电气控制与可编程控制器 第3版 课件 第七章 数控设备的电气控制系统及内置PLC

第七章数控设备的电气控制系统及内置PLC第一节数控车床的电气控制系统分析第二节数控加工中心的电气控制系统分析第三节数控设备内置PLC概述第四节西门子CNC系统的内置PLC第五节FUNUC数控系统的内置PLC计算机数控系统（CNC）从低档到高档、从较封闭的专用微机系统到开放体系结构的IPC数控系统，产品系列、种类繁多。硬件结构上，能与主轴驱动器、各伺服轴驱动器相连接；软件上，依靠内装的CNC程序，识别机械加工程序、控制各轴的协调运动及机床的辅助动作，完成多种复杂机械零件的高精度加工。各种数控机床的使用使得机械制造过程发生了根本性的变化。

普通数控机床（如数控车、铣床等），在控制线路上有明显的共同特点：均具有类似的主轴驱动系统和各运动方向进给驱动系统，具有类似的工作方式和操作方式，均具有辅助功能、过载保护功能、超程保护功能及故障诊断功能，总之，具有几乎类似的电路与类似的基本功能。但复杂数控设备如数控加工中心则要求数控系统具有更多的辅助功能：如加工中自动选刀、双工作台自动交换、多种加工自动循环、刀具长度及直径的自动补偿、刀具寿命管理等。以两种典型数控机床控制电路为例，说明数控设备电气控制系统的工作原理，并进一步分析典型数控系统内置PLC（又称为PMC）的编程方法

第一节数控车床的电气控制系统分析

802S数控系统控制的C0630型车床的电气控制系统总体结构

OP020为带图形显示的NC操作面板，又称为第一操作面板，可输入数控加工程序并监视加工过程；MCP为机床控制面板，称为第二操作面板，主要用来选择工作方式、主轴速度、进给速度及完成手动控制；ECU为数控系统主控制单元，需要24V直流电源供电；DI/O为数控系统内置PLC的输入输出模块；x2为25芯D型插座，是步进电机驱动器的控制信号连接线；x3为模拟主轴控制输出，是9芯D型插座，可连接主轴变频器；x4为主轴编码器输人，是15芯D型插座，用来监视主轴速度；x8为串行接口RS232，是9芯D型插座；x9为25芯D型插座，用于连接操作及机床面板；x10为手轮接口，为10芯接线端子；x20也为10芯接线端子，作为高速输人接口，用于连接产生机床参考点到达脉冲的接近开关；x2003、x2004为PLC输人接线端子，连接16输人点，x2005、x2006为PLC输出接线端子，连接16输出点。在ECU数控主机的内部，NCK表示数控基本软件模块，PLC表示内置可编程控制器软件模块。

步进驱动器和步进电机间的11根连线用于提供步进电机的五相十拍脉冲信号；驱动器与ECU的6根连线中十PULS、一PULS为正、负脉冲信号，十DIR、一DIR为正、负方向信号，＋ENA、一ENA为正、负使能信号。驱动器交流电源为85Ⅴ，直流电源为24V

步进电机驱动电路数控车床电气控制主电路主轴电机

冷却泵电机数控系统内置PLC输入、输出接线I0.0第一把刀到位I1.0X轴正向限位I0.1第二把刀到位I1.1Z轴正向限位I0.2第三把刀到位I1.2X轴负向限位I0.3第四把刀到位I1.3Z轴负向限位I0.4第五把刀到位I1.4X轴参考点减速开关I0.5第六把刀到位I1.5Z轴参考点减速开关I0.6刀架锁紧到位I1.6驱动准备好输入I0.7机床报警输入I1.7急停按钮输入PLC的输入点DIPMC的输出点DQQ0.0主轴正转接触器Q1.0主轴速度Ⅰ、Ⅲ档输出Q0.1主轴反转接触器Q1.1主轴速度Ⅱ、Ⅳ档输出Q0.2主轴制动接触器Q1.2主轴速度Ⅰ、Ⅱ档输出Q0.3冷却控制接触器Q1.3主轴速度Ⅲ、Ⅳ档输出Q0.4刀架正转继电器Q1.4

