的运算结果取反。LDP、LDF、ANDP、ANDF、ORP、ORF指令：分别由LD、AND、OR三个指令加后缀而来，其中P表示上升沿（“0”变为“1”），F表示下降沿（“1”变为“0”），这几个指令分别表示在前面结果的上升沿或下降沿接通一个扫描周期。（2）步进指令步进指令只有STL、RET两条，用来进行流程图程序的编制。步进阶梯指令（STL）是利用内部软元件S在顺控程序上面进行工序步进式控制的指令，STL指令的意义为激活某状态，有建立子母线的功能。返回指令（RET）表示状态（S）流程的结束，用于返回主母线，状态转移程序的结尾必须使用RET指令。 （3）应用指令 应用指令又称功能指令，主要包括程序流向控制指令、传送与比较信令、算术与逻辑运算指令、循环与移位指令、数据处理指令、高速处理指令、方便指令、外部输入输出处理指令、外部设备指通、浮点运算指令等方面。这些功能指令实际上就是一个一个功能不同的子程序，某些复杂运算只需一条功能指令即可完成，大大提高了PLC的实用性。 第六章第六章6.3数控机床的数控机床的PLC本节主要介绍PLC在数控机床中的应用，它主要用来控制什么对象，以及数控机床的PLC的形式等内容。 6.3.1数控机床的PLC的控制对象 数控机床的结构简图 一般在讨论PLC时，常把数控机床分为CNC（Computer Numerical Control，数控装置）侧和MT（Machine Tool，机床）侧，PLC位于CNC侧和机床侧之间，对CNC装置和机床的输入输出信号进行处理。CNC侧包括CNC装置软件和硬件以及与CNC装置相连的其他外部设备。机床侧包括机床机械部分与液压、气动、冷却、润滑、排屑等辅助装置，以及机床操作面板、继电器控制线路、机床强电线路等。 PLC与CNC装置之间的信息交换，包括由CNC发送给PLC各种功能代码（M、S、T）的信息，PLC发送给CNC的主要是CNC装置各坐标轴的机床基准点，以及M、S、T功能的应答信号等。PLC向机床传递的信息，主要是控制机床执行元件（如电磁阀、接触器、继电器等）的信息，以及机床各运动部件状态的信号和故障信号。机床给PLC的信息，主要是机床操作面板及床身上各开关、按钮的信息，其中包括机床起动与停止、机构变速选择、主轴正反转和停止、冷却液的开与关、各坐标轴的点动、刀架夹盘的夹紧与松开等信号，以及上述各部件的限位开关等保护信号，主轴伺服保护状态监视信号和伺服系统运行准备信号等。 6.3.2数控机床的PLC的形式 数控机床上使用的PLC可以分成两类，一类是CNC生产厂家为实现数控机床的顺序动作控制，而将CNC和PLC综合起来设计，称为内装型（Built-in Type）PLC 另一种是以独立专业化的PLC生产厂家的产品，实现数控机床的顺序控制功能，称为独立型（Stand-alone Type）PLC。 （一）内装型PLC这种类型的PLC不能独立工作，只是CNC向PLC功能的扩展，两者不能分离。内装型PLC与CNC之间的信息传送在CNC内部进行，PLC与机床之间信息传送通过CNC的输入/输出接口电路实现。 1.具有内装型PLC的数控机床组成见图 2.内装型PLC具有以下特点：(1)内装型PLC实际上是CNC装置附加的功能，一般作为基本或可选择的功能提供给用户。 (2)内装型PLC的性能指标是根据CNC系统及机床的规格确定的，其硬件和软件被作为CNC系统的基本或附加功能而与CNC系统一起统一设计和制造的。系统的整体结构合理，PLC的功能针对性强，尤其适用于单机数控设备。(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，以及在CNC内部直接处理大量信息等。（二）独立型PLC(3)在系统的具体结构上，内装型PLC可与CNC共用CPU，也可以单独使用一个CPU。硬件控制电路可与CNC其它电路制作在同一块印刷板上，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一般不单独配置输入/输出接口电路，而是使用CNC系统本身的输入/输出电路。