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一、PLC和NC的关系

PLC用于通用设备的自动控制,称为可编程控制器。PLC用于数控机床的外围辅助电气的控制,称为可编程序机床控制器。因此,在很多数控系统中将其称之为PMC(programmablemachinetoolcontroller)。数控系统有两大部分,一是NC、二是PLC,这两者在数控机床所起的作用范围是不相同的。可以这样来划分NC和PLC的作用范围:

1、实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规律的数字控制。这个任务是由NC来完成;

2、机床辅助设备的控制是由PLC来完成。它是在数控机床运行过程中,根据CNC内部标志以及机床的各控制开关、检测元件、运行部件的状态,按照程序设定的控制逻辑对诸如刀库运动、换刀机构、冷却液等的运行进行控制。
在数控机床中这两种控制任务,是密不可分的,它们按照上面的原则进行了分工,同时也按照一定的方式进行连接。NC和PLC的接口方式遵循国际标准“ISSO4336-1981(E)机床数字控制-数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范”的规定,接口分为四种类型:

1、与驱动命令有关的连接电路;

2、数控装置与测量系统和测量传感器间的连接电路;

3、电源及保护电路;

4、通断信号及代码信号连接电路;

从接口分类的标准来看,第一类、第二类连接电路传送的是数控装置与伺服单元、伺服电机、位置检测以及数据检测装置之间控制信息。第三类是由数控机床强电电路中的电源控制控制电路构成。通常由电源变压器、控制变压器、各种断路器、保护开关、继电器、接触器等等构成。为其他电机、电磁阀、电磁铁等执行元件供电。这些相对于数控系统来讲,属于强电回路。这些强电回路是不能够和控制系统的弱电回路,直接相连接的,只能够通过中间继电器等电子元器件转换成直流低压下工作的开关信号,才能够成为PLC或继电器逻辑控制电路的可接受的电信号。反之,PLC或继电器逻辑控制来的控制信号,也必须经过中间继电器或转换电路变成能连接到强电线路的信号,再由强电回路驱动执行元件工作。第四类信号是数控装置向外部传送的输入输出控制信号。

二、PLC在数控机床中的应用

1、PLC在数控机床中的应用形式

PLC在数控机床中应用,通常有两种形式:一种称为内装式;一种称为独立式。

内装式PLC也称集成式PLC,采用这种方式的数控系统,在设计之初就将NC和PLC结合起来考虑,NC和PLC之间的信号传递是在内部总线的基础上进行的,因而有较高的较高交换速度和较宽的信息通道。它们可以共用一个CPU也可以是单独的CPU这种结构从软硬件整体上考虑,PLC和NC之间没有多余的导线连接,增加了系统的可靠性,而且NC和PLC之间易实现许多高级功能。PLC中的信息也能通过CNC的显示器显示,这种方式对于系统的使用具有较大的优势。高档次的数控系统一般都采用这种形式的PLC。
独立式PLC也称外装式PLC,它独立于NC装置,具有独立完成控制功能的PLC。在采用这种应用方式式,可根据用户自己的的特点,选用不同专业PLC厂商的产品,并且可以更为方便的对控制规模进行调整。

2、PLC与数控系统及数控机床间的信息交换

相对于PLC,机床和NC就是外部。PLC与机床以及NC之间的信息交换,对于PLC的功能发挥,是非常重要的。PLC与外部的信息交换,通常有四个部分:

(1)、机床侧至PLC:机床侧的开关量信号通过I/O单元接口输入到PLC中,除极少数信号外,绝大多数信号的含义及所配置的输入地址,均可由PLC程序编制者或者是程序使用者自行定义。数控机床生产厂家可以方便的根据机床的功能和配置,对PLC程序和地址分配进行修改。

(2)、PLC至机床:PLC的控制信号通过PLC的输出接口送到机床侧,所有输出信号的含义和输出地址也是由PLC程序编制者或者是使用者自行定义。

(3)、NC至PLC:CNC至PLC:CNC送至PLC的信息可由CNC直接送入PLC的寄存器中,所有CNC送至PLC的信号含义和地址(开关量地址或寄存器地址)均由CNC厂家确定,PLC编程者只可使用不可改变和增删。如数控指令的M、S、T功能,通过CNC译码后直接送入PLC相应的寄存器中。

(4):(4)PLC至CNC:PLC送至CNC的信息也由开关量信号或寄存器完成,所有PLC送至CNC的信号地址与含义由CNC厂家确定,PLC编程者只可使用,不可改变和增删。

