FANUC 0i数控车床PLC程序设计-模块1

1、摘 要本毕业设计FANUC 0i数控车床PLC程序设计，兼顾了数控机床系统及PLC的相关知识。数控机床的PLC程序设计与调试，是数控机床设计与调试的重要环节，是CNC系统对机床及其外围部件进行逻辑控制的重要通道，同时也是外部逻辑信号对数控系统进行反馈的必由之路。可编程控制器简称PLC,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和

2、输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。” PLC的特点是可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。综合自己大学三年所学的知识

3、，现将本设计共分为四大部分：第一部分介绍了数控机床与数控系统的相关知识，着重讲解了数控系统的连接原理与分析；第二部分介绍了可编程控制器的相关知识，第三部分CNC-PLC-MT的接口信号分析与定义，应作为本设计了解的内容，第四部分编制程序框图及完整的PLC程序，体现了本人设计的主要内容。另外本设计在内容上，注意了基础理论与实践相结合。关键词 可编程控制器，数控系统，PLC梯形图，接口信号处理AbstractThis graduation design-FANUC 0i number controls lather PLC program design and gave attention to

4、both a number to control tool machine system and PLC related knowledge. The number controls the PLC program design of tool machine with adjust to try, is number control a tool machine design and adjust to try of the important link is a CNC s system to carry on the important passage of logic control

5、to the tool machine and its outer circle parts, also is necessarily an external logic signal logarithms to control system to carry on feedback in the meantime from of road.The programmable controller calls PLC and mean calculator technique- based new industrial control device. In 1987 International

6、Electro technical Commission)the PLC standard drafted plan of promulgation in did to PLC if give a definition: PLC is exclusively 1 kind is application but design the number under the industrial environment operates an operation of electronics device. Its adoption can draw up the saving machine of p

7、rocedure and use come at its internal saving performance logic operation, in proper order operation, account, count to operate the instruction of etc. operation with arithmetic, and can pass the input and output of number type or emulation type, control the machine or production line of various type

8、. PLC and it relevant of the peripherals should press to be easy to control system with industry to form one whole, be easy to the principle of expanding its function but design.The PLC characteristics is dependable high function, the anti- interference contains strong ability. The high credibility

9、is the key function that the electricity controls equipment. PLC because of adopting a modern large scale integration technique, the adoption is strict of production craft manufacturing, the internal electric circuit adopted the forerunners anti- interference technique and had very high and dependab

10、le. For example the Mitsubishi Company produce of F series PLC have no breakdown time to be up to for 300,000 hours on the average. Breakdown working time of on the average having no of some usage redundancy CPU PLC then is longer. In view of PLC machine external circuit, use PLC to constitute contr

11、ol system, and equal scale of after electricity contact the machine system compare, the electricity connects line and switch point of contact already and reduces several hundred even several thousand, the breakdown also consumedly lowers.Comprehensive oneself university the knowledge learned by thre

12、e years, design origin to totally is divided into four greatest parts now: The first part introduced a number to control the related knowledge that tool machine and number control system and emphasized to explain in detail a number to control connecting principle with of system analysis; The second

13、part introduced the related knowledge of programmable controller, analysis message and definition of connecting of third the part CNC-PLC-MT, should be the contents that this design understands, four-part cent draws up PLC of the procedure frame diagram and integrity procedure and embodied the main

14、contents that I design.Moreover this design is on the contents and noticed foundation theories and fulfillment to combine together.Key Words Programmable controller, The number controls system, PLC ladder-shaped diagram, Connect message number processing目 录中文摘要. I Abstract. = 2 * ROMAN II1 引言.12 数控系

15、统.22.1 数控系统概述.2 2.1.1 数字控制的基本概念. 2 机床数控系统的组成.2 2.1.3 数控系统的分类.3 2.1.4 数控系统的发展趋势.42.2 数控系统连接原理分析.42.2.1 FANUC系统0系列概述.42.2.2 数控系统连接原理.73 可编程控制器.11 可编程控制器概述.11 3. 可编程控制器的定义.11 3.1.2 可编程控制器的主要特点.113.1.3 可编程控制器的分类及发展.12 可编程控制器的工作原理.12 3.3 数控机床PLC.133.3.1 数控机床PLC的控制对象.133.3.2 数控机床PLC的信息交换.133.3.3 PLC在数控机床中