主轴速度Ⅰ档显示灯Q0.5刀架反转继电器Q1.5主轴速度Ⅱ档显示灯Q0.6导轨润滑继电器Q1.6主轴速度Ⅲ档显示灯Q0.7机床报警输出Q1.7

主轴速度Ⅳ档显示灯*关于西门子数控系统的内置PLC编程方法，参考第四节。计算机数控系统（CNC）产品种类繁多，其核心是微机控制系统，能与主轴驱动器、各伺服轴驱动器相连接，依靠内部CNC程序，识别机械加工程序、控制各轴的协调运动及机床的辅助动作，完成机械零件的高精度加工。数控加工中心是功能最完备的数控机床，与普通数控机床（如数控车、铣床）相比，控制线路上有明显的共同特点：具有类似的主轴驱动系统和各运动方向进给驱动系统，具有类似的工作方式和操作方式，均具有过载、超程保护及故障诊断功能，即具有几乎同样的基本功能；不同之处是数控加工中心比一般的数控机床具有更多的辅助功能：如加工中自动选刀、双工作台自动交换、多种加工自动循环、刀具长度及直径的自动补偿、刀具寿命管理等。加工中心早期使用的数控系统多为8位或16位专用微机控制器，功能相对较少，运算速度不高。随着计算机技术的飞速发展，大量先进的高性能计算机被直接用作加工中心数控系统的控制器，如32位或64位高性能工业控制机（IPC）已被广泛使用。

第二节数控加工中心的电气控制系统分析以IPC为核心的CNC系统称为开放体系结构数控系统，这类CNC系统产品在保留传统数控系统功能的基础上，增加了更多计算机系统的功能，如：

1)具有和计算机网络进行通讯和联网的能力：该功能将数控系统与计算机网络直接相连。通过计算机网络可以将经过数控系统验证的NC代码存盘备用，在计算机网络上由CAD/CAM软件生成的NC代码能够随时向数控系统传送。在复杂曲面加工时，由计算机网络和数控系统构成DNC加工模式，可消除数控系统程序内存容量小的限制。

2)

实现远程控制加工的能力：数控机床的远程加工是指在远离数控机床的计算机上由操作人员对已经安装正确的工件进行加工。该种加工模式要求数控机床有较高的网络资料交换能力，在加工时数控机床将控制权限交与网络，由远程计算机控制数控机床，数控机床将加工过程的资料和图像反馈给远程计算机。

卧式加工中心外形

一、INCON-M40F数控系统的内部结构二、加工中心电气控制系统的总体结构机床强电

1.主轴伺服驱动系统的工作原理

三、加工中心主轴伺服驱动系统计算机数控系统（CNC）是按照用户编制的数控加工指令，使数控机床的主轴与各进给轴之间协调运行，进行零件加工的。加工过程中，CNC系统一般只向主轴驱动单元发出速度指令U*ω，驱动单元将该指令与旋转编码器测出的实际速度Uω相比较，经数字化的速度调节器ASR和磁链函数发生器运算，得到转子当前的希望力矩U*T与希望磁链矢量U*ψ2，再分别与实际力矩、磁链运算结果UT、Uψ2相比较，且经过力矩、磁链调节器运算得到等效直流电动机（两相旋转轴系）的转矩电流分量U*it1和励磁电流分量U*im1，再经过矢量变换运算得到变频装置的三相定子电流希望值i*a、I*b、i*c，通过控制SPWM驱动器及IGBT变频主回路使负载三相电流跟随希望值，就可以完成主轴的速度闭环控制。为实现其内部复杂的运算和实时控制，驱动单元内部使用了大规模专用集成电路、高速数字信号处理器DSP和集成功率驱动模块IPM，使得驱动单元具有体积小、重量轻、运算速度高、切削精度高的特点。

