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西安建筑科技大学硕士学位论文 p l c 在机床数控系统中的应用与研究 专业：计算机应用技术 硕士生：韩黎 指导教师：刘家俭教授 摘要 电子与信息技术的不断发展，给我国机床加工设备的现代化提供了强有力的技 术支持。为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，越来越多的企业每年投 入大量资金和技术对传统老式机床进行技术改造，取得了良好的效果。用p l c 模块、 变频驱动技术、操控监控设备等组成电气数字控制系统，以实现编程输入、人机交互、 自动化加工的控制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效率，己成为企业进行技术 改造的有效途径。 论文以立式车床和龙门刨床的数控化改造为背景，概述了机床数控化改造的设 计方案与应用技术，并对p l c 的发展与应用作了简要介绍。 论文介绍了p l c 编程特点和方式，重点以s e i m e n ss 72 2 6 型p l c 为例，介绍 了以s t e p7 一m i c r o w i nv 5 0 软件为编程环境进行控制程序的设计与实现方法，并 对c 5 2 3 5 双柱立式车床应用编程作了阐述。 论文进一步阐述了p l c 接口与通信技术，介绍了自由口模式下p l c 与计算机 的通信原理与技术，以及与控制系统的通信设计，另外对人机界面h m i 软件也做了 论述。 论文最后总结了课题研究的成果，结合作者的研究方向，讨论了课题中所用到 的编程与接口技术，并对未来的研究方向提出了进一步的展望与构想。 关键词：p l c ，数控系统，编程技术，接口，通信 西安建筑科技大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o na n d r e s e a r c ho fp l ci nm a c h i n et o o l n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m s p e c i a l t y ：c o m p m e ra p p l i c a t i o n n a m e ：l ih a n i n s t r u c t o r ：p r o j i a q u a nl i u a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o na n dc o m m u n i c a t i o n ，t h et e c h n o l o g ys u s t a i nh a v e p r o v i d e df o ro u rm a c h i n et o o le q u i p m e n tm o d e r n i z a t i o n m o r ea n dm o r ef i n a n c i n ga n d t e c h n o l o g ya r ep l o u g hi n t ot h et r a d i t i o nm a c h i n ef o re x e r t i n ge f f i c i e n c ya n dp r o m p t i n g p r e c i s i o nr a p i d l y , a c q u i r ew e l li m p r e s s i o n n o wi t b e c o m ee f f i c i e n c ya p p r o a c hf o r c o r p o r a t i o nr e c o n s t r u c t i v e ，b yn u m e r i c c o n t r o l s y s t e m c o m p o s i n gp l cm o d u l e 丘e q u e n c ya n dc o n v e r s i o nc o n t r o la n di n s p e c te q u i p m e n tc a r r yo u tp r o g r a m m ei m p o r ta n d a u t o m a t i z a t i o nc o n t r o l ，t or e d u c et r o u b l ea n di m p r o v ee f f i c i e n c y t h ep a p e rs u m m a r i z et h ed e s i g np r o j e c ta n da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yi nm a c h i n e n u m e r i cc o n t r o ls y s t e m ，a n di n t r o d u c et h ep l cd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o ni ns i m p l y ，b y t h em a c h i n en u m e r i cc o n t r o ls y s t e mr e c o n s t r u c t i v e t h ep a p e ri n t r o d u c et h ep l cp r o g r a m m es p e c i a l t ya n dm o d e ，e m p h a s e st h es t e p 7 - m i c r o w i nv 4 0d e s i g np r o j e c ta n da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yf o re x a m p l es e i m e n s s 7 2 2 6p l c a n dt h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep l ci n t e r f a c et e c h n o l o g ya n dt h eh m l ，i nt h ef r e e d o m m o d eo f p c la n dp cm e s s a g et h e o r yt e c h n o l o g y f i n a l l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t ，d i s c u s s e ds