16、的工作流程.143.3.4 数控机床PLC的输入/输出接口14 数控系统中的PLC工作原理154 NC-PLC-MT接口信号.195 PLC程序.235.1 PLC控制框架图.23程序梯形图.245.3 接口信号控制I/O地址.255.4 PLC控制子程序梯形图.265.4.1 工作方式子程序图.26报警控制子程序图.295.4.3 M指令控制子程序图.30验证实验.345.5.1 实验内容.355.5.2 实验步骤.355.5.3 实验结论.35结论.36致谢.37参考文献.381 引言数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应

17、用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。而PLC这种新型的控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快在工业领域推广应用。到1971年己经成功应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业。这种新型工业控制装置的出现，也受到了世界其它国家的高度重视。1971年日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年西欧国家也研制出了他们的第一台PLC。我国从1974年开始研制，于1977年应用于工业。 作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制

18、器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。可编程控制器简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的

19、数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”目前数控机床生产厂家和数控机床实验培训系统生产厂家能够完全掌握机床PLC的编程与调试技术，而国内各高校讲授数控技术课程时，仅停留在使用PLC程序处理数控机床的某一单元功能，如刀架回转的控制等。本设计利用现有的数控机床综合实验系统所提供的平台，分析数控系统和机床与PLC接口信号的特点和控制方法，编制完整的PLC程序

20、，最终掌握数控机床PLC编程与调试这一关键技术，实现专用数控系统与机床的完全对接。2 数控系统 数控系统概述 数字控制的基本概念数字控制(Numerical Control, NC),简称为数控1,是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法,是近代发展起来的一种自动控制技术。数字控制是相对与模拟控制而言的,数字控制系统中的控制信息是数字量,而模拟控制系统中的控制信息是模拟量。 机床数控系统的组成数控机床一般由输入/输出设备、数控装置、主轴和进给伺服单元、位置检测装置、PLC及其接口电路和机床本体等几部分组成。(1)输入输出设备 数控机床加工前，必须读入操作员编好的零件加工程序。在加工过程中，要

21、把加工状态，包括刀具的位置、各种报警信息等，告诉操作人员，以便操作人员了解机床的工作情况，及时解决加工中出现的各种问题。这就是输入/输出设备的作用。 (2)数控装置 数控装置是数控系统的核心，数控装置由硬件和软件两大部分组成。现代数控系统普遍采用通用计算机作为数控装置的主要硬件，包括了微型机系统的基本组成部分：CPU、存储器、局部总线以及输入/输出接口等；软件部分就是我们所说的数控系统软件。 (3)伺服单元 伺服单元包括主轴伺服单元和进给伺服单元两部分。主轴伺服单元接收PLC的转向和转速指令，经过功率放大后驱动主轴电动机转动。进给伺服单元在每个插补周期内接收数控装置的位移指令，经过功率放大后驱

22、动进给电动机转动，同时完成速度控制和反馈控制功能。(4)可编程控制器（PLC） PLC和数控装置配合共同完成数控机床的控制。数控装置主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、译码、插补运算、位置控制等。PLC主要完成与编辑运算有关的动作。它将零件加工程序中的M代码、S代码、T代码等顺序动作信息，译码后转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床的相关动作，如工件的装卡、刀具的更换、切削液的开关等一些辅助功能。PLC接受机床操作面板和来自数控装置的指令，一方面通过接口电路直接控制机床的动作，另一方面通过伺服单元控制主轴电动机的转动。(5)位置检测装置 位置检测装置也称反馈元件，通常安

23、装在机床的工作台上或丝杠上，用来检测工作台的实际位移或丝杠的实际转角。 数控系统的分类 按控制轨迹的特点分类(1)点位控制系统 点位控制数控系统的数控装置只要求能够精确地控制一个坐标点到另一个坐标点的定位精度，而不管从一点到另一点是按什么轨迹运动，在移动过程中不进行任何加工。为了精确定位和提高生产率，系统首先高速运行，然后按13级减速，使之慢速趋近定位点，减小定位误差。(2)直线控制系统 直线控制数控系统一般要在两点间移动的同时进行切削加工，所以不仅要求具有准确的定位功能，还要求从一点到另一点之间按直线规律运动，而且对运动的速度也要进行控制。对于不同的刀具和工件，可以选择不同的进给速度。(3)

24、轮廓控制数控系统 轮廓控制数控系统的数控装置能同时控制两个或两个以上坐标轴，具有直线和圆弧或高次曲线插补功能，对位移和速度进行严格地不间断地控制，具有轮廓加工功能，即可以加工曲线或者曲面形状的零件。此类数控系统具有多轴联动的加工功能。这类机床有两坐标及两坐标以上的数控铣床、可以加工回转曲面的数控车床、加工中心等。 按伺服系统的类型分类(1)开环数控系统 这类数控系统没有检测反馈装置。数控装置发出的指令信号流程是单向的，其精度主要决定于驱动元件和伺服电动机的性能。开环数控系统所用的电动机主要是步进电动机。(2)闭环数控系统 这类系统的数控装置将插补器发出的指令信号与测得的工作台实际位置的反馈信号