2.三菱主轴驱动单元、主轴电机的硬件配置主轴驱动系统由主轴驱动单元、主轴电动机、主轴再生制动外接电阻三大部分组成。四、加工中心进给伺服驱动系统与主轴传动系统相比，数控机床的伺服驱动系统具有功率小，控制精度要求更高的特点。具体要求是：高精度、快响应、宽调速范围和低速大转矩。对伺服电动机的要求是：

1）在整个转速范围内平滑运转，低速下无爬行现象。

2）具有强的过载能力，满足低速、大转矩的要求。

3）电动机应具有较小的转动惯量和较大的堵转转矩，以满足快速响应的要求。

4）电动机应能承受频繁的起动、制动和反转冲击。

一套数控机床有多套进给轴伺服驱动系统，在加工过程中，各轴伺服驱动单元从CNC系统接受其该到达的位置控制信号，并分别将伺服电机的实际位置信号以数字信号的形式传送给CNC，由数控系统的计算机完成各轴的闭环位置控制。使各进给轴的动作、主轴的动作正确配合，完成零件加工。机床的进给伺服系统曾经经历了开环的步进电动机驱动、直流电动机伺服驱动两个阶段，目前广泛使用交流伺服系统。

交流伺服系统工作原理

CNC系统向伺服驱动单元发出速度指令U*ω，驱动单元将该指令与旋转编码器测出的实际速度Uω相比较，经速度调节器ASR运算得到转子当前的希望力矩U*T，即为希望的定子电流幅值I*，将该幅值分别与三个正弦波位置信号相乘，得到变频装置的三相定子电流希望值i*a、I*b、i*c如下：

ia*=I*sinθ

ib*=I*sin(θ-1200)

ic*=I*sin(θ+1200)

该希望值与三相电流反馈比较，分别经各自的电流调节器ACR进行电流内环调节，进而控制SPWM合成电路、驱动电路及IGBT变频主回路使负载三相电流跟随希望值，使驱动单元完成伺服轴的速度闭环控制。关于伺服轴的位置闭环控制及运算，则由CNC系统自身来完成。交流伺服系统连接电路加工中心的伺服驱动采用了三菱MR-J2-A系列交流伺服驱动器，图中的强电接线端子L1、L2、L3、PE分别为AC220V三相电源进线及屏蔽线，U、V、W为驱动器向主轴电机供电的变频输出动力线端子。交流伺服驱动器上有4个信号电缆插座CN1A、CN1B、CN2和CN3。

①CN2作为接伺服马达编码器的专用电缆。②CN3作为RS232C串行通讯口也使用专用电缆。③CN1A和CN1B的信号较为复杂，就速度控制方式来说：CN1A的LA与LAR、LB与LBR、LZ与LZR是伺服系统反馈给CNC的在当前位置编码器信号；LG、VC用来接受数控系统的模拟电压指令（±10V），SON、SG用来传递伺服ON信号；EMG、LSP和LSN是外界发向伺服系统的开关量控制信号，分别为急停输入、正转行程极限和反转行程极限输入信号，以SG为信号公共点，正常运行需闭合，断开意味着报警，因此使用中均短接；④CN1B的ALM与SG之间为伺服警报输出端.五.加工中心的逻辑控制电路

1．加工中心的PLC的I/O点分配加工中心的操作面板开关、传感器、电磁阀、显示灯、报警灯等各种电器元件，运行中要受数控系统内置PLC（又称为PMC）的程序控制，因此，这些信号作为机床强电逻辑电路的输入与输出点，由型号为INCON-EQ的I/O中继模板接入，每一块INCON-EQ只具有32点输入和16点输出，因此必须对加工中心所需要的控制信号进行合理分配，既满足运行要求，又节省扩展板。H400卧式加工中心上需要进入PLC逻辑控制的信号有：（1）PLC与第二操作面板间的连接信号：（2）PLC与手轮之间的连接信号：（3）PLC与手动操作面板间的连接信号：（4）PLC与机床主体之间的连接信号（5）PLC与各轴驱动单元之间的连接信号（6）其它信号2．加工中心的PLC逻辑电路第三节数控设备内置PLC概述对数控机床的电气设计人员来说，CNC系统是已经设计好的产品，CNC主机与各伺服轴驱动系统、主轴驱动系统、第一操作面版、显示器、手轮、网络通讯接口等的硬件电路均为标准连接，NC系统软件也已作为标准件完成配置，在应用电路设计上十分规范。而针对受控机床具体动作的PMC逻辑控制，从I/O点规划、NC-PMC内部联系分析、PMC软件编制到数控机床的逻辑动作调试，才是CNC系统产品在现场应用中的难点所在。建立在CNC生产厂家的系统软件基础平台之上，针对具体数控机床的控制功能和动作要求进行的PMC逻辑程序开发，又称之为数控系统二次开发。