o f tr e s u et e c h n i ci n r e s e a r c hs u b j e c tc o m b i n ew i t ha u t h o r 、ss p e c i a l t y , p r o s p e c t e dt h ef i a r t h e rs t u d yi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：p l c ，n u m e r i c a lc o n t r o l ，a p p l i c a t i o n ，p r o g r a m m e ，i n t e r f a c et e c h n o l o g y 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名 钎番 日期“f 孚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：钎象导师签名叫泵饩嘲一饥 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着现代电子技术的发展，应用可编程序控制器( p l c ) 控制生产工艺过程的 工业生产领域愈来愈多。可编程序控制器是以微处理器为基础，综合计算机、通信、 联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制器在我国的发展 与应用已有4 0 多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域， 成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。 可编程序控制器问世于2 0 世纪6 0 年代，当时的可编程序控制器功能都很简单， 只有逻辑、定时、计数等功能。8 0 年代初期，微处理器技术曰趋成熟，单片微处理 器、半导体存储器进入工业化生产，大规模集成电路开始普遍应用。可编程序控制器 开始向多处理器发展，使可编程序控制器的功能和处理速度大为增强，并具有通信和 远程i 0 能力，增加了多种特殊功能，如浮点运算、三角函数、查表、列表等，自诊 断和容错技术也迅速发展。 随着计算机和网络技术的普及应用，超大规模集成电路、门阵列以及专用集成电 路的迅速发展，可编程序控制器的c p u 已发展为由1 6 位或3 2 位微处理器构成，处理 速度得到很大提高，高速计数、中断、p i d 、运动控制等功能引入了可编程序控制器。 使得可编程序控制器能够满足工业生产过程的各个领域，可编程序控制器已完全取代 了传统的逻辑控制装置，模拟量仪表控制装置和以小型机为核心的d d c ( 直接数字控 制) 控制装置。由于联网能力增强，既可和上位计算机联网，也可以下挂f l e xi o 或远程i o ，从而组成分布式控制系统( d c s ) 已无困难。梯型图语言和语句表语言 完全成熟，基本上标准化，s f c ( 顺序功能图) 语言逐步普及，专用的编程器已被个 人计算机和相应编程软件所替代，人机界面装置日趋完善，已能进行对整个工厂的监 控、管理。并发展了冗余技术，大大加强了可靠性。 进入2 l 世纪，可编程序控制器仍保持旺盛的发展势头，并不断扩大其应用领域， 如为用户配置柔性制造系统( f m s ) 和计算机集成制造系统( c i m s ) 。目前可编程序控 制器主要向两个方向扩展：一是综合化控制系统，它已经突破了原有的可编程序控制 器的概念，将工厂生产过程控制与信息管理系统密切结合起来，甚至向上为m e s 和 e r p 系统准备了技术基础，这种发展趋势会使得举步为艰的e r p 系统有了坚实的技术 1 西安建筑科技大学硕士学位论文 基础，从而会带来工业控制的一场变革，实现真正意义上的电子信息化工厂；二是微 型可编程序控制器异军突起，体积如手掌大小，功能可覆盖单体设备及整个车间的控 制功能，并具备联网功能，这种微型化的可编程序控制器使得控制系统可将触角延伸 到工厂的各个角落。 目前，在我国随着企业加速进行现代化技术改造，p l c 及其应用技术越来越多 的应用到企业的设备改造和技术更新之中。近几年在大型机床的电气化改造中p l c 技术的应用得到了长足发展，有许多成功范例。金堆城钼业公司于2 0 0 5 年3 月对 c 5 2 3 5 立式车床和b 2 0 1 6 龙门刨床进行电气改造，弃除原来老式继电器和开关按钮控 制方式，代之以p l c 为核心的数字控制系统，减少了故障维护，提高加工效率与精度， 取得良好效益。2 0 0 5 年1 2 月通过金钼集团公司机动处组织有关人员的验收，认为改 造后机床性能得到提升，运行稳定可靠，效益显著。 1 2 作者在论文研究中所承担的工作 作者在金堆城钼业公司金工车间担任设备副主任职务，参加了项目的全过程，在 机床改造项目中承担任务如下： 审定设备改造方案，对项目改造结果的评估 研究与收集相关技术资料 p l c 软件设计开发和控制系统设计 参与接口与通信系统的设计和实现 1 3 论文的组织结构 论文的组织结构如下： 第一章绪论。简述了课题背景和论文的研究内容，以及作者所做的主要工作； 第二章机床数控系统。介绍了机床电气数控改造的设计方案，控制原理以及应 用的技术； 第三章p l c 编程技术。介绍了p l c 编程特点和方式，重点以s e i m e n ss 7 2 2 6 型p l c 为例，介绍了以s t e p7 - m i c r o w i nv 5 3 软件为编程环境进行控制程序的设 计与实现方法，并对c 5 2 3 5 双柱立式车床应用编程作了阐述，并对软件开发和数据 库、高级语言的通讯等进行阐述； 第四章p l c 接口与通讯技术，介绍了自由1 3 模式下p l c 与计算机的通信原理 西安建筑科技大学硕士学位论文 与技术，以及与控制系统的通信设计，另外对人机界面h m i 软件设计与实现也做了 论述； 第五章总结了作者在课题研究中所做的工作，对未来的研究方向提出了迸一步 的展望与构想。 西安建筑科技大学硕士学位论文 第2 章机床数控系统 我国8 0 年以前生产的机床电气控制普遍采用交流接触器和继电器进行控制，经 过长期使用，电器元件老化，触点烧损，造成设备故障频发。在维护中由于线路接点 多，元件更新，许多故障不能及时处理，给企业生产带来诸多不便。随着电子和信 息技术的发展，p l c 技术也获得了长足进步。许多企业为了提高机床效率与精度开始 对老式机床进行技术改造，运用p l c 、变频控制、人机交互、网络控制等技术提高机 床的可靠性和精度，提高设备现代化技术水平，以适应市场经济带来的挑战。 