25、进行比较，根据其差值不断控制机床运动，进行误差修正，直至差值消除为止。采用闭环控制的数控机床可以消除传动部件制造中存在的误差给工件加工带来的影响，从而得到很高的精度。但是，由于很多机械传动环节包括在闭环控制的环路内，各部件的摩擦特性、刚性以及间隙等都是非线性量，直接影响伺服系统的调节参数。(3)半闭环数控系统 大多数数控机床采用半闭环数控系统，它的检测元件安装在电动机或丝杠的端部。这种系统的闭环环路内不包括机械传动元件，因此可以获得稳定的控制特性。如果采用高分辨率的检测元件，可以获得比较满意的精度与速度。 按功能水平分类(1)高级型数控系统 高级型数控系统一般采用32位或更高的CPU，联动轴数

26、在5轴以上，分辨率m，进给速度一般24m/min(1m时)，采用数字化交流伺服驱动，具有MAP等高性能通信接口，有联网功能，具有三维动态图形显示功能。(2)普及型数控系统 普及型数控系统一般采用16位或更高性能的CPU，联动轴数在5轴以下，分辨率为1m，进给速度24m/min，采用交直流伺服驱动，具有RS-232或DNC通信接口，有CRT字符显示和图形显示功能。(3)经济型数控系统 经济型数控系统一般采用8位CPU单片机，联动轴数在3轴以下，分辨率0.01，进给速度在68m/min，采用步进电动机，具有RSR-232通信功能，采用数码管或简单CRT显示字符。2.1.4 数控系统的发展趋势(1)

27、现代CNC系统多采用32位CPU和多微处理器并行技术，使运算速度得到了很大提高。与高性能CNC系统相配合，现代数控机床采用了交流数字伺服系统。伺服电动机的位置、速度及电流环都实现了数字化，并采用了现代控制理论，实现了不受机械负荷变动影响的高速响应伺服驱动。由于新型CNC系统及伺服系统的采用，使数控机床的进给速度和分辨率的到了很大的提高。现代数控机床充分利用CNC系统的补偿功能来提高其加工精度和动态性能。数控系统的补偿功能包括反向间隙补偿功能、螺距误差补偿功能及热补偿功能等。(2)由于现代CNC系统的模块化、通用化和标准化，便于组织批量生产，故可保证产品质量。现代CNC系统大量采用大规模或超大规

28、模集成电路，采用专用芯片及混合式集成电路，提高了集成度，减少了元器件数量，降低了功耗，提高了可靠性。(3)在现代CNC系统中，装有各种类型的监控、检测装置，实现了工件的自动检测和刀具的监控，从而提高了数控机床的自动化程度，保证了数控机床长时间工作时的产品质量。(4)现代CNC系统利用其自身很强的存储及运算能力，把很多自动编程功能植入CNC系统。在一些新型的CNC系统中，还装入了小型工艺数据库，使得CNC系统不仅具有在线零件程序编制功能，而且可以在零件程序编制过程中，根据机床性能、工件材料及零件加工要求，自动选择最佳刀具及切削用量。有的CNC系统还具有自适应控制功能。(5)为了适应自动化技术的进

29、一步发展，适应工厂自动化规模越来越大的要求，为了满足不同厂家不同类型数控机床的联网需要，现代CNC系统的通信功能不断加强。不少CNC系统采用了MAP工业控制网络或类似网络，现已实现MAP3.0版本，可以很方便地进入柔性制造系统和计算机集成制造系统。 数控系统连接原理分析 FANUC系统O系列概述FANUC 0系列是结构紧凑、可组成面板装配式的CNC装置，易于组成机电一体化系统。F0 i是F0系列的派生产品，与F0相比是更加紧凑的经济型CNC 装置。FANUC公司先后开发出0MB系列和0MC（包括0MF）系列，其中0MC（F）系列为90年代初推出的具有MST的32位的CNC系统。0MA为多微处理