PLC所用电源由CNC装置提供，不需另备电源。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。 （1）独立型PLC具有独立的功能结构，具有独立的CPU及其控制电路、程序存储器、输入/输出接口电路、通信接口和电源，具有独立的软件系统。（2）独立型PLC一般采用积木式模块结构或插板式结构，各功能电路多做成独立的模块或印刷电路插板，具有安装方便，功能易于扩展和变更等优点。 （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。 （4）专门用于FMS（Flexible Manufacture System）、FA（Factory Automation）而开发的独立型PLC具有强大的数据处理、通信和诊断功能，可用作“单元控制器”，是现代化生产制造系统重要的控制装置，当然也可以用于单机控制。独立型PLC具有如下特点：独立型PLC的数控机床 6.4输入输出及其通信接口6.4.1数控系统对输入输出接口的要求 数控系统的接口是指外部设备与CNC之间的连接电路。CNC与外部设备之间要有输入输出通道，以便交换信息。CNC向外部设备送出信息的接口称为输出接口，外部设备向CNC传递信息的接口称为输入接口，此外还有双向接口。 I/O接口包括硬件电路和软件两部分，I/O硬件接口电路主要由地址译码、I/O读写译码和I/O接口芯片（如数据缓冲器和数据锁存器等）组成。 对接口电路的要求有： （1）能够可靠地传送控制机床动作的相应控制信息，并能够输入控制机床所需的有关状态信息。信息形式有数字量（以8位二进制形式表示的数字信息）、开关量（以1位二进制数“0”或“1”表示的信息）和模拟量三种。（2）能够进行相应的信息转换，以满足CNC系统的输入与输出要求。输入时必须将机床的有关状态信息转换成数字形式，以满足计算机的输入信息要求，输出时应满足机床各种有关执行元件的输入要求。 （3）具有较强的抗干扰能力，提高系统的可靠性。工业现场中存在大量的干扰信号，会对CNC系统造成一定的影响。要求I/O接口具有较强的抗干扰能力，以提高整个系统的可靠性。 6.5.2CNC装置的人机接口 MDI接口框图如图6-20所示。当CNC系统的CPU扫描到有键按下的信号时，就将数据送入移位寄存器，其输出经过报警检查。若不报警，数据经选择门、移位寄存器、数据总线送入RAM中，然后再按程序进行相应的处理。CNC装置的人机接口主要是指MDI/CRT。MDI是指手动数据输入设备，也就是键盘输入装置，用于控制机床的状态及输入程序。CRT是指显示器，用于显示机床的运行参数及状态。 图6-20MDI接口框图（二）CRT接口CRT接口框图如图6-21所示。CRT接口在CNC软件的配合下，在单色或彩色显示器实现字符和图形显示，用于显示程序、参数、各种补偿数据、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形（平面或立体）及刀具动态轨迹等。图6-21CRT接口框图6.5.3数控系统的I/O接口 对CNC装置而言，由MT侧向CNC传送的信号称为输入信号，由CNC侧向MT侧传送的信号称为输出信号。（一）输入信号典型的直流输入信号接口如图6-22a所示，图中RV表示信号接收器。RV可以是无隔离的滤波和电平转换电路，也可以是光电耦合转换电路。直流输入信号是机床侧的开关、按钮、继电器触点、检测传感器等采集的闭合/断开状态信号。这些状态信号需经上述接口电路处理，才能变成PLC或CNC能够接受的信号。图6-22输入接口 典型的直流输出信号接口电路如图6-23a所示。图中DV为信号驱动器。直流输出信号是来自CNC或PLC，经驱动电路送至MT侧以驱动继电器线圈、指示灯等信号。 （二）输出信号图6-23b和(c)是负载分别为指示灯和继电器线圈的典型信号输出电路。当CNC有信号输出时，DV基极为高电平，晶体管导通。此时输出信号状态为“1”，电流将流过指示灯或继电器线圈，使指示灯亮或继电器动作。