2 1 改造方案 2 1 i 项目概述 金堆城钼业公司c 5 2 3 5 双柱立式车床是武汉重型机床厂7 0 年代生产的大型车 床，采用接触器和继电器回路进行控制，主要加工大型碎矿、选矿备件，是公司重要 设备。近几年，由于线路老化、接点烧损，电气故障频繁发生，控制回路多，故障难 以及时排查，加之电子元件改型，往往牵一发而动全身，给维护工作带来极大困难。 经有关技术人员讨论决定对电气线路进行数控化改造，采用p l c 摸块作核心控制， 用变频器驱动主电机带动工作盘，左右立柱电机更换步进电机，传动丝杠改用滚珠丝 杠，用触摸屏代替控制柜，实现实时显示与控制。 改造后走刀量实现了精确控制与显示，加工锥体不再板立柱，安装专用挂轮系 统，而只需输入指令，并且通过专用软件可与生产管理系统相连接，在后续开发通过 编程还可实现加工球面、抛物面和复杂曲面加工，软件升级与开发都可通过编程实现。 提高了加工效率和精度，实现自动化，为以后信息控制系统奠定了基础。 b 2 0 1 6 龙门刨床是东方机床厂生产的大型卧式刨床，原来采用直流发电机驱动， 通过行程开关、限位和接触器进行往复运动控制，经过长期使用，直流电机系统故障 高发，维护代价高，并且往复限位与接触器控制老化，如不及时处理会造成床身出轨， 引起不安全事故。改造方案采用p l c ( 可编程控制器) 代替原来的继电器控制部分， 原来的直流调速系统也已经老化，用欧陆的新型直流调速器( 5 9 0 + ) 对刨台的进给 进行控制。对刀架的控制采用了西门子的变频器( 6 s e 7 0 ) 。经过这样的改进，系统 达到当前国际上先进的控制方式，保证了设备的高可靠性，在降低系统故障率的同时 西安建筑科技大学硕士学位论文 为企业节约了大量的维修资金，提高了企业的生产效率。 2 1 2 电气原理 c 5 2 3 5 双柱立式车床用s i m e n s6 e s 6 4 4 0 2 u d 3 5 5 f a l 变频器，松下 m h m a 4 0 2 a 1 g 伺服电机，s i m e n s 6 e s 72 1 6 2 b d 2 3 o x b o p l c 等元件组成控制系统。 电气原理图见图2 1 。 i 闹l 。 - ，r l ni ivl ieo _ o l t qi 吓l 自、 叠”p j ll 1 庐铜l = 可 i i 可i i_ m ， j 一菩 吾 r 产 + i 陶i 二一 i l _ l lj ，耋j 一吾 垂i 唯叠良 i l f 、 i 甘耳 一l _ - 一 e n = ii，ri 薯 日。霉 等 j _ ： 釜 1 母争 i r 1 r _ 1 1 一_ fj 屯 董 呷 ： _ 1 矗学 善c 捌 o = i 磊口， a = 自l 蔓一一k 5 i 壹l 到2 j 罨厂 尚童l 蚕1 l 二霸歉d 善 其厂 vq l 群曼1 1 l i = 图2 1 立式车床电气原理图 盘 曼蠢 i 嚣 秀 嚣 曼耋 薯 囊囊 d 薹 曼囊 耋 囊萋 _ 曼蠢 善 唾 州 毒 曼譬 嚣 蕃 曼耋 藉 b 2 0 1 6 龙门刨床用s i m e n s6 e s 6 4 4 0 2 u d 3 5 5 f a l 变频器，英国e u r o t h e r n l 5 9 0 p 3 8 0 a 4 q ，直流调速器，s i m e n s 6 e s 72 1 6 2 b d 2 3 0 x b 0p l c 等元件组成控制系 统。电气原理图见图2 2 。 广一r 一蔓i 嗣i ； j墨l l i ieo r曼i fl；、 气i 广r 二冀l 嗣j ； j 再ii 吖i l ；j r三i 吖la、 毫 彳= 习耘二二随 乞 1 7 h j i 冀 誊 量 ，rj 嘲 叮 甄墨l l j l 瑶7 r 二一i，r翼i - ， i r j 、 ；她 乞 i7u t t 干到剥库 看i = 三：厂y 彳囊 弓 百l | _ 彳瓠 习 百【二二 嗣8g 图2 2 龙门刨床电气原理图 6 囊 赛 蓄塞 曼墨曼 嚣 _ 墨 i = 毒苎叠- iit鑫-l_l 皇一- t i - _ r + 薏一 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 2 相关技术 2 2 1 变频技术 变频器主要由整流( 交流变直流) 、滤波、再次整流( 直流变交流) 、制动单元、 驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电流频率来改变电机速度，但如果 仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压( 过励磁) ，导致电机可 能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。电机在工频电源供电 时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。工频直接起 动会产生一个大的起动起动电流。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐 渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。电器器件的更新促进了电力电 子变换技术的不断发展。2 0 世纪7 0 年代开始，脉宽调制变压变频( p w m - - v v v f ) 调速研究引起了人们的高度重视。2 0 世纪8 0 年代，作为变频技术核心的p w m 模式 优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波p w m 模式效 果最佳。2 0 世纪8 0 年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的v v v f 变频器已 投入市场并获得了广泛应用。在推出p w m 磁通矢量控制的变频器数年后，1 9 9 8 年 末又出现采用d t c 控制技术的变频器。a b b 公司的a c s 6 0 0 系列是第一代采用d t c 技术的变频器，它能够用开环方式对转速和转矩进行准确控制，而且动态和静态指标 已优于p w m 闭环控制指标。 变频器控制方式经历了以下五代：1 、u f = c 的正弦脉宽调制( s p w m ) 控制方 式；2 、电压空间矢量( s v p w m ) 控制方式；3 、矢量控制( v c ) 方式；4 直接转 矩控制( d t c ) 方式； 5 、矩阵式交一交控制方式。 控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器品牌很 多，包括欧、美、日及国产的共约5 0 多种。选用变频器时不要认为档次越高越好， 而要按负载的特性，以满足使用要求为准，以便做到量才使用、经济实惠。