30、器CNC系统，主CPU为8086，伺服CPU为8086，图形及面板操作也用CPU。结构上采用大板，控制线路采用专用LSI：BAC（总线仲裁控制器），IOC9（I/O控制器）以及MB87103（位置控制器）。0ME是0MA向东方国家销售时的标志，与0MA硬，软件结构一样。F0系列有多个品种，它适用于各种中小型机床F0MA/MB/MEA/MC 用于加工中心，镗床和铣床F0MF 用于加工中心，镗床及铣床的对话式CNC装置F0TA/TB/TEA/TC 用于车床F0TF 用于车床的对话式CNC装置F0TTA/TTB/TTC 用于一个主轴双刀架或双主轴刀架的4周控制车床F0GA/GB 用于磨床F0PB 用

31、于回转头压力机 主要构成由主板，PMC，增设I/O板图形控制板和电源单元板组。主板采用大板结构，其它为小板插在主板上面，组成F0系列控制部分。C系列为FANUC系统中的最高档产。它采用了SMT和专用LSI，体积减小到0A，0B的40%。采用薄形显示MDI，采用EL（场致发光）元件，比CRT显示厚度尺寸减小了三分之二。 主要特点(1)多微处理器结构0A系列以80186为主，CPU，0B系列主CPU为80286，0系列主CPU为80386。图形控制和操作面板控制等也采用了CPU。控制线路上采用多种LSI，BAC，IOC以及MB87103等。其中，BAC用于各CPU之间的总线仲裁。IOC用于输入输出

32、信号的控制。MB87103用于位置控制，包括DDA插补，误差寄存器，基准计数器，脉宽调制及检测倍数DMR的运算。其系统结构如图1.1所示：(2)PMC用CPU为8086。PMC的两种规格为FANUC L，FANUC M。后者在功能上强于前者。(3)除具有串行接口RS232C外又增加了具有高速串行接口远程缓冲器，以此实现DNC功能。图 FANUC 0系列的系结构框图 数控系统连接原理 基本组成FANUC 0i系统由主板和输入/输出两个模块组成。主板模块包括CPU、内存、PMC控制、输入/输出LINK控制、伺服控制、主轴控制、内存卡I/F、LED显示等；输入/输出模块包括电源、输入/输出接口、通信

33、借口、MDI控制、显示控制、手摇脉冲发生器控制和高速串行总线。各部分与机床外部设备连接的插槽或插座如图所示。 各部件的连接FANUC 0i系统的连接如图所示，系统输入电压为DC24V，电流为7A。目前伺服电动机和主轴电动机的电源电压为三相AC200V和三相AC400V（HV型）两种。系统直流电源与交流电源的通电和断电次序有严格要求，不满足条件会出现报警或损坏伺服放大器，所以，应保证通电和断电都在CNC的控制之下，见表1。表1 FANUC 0i系统电源接通和断开顺序电源接通顺序机床电源（三相AC200V）通过FANUC输入/输出Link连接的从设备，电源为DC200V控制单元和CRT单元的电源（

34、DC24V）电源断开顺序通过FANUC输入/输出Link连接的从设备，电源为DC24V控制单元和CRT单元的（DC24V）机床电源（三相AC200V）伺服系统的连接分A型和B型。由伺服放大器上的一个短路棒控制，A型连接是将位置反馈线接到CNC系统，B型连接是将位置反馈线接到伺服放大器。前者的位置环在CNC内，后者的位置环是在伺服系统内。0i和近期开发的系统多用B型，0系统大多用A型，具体连接方法与伺服软件有关，不可任意使用。连接时最后的放大器JX1B需插上FANUC提供的短接插头，如果遗忘会出现#401报警（一轴、二轴伺服放大器准备好信号*DRDY断开）。另外，若选用两轴伺服驱动器，应将功率大

35、的电动机接在M端子上，功率小的电动机接在L端子上，否则，电动机运转时，会听到不正常的嗡嗡声。FANUC 0i系统伺服控制的半闭环或全闭环的选择由参数设定和连线方式决定。主轴电动机的控制有两个接口：模拟借口和数字接口。模拟借口用于其他公司的主轴电动机，数字借口用语FANUC公司的主轴电动机，此时，主轴上的位置编码器信号应接到主轴电机驱动器上的JY4口，JY2口是速度反馈口。图 FAUNC 0i系统控制单元图 FANUC 0i系统连接图目前使用的输入/输出接口有两种。内装输入/输出印制版和外部输入/输出模块。内装输入/输出板通过系统总县与CPU交换信息，外置输入/输出模块用输入/输出Link电缆与