当CNC无输出时，基极为低电平，晶体管不导通，输出信号状态为“0”，不能驱动负载。在输出电路中需要注意对驱动电路和负载器件的保护。当被驱动的负载是电磁开关、电磁离合器、电磁阀线圈等交流负载，或虽是直流负载，但工作电压或工作电流超过输出信号的工作范围时，应先用输出信号驱动小型继电器，然后用它们的触点接通强电线路的继电器或直接驱动这些负载，如图6-23d所示。图6-23输出接口 6.5.4数控系统常用的串行通信接口标准 数控系统常用的串行通信接口主要有RS232C、RS422A、RS485等三种。 其中RS232C常用于数控系统与计算机的连接，RS422A和RS485则用于数控系统与网络及外围设备的连接。 （一）RS232C标准 RS232C是EIA（Electronic Industries Association，即美国电子工业协会）于1962年公布的一种标准化接口。其中RS为英文Recommended Standard（推荐标准）的缩写，232是标识符，C表示此接口标准的修改次数。RS232C既是一种协议标准，又是一种电气标准，它规定了通信设备之间信息交换的方式与功能。 在电气性能上，RS232C采用负逻辑，规定逻辑“1”电平在5V15V范围内，逻辑“0”电平在5V15V范围内，具有较强的抗干扰能力。在机械性能方面，RS232C采用标准的25针连接器，也可以简化为9针，其外形大家应该在计算机的机箱后面见过。实际使用时，25个引脚并未全部定义，最简单的通信只需3根线，最多也只用到22根。根据使用情况的不同，连接器有做成25针的，也有做成9针的。 在通信距离较近，且通信速度要求不高的场合，可以直接采用RS232C接口，既简单又方便，一般的计算机均带有RS232C接口。但由于RS232C接口采用单端发送、单端接收的方式，最大通信距离只有15m，最高传输速率为20Kbps（波特率，串行通信速度单位），只能进行一对一通信，所以它也有数据通信速率低、通信距离短、抗共模干扰能力差的缺点。 6.5.4数控系统常用的串行通信接口标准数控系统常用的串行通信接口标准 （二）RS422A标准1977年，EIA又制定了串行通信标准RS499，对RS232C的电气性能作了改进，RS422就是RS499的子集。它定义了RS232C所没有的10种电路功能，规定采用37脚连接器。 它采用差动发送、差动接收的工作方式，发送器与接收器仅使用5V电源，在通信速率、通信距离、抗共模干扰等方面均有较大的提高。 RS422A的最大传输速率可达10Mbps，对应的通信距离为12m；当通信速率降至100Kbps时，最大传输距离可达1200m。在接收方面，一台发送器可以连接10台接收器，克服了一对一通信所带设备少、不易构成网络的缺点。（三）RS485标准RS485接口实际上是RS422A接口的变形，它与RS422A的不同在于RS422A为全双工，而RS485为半双工。RS422A采用两对平衡差动信号线，分别用于发送和接收。 RS484只有一对平衡差动信号线，不能同时发送和接收。正是由于RS485只有一对平衡差动信号线，最少只需两根线就可以完成信号的发送与接收任务。又由于RS485接口的抗干扰性好，在工业现场，用一根双绞线就可进行通信网络的连接，大大简化了布线工艺。 使用RS485通信接口和双绞线可构成串行通信网络，构成分布式系统，系统中最多可有32个子站，新的接口器件可允许连接128个站。正因为如此，RS485接口在工业现场得到了广泛的应用。 6.5.5DNC通信接口技术 DNC系统计算机群控系统，可以简单理解为用一台大型通用计算机直接控制一群机床。根据机床群与计算机联接方式的不同，可以分为间接型、直接型和计算机网络三种方式。 1、间接型DNC系统图6.24为间接型DNC系统框图。 间接型DNC系统是使用主计算机控制每台数控机床，加工程序全部存放在主计算机内。加工工件时，由主计算机将加工程序分送到每台数控机床的数控装置中，每台数控机床仍保留插补运算等控制功能。 