转矩控制 型变频器的选型及相关问题 基于调速方便、节能、运行可靠的优点，变频调速器已逐渐替代传统的变极调 速、电磁调速和调压调速方式。直接转矩控制以测量电机电流和直流电压作为自适应 电机模型的输入。该模型每隔2 5 i _ t s 产生一组精确的转矩和磁通实际值，转矩比较器 和磁通比较器将转矩和磁通的实际值与转矩和磁通的给定值进行比较，以确定最佳开 西安建筑科技大学硕士学位论文 关位置。由此可以看出它是通过对转矩和磁通的测量，即刻调整逆变电路的开关状态， 进而调整电机的转矩和磁通，以达到精确控制的目的。 2 2 2 伺服控制 作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要 指标。伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以 电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控 制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动 机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令， 经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工 作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用 户所要求的复杂形状的工件。 伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。控制 器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率 驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之 上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为 电动机所需的交流电或直流电：电动机则按供电大小拖动机械运转。 进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。为此，要 求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。具体要求其调 速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电动机，进给伺服 可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。 主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转 功能。但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相 应的位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有准停 控制，主轴与进给联动。与进给伺服一样，主轴伺服经历了从普通三相异步电动机 传动到直流主轴传动。随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了 交流主轴伺服系统的时代。 作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要 指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。 可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络 接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 点，并成为伺服系统的发展方向。 2 3p l c 技术 可编程控制器，英文称p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，简称p l c 。p l c 是基于 电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。它源于继电控制装置，但它不像继 电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于p l c 内存中的程 序，进行入出信息变换实现控制。p l c 基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。 普遍计算机进行入出信息变换，多只考虑信息本身，信息的入出，只要人机界面好就 可以了。而p l c 则还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。 特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。输入输出信息变换、 可靠物理实现，可以说是p l c 实现控制的两个基本要点。 2 3 1 基础知识 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并 按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功 能是通过气动或电气控制系统来实现的。p l c 的定义有许多种。国际电工委员会( i e c ) 对p l c 的定义是：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贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控 制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制 各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制 系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 从结构上分，p l c 分为固定式和组合式( 模块式) 两种。固定式p l c 包括c p u 板、i o 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模 块式p l c 包括c p u 模块、i o 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以 按照一定规则组合配置。 