36、系统相连，数据传送方式采用串行格式，故可实现远程连接。内置输入/输出模块与外部输入/输出模块的地址范围不同。为使机床运行可靠，应注意强电和弱电信号线的屏蔽及系统和机床的接地，电平4.5V以下的信号必须屏蔽切屏蔽线要接地，CNC系统、伺服和主轴控制单元及电动机外壳均要接大地，一般采用一点接地方式。为防止电网干扰，交流输入端必须接线滤波器和浪涌吸收器。如果这些电磁兼容设计问题出来不当，机床将出现#910（DRAM奇偶错误）、#930（CPU错误，异常中断）报警或不明原因的误动作。伺服系统的连接分为A型和B型。由伺服放大器上的一个短路棒控制，A 型连接是将位置反馈到CNC系统，B型连接是将位置反馈线

37、接到伺服放大器。前者的位置环在CNC内。后者的位置环在伺服系统内。0i和近期开发的系统多用B型,0系统大多用A型,具体连接方法与伺服软件有关,不可仪任意使用.连接时最后的放大器的JX1B需插上FAUNC提供的短线接头,如果遗忘就会出现#401报警(一轴二轴伺服放大器准备好信号DRDY断开).另外,若选用两轴型伺服驱动器,应将功率大的电动机M端子上,功率小的电动机接在L端子上,否则,电动机运转时,会听到不正常的翁翁声.FANUC 0i系统伺服控制的半闭环或全闭环的选择由参数设定和接线方式决定.主轴电动机的控制有两种接口:模拟接口(DC0VDC10V或DC10V)和数字(串行传送)接口。模拟接口用

38、于其它公司的主轴电动机，数字接口用于FANUC公司的主轴电动机，此时，主轴上的位置编码器信号应该接到主轴电动机驱动器上的JY4口，JY2口是速度反馈口。目前使用的输入/输出接口有两种，内装输入/输出印制版和外部输入/输出模块。内装输入/输出板通过系统总线CPU交换信息，外置输入/输出模块用输入/输出Link电缆与系统连接数据传送方式采用串行格式，故可实现远程连接。内置输入/输出模块与外部输入/输出模块的地址范围不同。为使机床运行可靠，应注意强电和弱电信号的屏蔽及系统和机床的接地（连接说明书中把地线分为信号地，机壳地和大地），电平4.5以下的信号线必须屏蔽且屏蔽线要接地，CNC系统，伺服和主轴控

39、制单元以及电动机外壳均要接大地，一般采用一点接地方式。为防止电网干扰，交流输入端必须接线滤波器和浪涌吸收器。如果这些电磁兼容设计问题处理不当，机床将出现#910（DRAM奇偶性错误）#930（CPU错误，异常中断）报警或不明原因的误动作。3 可编程控制器 可编程控制器概述 可编程控制器的定义国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月发表了第二稿，1987年2月又颁布了第三稿。1987年颁布的可编程控制器的定义如下：“可编程控制器4是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行命令，

40、进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入、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的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计。” 可编程控制器的主要特点（1）可靠性高 可靠性指的是可编程控制器平均无故障时间，可靠性即反映了用户的要求，有是可编程控制器生产厂家着力追求的技术指标。目前各生产厂家的PLC平均无故障安全运行时间都远大于国际电工委员会（IEC）规定的10万小时的标准。可编程控制器在设计、制作、元器件的选取上，采用了精选、高度集成化和冗余量大等一系列措施，延长元器件的工作寿命，提高系统的可靠性。在抗干扰性上，

41、采取了软、硬件多重抗干扰措施，使其能安全地工作在恶劣的工业环境中。国际大公司制造工艺的先进性，也进一步提高了可编程控制器的可靠性。（2）控制功能强 可编程控制器不但具有对开关量和模拟量的控制能力，还具有数值运算、PID调节、数据通信、中断处理的功能。PLC具有扩展灵活的特点，还具有功能的可组合性，如运动控制模块可以对伺服电机和步进电机速度与位置进行控制，实现对数控机床和工业机器人的控制。（3）组成灵活 可编程控制器品种很多。小型PLC为整体结构,并可外接I/O扩展机箱构成PLC控制系统。中大型PLC采用分体模块式结构,设有各种专用功能模块(开关量、模拟量输入、输出模块,位控模块,伺服、步进驱动

42、模块等)供选用和组合,由于各种模块组成大小和要求不同的控制系统。PLC外部控制电路虽然仍为硬接线系统,但当受控对象的控制要求改变时,可以在线使用编程器修改用户程序来满足新的控制要求,最大限度地缩短了工艺更新所需要的时间。（4）操作方便 PLC提供了多种面向用户的语言,如常用的梯形图LAD(Ladder Diagram),指令语句表STL(Statement List),控制系统流程图CSF(Control System Flowchart)等。PLC的最大优点之一就是采用易学易懂的梯形图语言,它是以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型,直观易懂,极易被现场电气工程技术人员掌握,为可编程控制器