3、PLC在数控机床中的工作流程

PLC在数控机床中的工作流程,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: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:程序执行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:在所指令执行完成后,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、PLC在数控机床中的控制功能

(1)、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。

(2)、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)

(3)、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。

(4)、功能实现。系统送出T指令给PLC,经过译码,在数据表内检索,找到T代码指定的刀号,并与主轴刀号进行比较。如果不符,发出换刀指令,刀具换刀,换刀完成后,系统发出完成信号。

(5)、M功能实现。系统送出M指令给PLC,经过译码,输出控制信号,控制主轴正反转和启动停止等等。M指令完成,系统发出完成信号。

三、PLC与数控机床外围电路的关系

如前所述,PLC在数控机床中用来控制机床的强电回路(通过一些电器元件)。为了更好了解数控机床的PLC的控制功能,就有必要对PLC和外围电路的关系进行分析。

1、PLC对外围电路的控制

数控机床通过PLC对机床的辅助设备进行控制,PLC对对外围电路的控制来实现对辅助设备的控制的。PLC接受NC的控制信号以及外部反馈信号,经过逻辑运算、处理将结果以信号的形式输出。输出信号从PLC的输出模块输出,有些信号经过中间继电器控制接触器然后控制具体的执行机构动作,从而实现对外围辅助机构的控制。有些信号不需要通过中间环节的处理直接用于控制外部设施,比如说,有些直接用低压电源驱动的设备(如:面板上的指示灯)。也就是说每一个外部设备(使用PLC控制的)都是由PLC的一路控制信号来控制的,也就是说每一个外部设备(使用PLC控制的)都在PLC中和一个PLC输出地址相对应。

PLC对外围设备的控制,不仅仅是要输出信号控制设备、设施的动作,还要接受外部反馈信号,以监控这些设备设施的状态。在数控机床中用于检测机床状态的设备或元件主要有,温度传感器、震动传感器、行程开关、接近开关等等。这些检测信号有些是可以直接输入到PLC的端口,有些必须要经过一些中间环节才能够输入到PLC的输入端口。

无论是输入还是输出,PLC都必须要通过外围电路才能够控制机床的辅助设施的动作。在PLC和外围电路的关系中,最重要的一点就是外部信号和PLC内部信号处理的对应。这种对应关系就是前面所说的地址分配,就是将每一个PLC中地址和外围电路每一路信号相对应。这个工作是在机床生产过程中,编制和该机床相对应的PLC程序时,由PLC程序编制工程师定义。当然做这样的定义必须遵循必要的规则,以使PLC程序符合系统的要求。

(1)PLC与信号输入回路

如图2-1所示为一种数控机床的电气手册的输入单元电器图的一部分,从图上可以看到这是一个插座或者是某一个输入接口的针脚,对应与外外围电路的某一个元件、开关、旋钮同时有对应与PLC内部的输入地址。

从第一行开始,一个按钮开关或者是摇头开关接入线号为191号的回路中.191号线接到C71号插座的16号脚,16号脚对应于PLC的输入地址为X10001.3,该地址被定义为Manualabsolute(手动绝对值)。从图上所描述的,可以知道S27号按钮适用于控制手动绝对值是否有效的开关。这个开关的通断状态,通过191号线接入到插座C71上的16号脚,16号脚再将这个信号输入到PLC中,这个信号在PLC中的地址为X1001.3。通过这种定义方式,就将PLC中的信号和外围电路相对应起来。就可以通过查看PLC中的X1001.3的状态,来确定外部按钮开关的状态。

我们从图上可以看到在图上右侧文字叙述是该信号的意义,随后在其左边的是输入信号地址,更左边的是插座上的针脚号,再左边的是外围电路的线号和开关器件号。这一幅图是某机床电路图,该图是遵循通用标准来绘制,因此通过该图我们可以看到一些具有普遍意义的原则。比如说,编制PLC程序时可能会把相近的开关(从用途和分布位置上)检测元件等等的地址设定在一起。从这一幅图我们可以看到,C71上的输入信号基本上都是面板上的按钮开关或摇头开关。它们的信号类型和位置分布上是非常接近的,因此它们的输入地址(在PLC输入端)也是顺序分布。在这一幅图所属的电气手册上可以查到,C71一共有50个针脚,除去用于公共端、24V电源的脚以外,其他针脚的输入地址是从X1000.0到1004.7顺序分布。

通常情况下PLC的地址由3部分组成:1:地址类型;2:地址号;3:位号。每一个地址号下有8个地址位,每一个地址表示不同的信号。下表是中有文字描述的部分是,图4-1所示的I/O地址。

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