2、直接型DNC系统图6-25直接型DNC系统框图 图6-25所示为直接型DNC系统框图 在直接型DNC系统中，机床群中每台数控机床不再安装数控装置，只有一个由伺服驱动电路和操作面板组成的机床控制器。加工过程所需的插补运算等控制功能全部由主计算机完成。这种系统中任何一台数控机床都不能脱离主计算机单独工作。 3、计算机网络DNC系统图6-26计算机网络DNC系统框图 该系统使用计算机网络协调各个数控机床工作，最终可以将该系统与整个工厂的计算机联成网络，构成一个较大的、完整的制造系统。 当前对生产自动化提出很高的要求，生产要有很高的灵活性并能充分利用制造设备资源。为此将CNC装置和各种系统中的设备通过工业局域网络（LAN）连网以构成FMS 或CIMS，连网时应能保证高速和可靠地传送数据和程序。在这种情况下，一般采用同步串行传送方式，在CNC装置中设有专用的通信微处理机的通信接口，担负网络通信任务。其通信协议都采用以ISO开放式互连系统参考模型的7层结构为基础的有关协议，或IEEE802局域网络有关协议。 近年来制造自动化协议MAP（Manufacturing Automation Protocol）已很快成为应用于工厂自动化的标准工业局域网的协议。FANUC、SIEMENS、A-B等公司表示支持MAP，在它们生产的CNC装置中可以配置MAP网络通信接口。 从计算机网络技术看，计算机网络是通过通信线路并根据一定的通信协议互连来的独立自主的计算机的集合。CNC装置可以看作是一台具有特殊功能的专用计算机。计算机的互连是为了交换信息，共享资源。 工厂范围内应用的主要是局域网络，通常它有距离限制（几公里）、较高的传输速率、较低的误码率和可以采用各种传输介质（如电话线、双绞线、同轴电缆和光纤）。ISO的开放式互连系统参考模型（ISO/RM）是国际标准组织提出的分层结构的计算机通信协议的模型。提出这一模型是为了使世界各国不同厂 家生产的设备能够互连,它是网络的基础。 6.5.6数控系统网络通信接口 ISO/RM在系统结构上具有7个层次，如图6-27所示。 通信一定是在两个系统之间进行的，因此两个系统都必须具有相同的层次功能。通信可以是在两个系统的对应层次（同等层Peer）内进行。同等层间通信必须遵循一系列规则或约定，这些规则和约定称为协议。 （1）它们完成一组同样的通信功能。ISO/RM最大优点在于有效地解决了异种机之间的通信问题。不管两个系统之间的差异有多大，只要具有下述特点就可以相互有效地通信。 （2）这些功能分成相同的层次，对等层提供相同的功能。 （3）同等层必须共享共同的协议。局域网络标准由IEEE802委员会提出建议，并已被ISO采用，它只规定了链路层和物理层的协议，如图6-28所示。它将数据链路层分成逻辑链路控制（LLC）和介质存取控制（MAC）两个子层。 MAC中根据采用的LAN技术分成CSMA/CD（IEEE802.3）、令牌总线（Token Bus802.4）和令牌环（Token Ring802.5）。 物理层也分成两个子层次，即介质存取单元（MAU）和传输载体（Carrier）。 MAU分基带、载带和宽带传输，传输载体有双绞线、同轴电缆和光纤。 MAP是美国GM公司发起研究和开发的应用于工厂车间环境的通用网络通信标准，目前已成为工厂自动化的通信标准。其特点为： （1）采用适于工业环境的令牌通信网络访问方式，网络采用总线结构。（2）采用适应工业环境的技术措施，提高了工业环境应用的可靠性，如在物理层采用宽带技术及同轴电缆以抗电磁干扰，传输层采用高可靠的传输报务。（3）具有较完善的明确而针对性强的高层协议以支持工业应用。（4）具有较完善的体系和互联技术，使网络易于配置和扩展。低层次应用可配Mini MAP（只配置DLC层、物理层以及应用层），高层次应用可配置完整的带7层协议的全MAP。此外还规定了网络段、子网和各类网络互联技术。 6.6PLC位置控制 位置控制功能是可编程控制器引人注目的特色，具有和CNC相同的位置控制功能，如点位控制、轮廓插补控制等，为此，不少PLC开发了与之配套的位置控制单元。