43、的推广应用创造了有利条件 可编程控制器的分类及发展 可编程控制器的分类方法目前,可编程控制器产品种类很多,型号和规格也不统一。通常只能按照其用途、功能、结构、点数等进行大致分类5。（1）按点数和功能分类 可编程控制器用于对外部设备的控制，外部信号的输入及PLC运算结果的输出都要通过PLC输入、输出端子来进行接线，输入、输出端子的数目之和被称作PLC的输入、输出点数，简称I/O点数。为满足不同控制系统处理信息量的要求PLC具有不同的I/O点数、用户程序存储量和功能。由I/O点数的多少可将PLC分成小型（含微型）、中型和大型（或称作低、中、高档机）。（2）按结构形式分类 根据结构形式不同，可编程控

44、制器可分为整体式结构和模块式结构两大类。小型PLC一般采用整体式结构，即将所有电路安装与1个箱内为基本单元，另外，可以通过并行接口电路连接I/O扩展单元。中型以上PLC多采用模块式，不同功能的模块，可以组成不同用途的PLC，适用于不同要求的控制系统。（3）按用途分类 根据可编程控制器的用途，PLC可分为通用型和专用型两大类。通用型PLC作为标准装置，可供各类工业控制系统选用。专用型PLC是专门为某类控制系统设计的，由于其专用性，结构设计更为合理，控制性能更完善。 可编程控制器的发展从可编程控制器的发展来看，有小型化和大型化两个趋势。小型PLC有两个发展方向，即小（微）型化和专业化。随着数字电路

45、集成度的提高、元器件体积减小、质量提高、可编程控制器结构更加紧凑，设计制造水平在不断进步。微型化的PLC不仅体积小，功能也大有提高。过去一些大中型PLC才有的功能如模拟量的处理、通信、PID调节运算等，均可以被移植到小型机上。大型化指的是大中型PLC向着大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。 可编程控制器的工作原理按照可编程控制器系统的构成原理6,可编程控制器系统由传感器,可编程控制器和执行器组成,可编程控制器通过循环扫描输入端口的状态,执行用户程序来实现控制任务,其操作原理如图所示,操作过程分析如下:PLC将内部数据存储器分成若干

46、个寄存器区域,其中过程映象区又称为I/O映像寄存器区域。过程映像区域的输入映像寄存器区域(PII)用来存放输入端点的状态,输出映像积存器区域(PIQ)用来存放用户程序(OBI)运行的结果。图 PLC操作过程PLC输入模块的输入信号状态与传感器信号相对应，为传感信号经过隔离和滤波后的有效信号。开关量输入电路通过识别传感器0、1电平，识别开关的通断。CPU在每个扫描周期的开始扫描输入模块的信号状态，并将其状态送入到输入映像寄存器区域；CPU根据用户程序中的程序指令来处理传感器信号，并将处理结果送到输出映像寄存器区域。PLC输出模块具有一定的负载驱动能力，在额定负载以内，直接和负载相连，可以驱动相应

47、的执行器。 数控机床PLC 数控机床PLC的控制对象控机床的控制可分为两大部分：一部分是坐标轴运动的位置控制，另一部分是数控加工过程中的顺序控制。前者处理高速轨迹信息，后者处理低速辅助信息（PLC）。在讨论PLC、CNC和机床机械部件、机床辅助装置、强电线路之间的关系时，常把数控机床分为“NC侧”和“MT侧”（即机床侧）两大部分。NC侧包括CNC系统的硬件和软件以及与CNC连接的外部设备；MT侧包括机床机械部分及其液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置，机床操作面板，继电器线路，机床强电线路等。PLC处在CNC和MT之间，对NC侧和MT侧的输入、输出信号进行处理。从MT侧来说，最终受控对象的数

48、量和顺序控制的复杂程度是依CNC车床、CNC铣床、加工中心、FMC、FMS的顺序递增的。 数控机床PLC的信息交换PLC、CNC和MT之间的信息交换包括以下四个部分：（1）CNC传送给PLCCNC送至PLC的信息可由开关量输出信号（对CNC侧而言）完成，也可由CNC直接送入PLC的寄存器中主要包括各种功能代码M、S、T的信息，手动/自动方式信息及各种使能信息等。（2）PLC传送给CNCPLC送至CNC的信息由开关变量输入信号（对CNC侧而言）完成，所有PLC送至CNC的信号地址与含义由CNC生产厂家确定，PLC编程者只可使用不可改变和增删。主要包括M、S、T功能的应答信息和各坐标轴对应的机床参