PMC软件开发的一般步骤：

1.熟悉数控机床控制电器的动作顺序和控制逻辑。

2.按照CNC提供给PMC的资源情况，合理扩展和分配PMC的I/O点。

3.编写源程序。

4.通过编译程序将源程序文件编译为机器码文件。根据编译过程出现的错误信息提示，纠正源文件中的语法错误。

5.通过PLC仿真器模拟运行机器码文件，在模拟运行中纠正控制逻辑错误。

6.将调试通过的PMC软件写入CNC主机。不同厂家CNC系统的PMC程序写入方法也不尽相同。不同厂家的数控系统内置PLC所采用的编程语言也各不相同，如日本FANUC数控系统采用梯形图语言，西门子数控系统采用STEP-7语言。近年来随着计算机技术的发展，开放体系结构数控系统直接以工业PC为开发平台，相应的PMC就采用了高级语言如C++语言界面。第四节西门子CNC系统的内置PLC

一、802S数控系统的内外部数据联系

802S数控系统的NC、PMC及车床强电之间的信号联系地址：在进行802S数控系统的PMC编程时，可以使用的分类地址如下：

1．PLC和机床强电之间的地址分配（1)PLC的输入点DI共使用16点，地址从I0.0至I1.7

（2)PMC的输出点DO共使用16点，地址从Q0.0至Q1.72．NCK和PLC软件模块之间的内部信号地址分配

从PLC发向NC的内部信号地址用符号V、单元地址数和位数来表示,为可读/可写信号。

（1）从PLC发向NCK的内部信号V

例如V26000000.1为PLC发向NC的要求急停信号；32000006.6为PLC发向NC的快速移动修调有效信号,V32000007.1为PLC发向NC的NC启动信号V38032001.0为PLC发向NC的进给倍率对主轴有效信号；地址从V11000000.0~V11000000.5,这几个信号通过PLC发向NC，由NC程序及电路去点亮MCP上相应的发光二极管。这些信号已由西门子数控系统定义，程序仅仅按定义使用。

（2）由NCK发向PLC的内部信号V

由NCK发出的可供PMC读入使用的内部信号地址也用符号V、单元地址数和位数来表示。但这些V变量仅作为只读信号供PLC程序读取，信号内容和地址也由数控系统统一定义，编制PLC程序时不能改变之。例如V27000000.1为NC发出的、供PLC程序读取的急停有效信号；V33000001.7为为NC发出的、供PLC程序读取的程序测试有效信号,V33000004.2为NC发出的、供PLC程序读取的所有轴回参考点信号;V25001001.1为NC发出的、供PLC程序读取的M09辅助功能信号；V39032001.0为NC发出的、供PLC程序读取的主轴速度超出极限信号。