现以三菱PLC系列为例说明可编程控制器位置控制。6.6.1适用点位控制的脉冲输出单元F2-30GM F2-30GM是一种为F1、F2和FX系列PLC配套的位置控制单元。其输出的脉冲序列不论是脉冲数还是脉冲频率都是可编程的，F2-30GM可驱动步进电动机，作为开环点位控制，也可驱动伺服电动机实现闭环点位控制。F2-30GM可以作为一种独立的控制装置使用，也可以用作F1、F2和FX系列PLC的智能扩展单元，进行13个轴的定位控制。 图6-29所示为F2-30GM位置控制系统框图。 F2-30GM作为智能化定位控制器按用户编制的定位程序，向驱动器发出定位脉冲、运行方向等信号。驱动器按这些控制信号驱动电动机带动丝杠进行定位。对于步进电动机，只有零位信号反馈给F2-30GM；对于伺服电动机，则有伺服准备、伺服结束和零位三个信号反馈。 F2-30GM除了定位控制指令之外还有许多逻辑控制和顺序控制指令，所以对一些不太复杂的，既要求定位控制又要求逻辑控制的应用，用一台F2-30GM就可以独立完成；对于多轴或较复杂的控制，F2-30GM又可通过PLC进行M代码交换，由PLC指定程序段号、传送定位及速度等数据，并能在PLC中监视F2-30GM的运行或停止状态，成为PLC系统中的定位智能控制环节。 F2-30GM可通过用户初始化参数来确定最大速度、最小速度、爬行速度、回零速度、齿隙补偿量、脉冲输出方式、正逻辑、反逻辑等变量，以适应各种不同的运行及使用条件。 AD71、AD72是适用于大型可编程控制器A系列的位置控制智能模块。它们都是带线性插补功能的二轴定位模块，如图6-30所示为AD72定位模块位置控制框图。6.6.2A系列PLC位置控制功能模块AD71、AD72AD71、AD72能将定位条件、定位速度、暂停时间和定位地址等数据分别存在模块缓冲存储器的各个数据区，模块中的CPU解读这些设定数据，并转换成相应的定位控制信号发送给驱动器。 模块内部生成的命令脉冲与反馈脉冲的差值由偏差计数器计数，再由D/A转换器将此计数值变换为模拟电压作为速度命令，使伺服电动机旋转。伺服电动机上的脉冲编码器PG产生的脉冲一方面反馈给驱动单元作为速度控制，另一方面经接口反馈给定位模块作为位置控制。 6.6.3实现运动和顺序控制一体化的A73CPU模块AD71与AD72的区别主要在于：1、输出形式不同。AD71为脉冲序列输出，AD72则是模拟电压输出。AD71与步进电动机驱动模块联用时，可直接驱动步进电动机。 2、由于AD71为脉冲序列输出，因此AD71没有偏差计数器和D/A转换这两个环节，与AD71相配的伺服电动机驱动器必须包括偏差计数器和D/A转换等功能。而与AD72相配的伺服电动机驱动器则只要能接受模拟电压即可（AD72的最大输出电压为+3V+10V）。 A73CPU模块采用了将可编程控制器与伺服控制相结合在一起的设计思想，它本身是A系列可编程控制器中一种专门用于位置控制的模块。 A73CPU有40多种用于伺服控制的指令，如指定半径的圆弧插补指令、指定圆心的圆弧插补指令、直线插补指令等，最多可独立控制8根轴。 A73CPU将位置命令信号通过专用的数字SB总线，送到挂在该总线上的三菱MR-SB系列全数字伺服驱动装置中去，也可通过通用的伺服接口模块A70SF又其他伺服驱动装置相连接。 图6-31所示为A73CPU模块位置控制框图。从图中可以看到，A73CPU的特点是伺服控制与顺序逻辑控制结合一体和高速总线SB与伺服驱动装置相连接，作为伺服控制简易方便。 A73CPU对位置控制的编程采用专用语言，使复杂的位置控制程序直观、清晰、编程容易、可读性强。整个开展程序还可运用顺序功能图SFC（Sequential Function Chart）被许多伺服程序按工艺要求组合起来进行控制。总之，定位和运动控制，如X、Y轴十字工作台控制、回转工作台控制、进给控制等在机械设备中运用广泛，所有这些控制要求均可以采用不同档次的PLC位置控制模块来实现，以求得技术上先进，经济上合理。 谢谢！谢谢！