49、考点信息等。（3）PLC传给MTPLC控制机床的信号通过PLC的开关量输出接口送至MT中。主要用来控制机床的执行元件，如电磁阀、继电器、接触器以及各种状态指示和故障报警等。（4）MT传送给PLC机床的开关量信号可通过开关量输入接口送入PLC中，主要是机床操作面板输入信息和其上的各种开关、按钮等信息，如机床的启停、主轴的正反转和停止、各坐标轴点动、 刀架或卡盘的夹紧与松开、切削液的开关、倍率选择及各运动部件的限位开关信号等信息。不同数控系统CNC和PLC之间的信息交换方式、功能强弱差别很大，但其最基本的功能是CNC将所需执行的M、S、T代码送到PLC，由PLC完成相应的控制动作，再由PLC送给C

50、NC完成信号FIN。 PLC在数控机床中的工作流程PLC在数控机床中的工作流程7和通常的PLC工作流程基本上是一致的，分为以下几个步骤：（1）输入采样就是PLC以顺序扫描的方式读入所有输入端口的信号状态，并将此状态，读入到输入映象寄存器中。当然，在程序运行周期中这些信号状态是不会变化的，除非一个新的扫描周期的到来，并且原来端口信号状态已经改变，读到输入映象寄存器的信号状态才会发生变化。（2）程序执行该阶段系统会对程序进行特定顺序的扫描，并且同时读入输入映像寄存区、输出映像寄存区的读取相关数据，在进行相关运算后，将运算结果存入输出映像寄存区供输出和下次运行使用。（3）出刷新阶段在指令执行完成后，

51、输出映像寄存区的所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过特定方式输出，驱动外部负载。（4）操作面板的控制操作面板分为系统操作面板和机床操作面板。系统操作面板的控制信号先是进入NC，然后由NC送到PLC，控制数控机床的运行。机床操作面板控制信号，直接进入PLC，控制机床的运行。（5）机床外部开关输入信号将机床侧的开关信号输入到送入PLC，进行逻辑运算。这些开关信号，包括很多检测元件信号(如：行程开关、接近开关、模式选择开关等等)（6）输出信号控制PLC输出信号经外围控制电路中的继电器、接触器、电磁阀等输出给控制对象。 数控机床PLC的输入/输出接口输入/输出接口电

52、路的要求是：进行必要的电隔离，防止干扰信号的串入和强电对系统的破坏;进行电平转换和功率放大,PLC内部的信号电平一般是TTL电平,而机床提供和需要的信号却不一定是TTL信号,而且有的负载比较大,因此需要进行信号电平的转换和放大.在数控系统的输入/输出接口电路中,常用的器件有光电耦合器和继电器(如弹簧式继电器、固态继电器等)。(1)开关量输入信号接口如图所示为开关量输入接口电路，常用于限位开关、手持点动、刀具到位、机械原点、传输器的输入等对于一些有过渡过程的开关量还要增加适当的电平整形转换电路。(2)开关量输出信号接口如图所示为开关量输出接口电路，用于驱动24V小型继电器。图中直流继电器线圈的两

53、端须并联续流二极管，以便在线圈断电时，为感应电压提供通路，以免其他器件被击穿破坏。图 开关量输入接口电路 图 开关量输出电路 数控系统中PLC的工作原理PLC实际上就是一种计算机控制系统，具有更多更强的输入/输出接口和面向电气工程技术人员的编程语言。如图所示为一种小型PLC的内部结构12。它由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出单元、编程器、电源和外部设备等组成，各部分通过总线相连。中央处理器（CPU）是系统的核心，一般是通用微处理器。它通过输入模块采集现场信息，按用户程序规定进行逻辑处理，将运算结果输出，去控制外部设备。存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作数据。系统程序包括监控程序

54、、模块化应用功能子程序、指令解释程序、故障诊断程序和各种管理程序等，作用是控制和完成PLC的各种功能，由制造厂家固化在PROM 图 PLC结构示意图型存储器中，一般不允许用户修改。用户程序是指用户根据生产过程的工艺要求编写的应用程序，在修改、调试完成后由用户固化在EPROM型存储器中。工作数据是在PLC运行过程中需要经常存取，并且随时可能改变的一些中间数据，一般放在随机存储器RAM中，其中的一些重要数据由后备电池来保存。输入/输出模块负责外部现场信号电平和PLC内部标准逻辑电平间的转换。根据型号特点可分为直流开关量输入模块、直流开关量输出模块、交流开关量输入模块、交流开关量输出模块、继电器输出