c p u 是p l c 的核心，起神经中枢的作用，每套p l c 至少有一个c p u ，它按p l c 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装 置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和p l c 内部电路的 工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指 令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 c p u 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态 西安建筑科技大学硕士学位论文 总线构成，c p u 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程 序及数据，是p l c 不可缺少的组成单元。 p l c 与电气回路的接口，是通过输入输出部分( i o ) 完成的。i o 模块集成了 p l c 的i o 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输 入模块将电信号变换成数字信号进入p l c 系统，输出模块相反。i o 分为开关量输入 ( d i ) ，开关量输出( d 0 ) ，模拟量输入( a i ) ，模拟量输出( a o ) 等模块。按i o 点数确定模块规格及数量，i o 模块可多可少，但其最大数受c p u 所能管理的基本配 置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 大多数模块式p l c 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系， 使c p u 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一 个整体。 2 3 2p l c 系统图 图2 4 s e i m e n ss 7 2 2 6 型p l c 是西门子公司近年来开发的具有先进水平的可编程 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 控制器，具有广泛应用领域。采用标准的p l c 编程语言梯形图编程，梯图在线显示， 远程诊断，处理速度6 0 0 0 步2 4 毫秒，4 0 个定时器，3 2 个计数器，数字输入输出为 1 4 4 9 ，s e i m e n ss 7 2 2 6 型p l c 系统图见图2 4 2 3 3 发展趋势 进入2 1 世纪，可编程序控制器仍保持旺盛的发展势头，并不断扩大其应用领域。 未来p l c 将在以下几个方面发展： ( 1 ) 执行多任务功能的出现 ( 2 ) 网络能力的强化 ( 3 ) 高速化处理功能 ( 4 ) 大力发展集成化软件 ( 5 ) 微型可编程序控制器异军突起 ( 6 ) 信息技术渗入可编程序控制器 ( 7 ) 加强安全技术 2 4 小结 在传统继电器控制机床的改造中，利用p l c 作为核心控制元件，用变频器和伺 服控制达到数控化，是我国许多企业进行设备技术改造的有效途径。采用p l c 控制 有许多优点，模块化结构易于扩充，软件编程输入易于开发升级和维护，集成软件环 境为以后网络控制奠定基础。 本章对机床改造整个方案和应用到的技术做了阐述，并对p l c 做了简要介绍。 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 1 概述 第3 章p l c 编程技术 p l c 的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言， 也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。目前， 还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。如三菱公司的产品有它自己的编程语 言，o m r o n 公司的产品也有它自己的语言。但不管什么型号的p l c ，其编程语言都 具有一些共同的特点： 3 1 1 语言特点 1 、图形式指令结构： 程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。系统的软 件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需 要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采 用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。如西门子公司还采用控制系统流程 图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。较复杂的 算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给于表示，虽然象征性不如 逻辑运算部分，也受用户欢迎。 2 明确的变量常数： 图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如：k 4 0 0 ，t 1 2 0 等。p l c 中的变量和常数以及其取值范围有明确规定，由产品型号决定，可查阅产品 目录手册。 3 简化的程序结构： p l c 的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使 程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。 4 简化应用软件生成过程： 使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使 用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成，整个编辑过程都在人 西安建筑科技大学硕士学位论文 机对话下进行的，不要求用户有高深的软件设计能力。 5 强化调试手段： 无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而p l c 的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用p l c 和编程器上的按键、显示和 内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，诊断和调试操作都很简单。 总之，p l c 的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要 长时间的专t q i ) 1 练。 