二、802S内置PLC的编程资源和相关机床参数

1.802S数控系统内置PLC的编程资源

表7-5802S数控系统内置PLC有效操作数范围操作地址符说明范围V数据V0.0到V99999999.7T计数器Y0到T15(单位:100ms)C计数器C0到C31I数字输入I0.0到I7.7Q数字输出Q0.0到Q7.7M标志位M0.0到M127.7SM特殊标志位SM0.0到SM0.6AACCU（逻辑）AC0到AC1(Udword)AACCU（算术）AC2到AC2(Dword)有效操作数范围SM位说明SM0.0定义带“1”信号SM0.1第一次PLC循环“1”，后面循环“0”SM0.2缓冲数据丢失：只适用第一次PLC循环（‘0’不丢失，‘1’数据丢失）SM0.3重新起动：第一次PLC信号‘1’，后面信号‘0’SM0.460秒周期的脉冲（占空比，30秒‘0’，30秒‘1’）SM0.51秒周期脉冲（占空比，0.5秒‘0’，0.5秒‘1’）SM0.6PLC信号周期（交替循环‘0’和循环‘1’）特殊标志位说明

2.与内置PLC相关的数控系统参数设置

数控系统参数MD14512对PLC信号的“屏蔽”参数机床参数MD14512USER_DATA_HEX索引Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0[0]输入信号有效I0.7I0.6I0.5I0.4I0.3I0.2I0.1I0.0[1]输入信号有效I1.7I1.6I1.5I1.4I1.3I1.2I1.1I1.0[4]输入信号有效Q0.7Q0.6Q0.5Q0.4Q0.3Q0.2Q0.1Q0.0[5]输入信号有效Q1.7Q1.6Q1.5Q1.4Q1.3Q1.2Q1.1Q1.0[8]输入信号有效K7K6K5K4K3K2K1K0

与PLC程序相关的机床参数MD14510机床参数MD14510USER_DATA_HEX[0]刀架刀位数（4或6）[1]刀架卡紧时间（单位：100ms）[2]主轴制动时间（单位：100ms[3]润滑间隔（单位：1Min）[4]每次润滑时间（单位：100ms）

三、802S数控系统车床PMC程序结构

802S数控系统的车床PMC程序总体结构，由主程序加上被主程序和子程序调用的各子程序连接而成。PMC主程序梯形图润滑子程序示例第五节FUNUC数控系统的内置PLC一.FANUC数控系统内置PLC概述FUNUC数控系统的PMC编程时，可以使用的分类地址:

1．PMC和机床强电之间的地址分配

(1)PMC的输入点X（机床强电输入PMC）

(2)PMC的输出点Y（PMC机床强电）

2．PMC和NC软件模块之间的内部信号地址分配

(1)从PMC发向NC的内部信号G（PMCNC）

(2)由NC发出的可供PMC读入使用的内部信号F（NCPMC）

在FANUC系统的PMC中，内部继电器用符号R、单元地址数和位数来表示；有断电锁存功能的固定存储器用符号D、单元地址数和位数来表示，用电池作后备电源，可用作保持继电器或保存定时器、计数器、数据表的数据。依据PMC的类型不同，数控系统提供给用户的R继电器和D存储器的单元数目也不同。

二、FANUC数控系统PMC的基本指令基本指令和处理内容序号指令处理内容1RDRD RD读出指令信号的状态并把它设置入ST0。在一个梯级开始的节点是常开节点时使用。2RD.NOT读出指令信号的“非”状态，并置入ST0。在一个梯级开始的节点是常闭节点时使用。3WRT输出逻辑操作结果（ST0状态）到指令地址。4WRT.NOT输出逻辑操作结果（ST0状态）的“非”状态并输出到指令地址。5AND将ST0的状态与指定信号的状态相“与”，再将结果置入ST0。6AND.NOT将ST0的状态与指定信号状态的“非”状态相“与”，再将结果置入ST0。7OR将ST0的状态与指定信号的状态相“或”，再将结果置入ST0。8OR.NOT将ST0的状态与指定信号状态的“非”状态相“或”，再将结果置入ST0。9RD.STK堆栈寄存器左移一位，并把指定地址的状态置于ST0。10RD.NOT.STK堆栈寄存器左移一位，并把指定地址状态的“非”状态置于ST0。。11AND.STK将ST0和ST1内容执行逻辑“与”，并将结果存于ST0，堆栈寄存器右移一位。12OR.STK将ST0和ST1内容执行逻辑“或”，并将结果存于ST0，堆栈寄存器右移一位。基本指令举例1基本指令举例2基本指令举例3基本指令举例4三、FANUC数控系统PMC的功能指令功能指令格式