55、模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块等。编程器是用来开发、调试、运行应用程序的特殊工具，一般由键盘、显示屏、智能处理器、外部设备（硬盘、软驱）等组成，通过通信接口与PLC相连。装有专用软件的通用微型计算机也可作为编程器使用。电源单元的作用是将外部提供的交流电源转换为PLC内部所需要的直流电源。一般情况下，电源有三路输出：一路供给CPU模块使用，一路供给编程器接口使用，还有一路供给各种接口模板使用。PLC对电源的要求是：较好的电磁兼容性能，工作稳定，具有交流、过压保护。另外电源单元还装有后备电池（锂电池），用于掉电时保护RAM区的重要信息和标志。在大、中型PLC中还配有扩展接口和智能输入/输出模

56、块。扩展接口用来连接扩展PLC单元，从而扩大PLC的规模，如扩大PLC的输入输出点数。智能输入/输出模块本身带有CPU，能独立完成某种专用的功能，由于它和主PLC并行工作，从而大大提高了PLC的运行速度和效率。这类智能模块有：计数和位置编码器模块、温度控制模块、阀控制模块和闭环PID控制模块等。PLC内部一般采用循环扫描工作方式（在大、中型PLC中还增加了中断工作方式）。实现过程为：将调试完成的用户应用程序用编程器写入PLC的EPROM中；将现场输入信号和被控制的执行元件相应的连接到输入模板的输入端和输出模板的输出端；将PLC的运行控制开关置于运行方式，PLC就以循环顺序扫描的工作方式，在输入

57、信号和用户程序的控制下，产生相应的输出信号，完成预定的控制任务。如图所示可以看出，一个扫描周期要完成如下六个模块的处理过程：(1)自诊断模块 在PLC的每个扫描周期内首先要执行自诊断程序，主要包括软件系统的校验、硬件RAM的测试、CPU的测试、总线的动态测试等。如发现异常，PLC在做出相应的保护处理后停止运行，并显示出错信息。如诊断正常将继续执行后续模块的功能。(2)编程器处理模块 该模块主要完成PLC与编辑器间的信息交换过程。如果PLC的控制开关拨向编程工作方式，则当CPU执行到这里时马上将总线控制权交给编程器。用户可通过编程器在线监视和修改内存中的用户程序，启动或停止CPU，读出CPU状态

58、，封锁或开放输入输出，对逻辑变量和数字变量进行读写等。当编程器完成工作或达到所规定的信息交换时间后，将总线的控制权交还CPU。(3)网络处理模块 该模块完成与网络进行信息交换的扫描过程，只有当PLC配置了网络功能时，才执行该扫描过程，它主要用于PLC与PLC之间、PLC与计算机之间进行信息交换。(4)用户程序处理模块 在用户程序处理过程中，PLC中的CPU采用查询方式，首先通过输入模块采样现场的状态数据，并传送到输入映像区。PLC按照梯形图（用户程序） 图 PLC循环顺序扫描工作流程图左后右、先上后下的顺序执行用户程序，根据需要可在输入映像区提供有关现场信息，在输出映像区提供有关历史信息，并在

59、处理后将结果存入输出映像区，供下次处理时使用或准备输出。该模块在PLC的运行过程中占有重要的位置，如图所示为它的执行过图示 PLC用户程序扫描过程(5)超时检查模块 超时检查模块过程是由PLC内部的看门狗定时器（Watch Dog Timer，WDT）来完成，若扫描周期执行时间没有超过WDT的设定时间，则继续执行下一个扫描周期；若时间超过了，则CPU停止运行，复位输出，并在报警后转入停机扫描过程。由于超时大多是硬件或软件故障而引起的系统死机，或者用户程序执行时间过长的“程序跑飞”，它的危害性极大，所以必须加以监视和防范。(6)出错处理模块 当自诊断出错或超时出错时进行报警，显示出错信息并作相应

60、处理（例如将全部输出口置为OFF状态，保存目前执行状态），然后停止扫描过程。4 NC-PLC-MT接口信号表 NCPMC接口信号分析与定义VNCPMC接口信号见下表TTCKREADPL定时器定时器计数器保持型继电器内部继电器外部继电器信息继电器数据表子程序号标号T01 to T08(单位:8ms)T09 to T40(单位:8ms)C1 to C20K0 to K19R0 to R999R0 to R999A0 to A24D0 to D1859 (0iA)D0 to D9999 (0iB/0iC)P1 to P512 (0iA)P1 to P2000 (0iB/0iC)L1 to L999