3 1 2 编程语言的形式 p l c 最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。采用梯形图编程， 因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；采用助记符形式便于实 验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。虽 然一些高档的p l c 还具有与计算机兼容的c 语言、b a s i c 语言、专用的高级语言( 如 西门子公司的g r a p h 5 、三菱公司的m e l s a p ) ，还有用布尔逻辑语言、通用计算机 兼容的汇编语言等。不管怎么样，各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。 1 、编程指令：指令是p l c 被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。从本 质上讲，指令只是一些二进制代码，这点p l c 与普通的计算机是完全相同的。同时 p l c 也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到 的p l c 指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。常用的助记符语句用英文 文字( 可用多国文字) 的缩写及数字代表各相应指令。常用的图形符号即梯形图，它 类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。 2 、指令系统：个p l c 所具有的指令的全体称为该p l c 的指令系统。它包含 着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着p l c 的功能和性能。一般讲，功能强、 性能好的p l c ，其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。我们在编程之前必须弄清 p l c 的指令系统 3 、程序：p l c 指令的有序集合，p l c 运行它，可进行相应的工作，当然，这 里的程序是指p l c 的用户程序。用户程序一般由用户设计，p l c 的厂家或代销商不 提供。用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以 多数程序用梯形图表达。 4 、梯形图：梯形图是通过连线把p l c 指令的梯形图符号连接在一起的连通图， 1 1 西安建筑科技大学硕士学位论文 用以表达所使用的p l c 指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两 种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指 令组，这个指令组一般总是从装载( l d ) 指令开始，必要时再继以若干个输入指令 ( 含l d 指令) ，以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控 制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指 令组的。 梯形图与助记符的对应关系：助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而 梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为：先输入，后输出( 含 其他处理) ；先上，后下：先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。反 之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图。 梯形图与电气原理图的关系：如果仅考虑逻辑控制，梯形图与电气原理图也可建 立起一定的对应关系。如梯形图的输出( o u t ) 指令，对应于继电器的线圈，而输入 指令( 如l d ，a n d ，o r ) 对应于接点，互锁指令( i l 、i l c ) 可看成总开关，等等。 这样，原有的继电控制逻辑，经转换即可变成梯形图，再进一步转换，即可变成语句 表程序。有了这个对应关系，用p l c 程序代表继电逻辑是很容易的。这也是p l c 技 术对传统继电控制技术的继承。 3 2s t e p 7 m i c m w i n v 5 3 编程软件 3 2 1 软件概述 s t e p 7 m i c r o w i n 是s e i m e n s 公司专为其小型p l c 而设计的编程软件，可在 w i n d o w s 平台上运行，软件简单、易学，能够解决复杂的自动化任务，可以快速进入， 节省编程时间，具有扩展功能基于标准的w i n d o w s 软件( 类似于w i n w o r d ，o u t l o o k 等 标准应用软件) 。 s t e p 7 一m i c r o w i n 采用窗口式编程界面，可以实现编程、调试、模拟运行、与高 级语言接口和网络通讯等功能。其指令系统包括：位逻辑指令、比较指令、转换指令、 计数器指令、数据块指令、逻辑控制指令、整数算术运算指令、浮点算术运算指令、 赋值指令、程序控制指令、移位和循环指令、状态位指令、定时器指令和逻辑指令。 1 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 、梯形逻辑指令一览表( 见表3 1 ) ： 表3 1 描章辫撵曩爵崎霹愕鞲 蛳i l l tl e n ：v 。i 。o 。m 。l 悄c ，1 h 裂“* ， j 寸 l n l i n 2 ：w t 洲，a 牲 w 。 a ( 1 c 哪如”1 i o u t - m l l k 2 七，a 廿 o u t ；0 w m w ，t c a c ；f 网 e n ：v 。i ，u 。； 硝( ，1 翱璐 妒十 i n l 1 h 2 ：v 琏i d ，o 豇猷d 。 漩t b 掣， 藉蓟n j 。 一h i- 4 k -o u t ，d d ， o ， c0 u l l i 敞 搿幽 厂一 n v 。i 。0 。m ，s m c ，1 相糍 j 寸 i n i ，i n 2 ：v 口。d ，o d ；1 4 d ， * 弛辫e n - 1 士t “廿 o u 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