1．顺序程序结束指令END

顺序程序结束指令有END1、END2和END3从高到低三个级别，常用的结束指令是高级顺序程序结束指令END1和低一级的顺序程序结束指令END2。END1指令END2指令高级程序与低级程序的时间分割

2．定时器指令TMR、TMRBFANUC系列PMC中有两条16位定时器功能指令，一种是根据数据地址通过手动数据输入面板（MDI）在CRT界面预先设定的可变时间定时器TMR，另一种是设定时间在编程时已被编入梯形图，不能用CRT/MDI改写的固定时间定时器TMRB。TMRB指令TMR指令3.译码指令DEC译码指令DEC主要用于M或T功能的译码，指令示例如图

关于译码结果输出的规则为：当F151中的M码是M10时，结果输出到内部继电器置R638.7为“1”状态。本例中译码指令执行条件ACT为三个信号的串联。

4.计数器指令CRT

图中0001为第1号计数器，计数预置值存储于D450开始的两个单元中，预置范围0～9999，,从D450开始的五个存储单元不能被其它指令使用。利用计数器指令CTR的控制条件可以选择计数器的控制方式。图中控制条件CN0被用来明确计数初值：如CNO=0，计数器从0开始计数；如CNO=1，则计数器从1开始计数。UPDOWN被用来明确计数向上或向下的方向：如UPDOWN=0，计数器从预置值开始向上计数；如UPDOWN=1，则向下计数。ACT为计数脉冲输入信号，对上升沿计数，计数器计满后从R561.3位输出。RST为复位。计数器指令示例

5.符合检查指令COIN

本指令没有序号，图中第一个参数指示参考数值(目标数值)的寻址方式，0001表示参考数值被存放在某个地址中，本例的参考数值被存放在D484单元；如果该参考数值不使用D484地址，而直接采用常数指定，则第一个参数0001应改成0000指示。D452地址中的内容为被比较数值。R561.3输出检查结果,当比较数值等于参考数值时,R561.3的输出变为“1”。该指令有两个控制条件：BTY用来指定被处理数据的位数，BTY=0表示被比较的两个数据为2位的BCD码，BTY=1表示被比较的两个数据为4位的BCD码；ACT为译码指令执行条件。符合检查指令示例

6．二进制代码转换指令COD二进制代码转换指令COD用来将BCD码转换为2位或4位的BCD数。二进制代码转换指令示例

7．旋转控制指令ROT

旋转控制指令适合于有环型位置分度的刀库、回转工作台等在旋转定位时使用。其功能是：选择正确的（经由最短路径）旋转方向,计算当前位置与目标位置之间的步数或步距数，或者计算当前位置与目标的前一位置的步数或步距数。旋转控制指令编程示例

旋转指令的控制条件说明：

RN0指示旋转位置编号从0还是从1开始，RN0=0，说明转动位置编号以0开始（24个位置分别为0～23）；RN0=1，说明转动位置编号以1开始（24个位置分别为1～24）。

BYT用来确定所处理数据（位置数据）的位数，BYT=0表示位置数据为2位BCD码；BYT=1表示位置数据为4位BCD码

DIR决定是否选择最短路径。如DIR=0，不选择方向，旋转方向只为正向；DIR=1时，按达到目标位置的最短路径选择旋转方向。

POS信号被用来确定计算条件。如POS=0，指令计算到达目标位置的步数或步距数；如POS=1，则计算到达位置的前一位置的步数或步距数。

INC信号决定计算步数或步距数。INC=0时计算步数（要旋转的位置数）；INC=1时计算步距数（要旋转的位置空隙数）。

ACT=1是执行该指令并输出结果的条件。

8．加法指令ADD加法指令ADD（累加器）的功能是完成2位或4位BCD数据的加法运算。加法指令编程示例该指令有三个控制条件：BTY用来指定