PLC與數(shù)控機床的關系

   PLC用于通用設備的自動控制，稱為可編程控制器。PLC用于數(shù)控機床的外圍輔助電氣的控制，稱為可編程序機床控制器。因此，在很多數(shù)控系統(tǒng)中將其稱之為PMC（programmable machine tool controller）。數(shù)控系統(tǒng)有兩大部分，一是NC、二是PLC，這兩者在數(shù)控機床所起的作用范圍是不相同的。可以這樣來劃分NC和PLC的作用范圍：

1、 實現(xiàn)刀具相對于工件各坐標軸幾何運動規(guī)律的數(shù)字控制。這個任務是由NC來完成；

2、 機床輔助設備的控制是由PLC來完成。它是在數(shù)控機床運行過程中，根據(jù)CNC內(nèi)部標志以及機床的各控制開關、檢測元件、運行部件的狀態(tài)，按照程序設定的控制邏輯對諸如刀庫運動、換刀機構、冷卻液等的運行進行控制。

在數(shù)控機床中這兩種控制任務，是密不可分的，它們按照上面的原則進行了分工，同時也按照一定的方式進行連接。NC和PLC的接口方式遵循國際標準“ISSO 4336-1981(E)機床數(shù)字控制－數(shù)控裝置和數(shù)控機床電氣設備之間的接口規(guī)范”的規(guī)定，接口分為四種類型：

1、與驅動命令有關的連接電路；

2、數(shù)控裝置與測量系統(tǒng)和測量傳感器間的連接電路；

3、電源及保護電路；

4、通斷信號及代碼信號連接電路；

從接口分類的標準來看，第一類、第二類連接電路傳送的是數(shù)控裝置與伺服單元、伺服電機、位置檢測以及數(shù)據(jù)檢測裝置之間控制信息。第三類是由數(shù)控機床強電電路中的電源控制控制電路構成。通常由電源變壓器、控制變壓器、各種斷路器、保護開關、繼電器、接觸器等等構成。為其他電機、電磁閥、電磁鐵等執(zhí)行元件供電。這些相對于數(shù)控系統(tǒng)來講，屬于強電回路。這些強電回路是不能夠和控制系統(tǒng)的弱電回路，直接相連接的，只能夠通過中間繼電器等電子元器件轉換成直流低壓下工作的開關信號，才能夠成為PLC或繼電器邏輯控制電路的可接受的電信號。反之，PLC或繼電器邏輯控制來的控制信號，也必須經(jīng)過中間繼電器或轉換電路變成能連接到強電線路的信號，再由強電回路驅動執(zhí)行元件工作。第四類信號是數(shù)控裝置向外部傳送的輸入輸出控制信號。

二、PLC在數(shù)控機床中的應用

1、 PLC在數(shù)控機床中的應用形式

PLC在數(shù)控機床中應用，通常有兩種形式：一種稱為內(nèi)裝式；一種稱為獨立式。

內(nèi)裝式PLC也稱集成式PLC，采用這種方式的數(shù)控系統(tǒng)，在設計之初就將NC和PLC結合起來考慮，NC和PLC之間的信號傳遞是在內(nèi)部總線的基礎上進行的，因而有較高的較高交換速度和較寬的信息通道。它們可以共用一個CPU也可以是單獨的CPU這種結構從軟硬件整體上考慮, PLC 和NC 之間沒有多余的導線連接, 增加了系統(tǒng)的可靠性, 而且NC 和PLC 之間易實現(xiàn)許多高級功能。PLC 中的信息也能通過CNC 的顯示器顯示, 這種方式對于系統(tǒng)的使用具有較大的優(yōu)勢。高檔次的數(shù)控系統(tǒng)一般都采用這種形式的PLC。

獨立式PLC也稱外裝式PLC，它獨立于NC裝置，具有獨立完成控制功能的PLC。在采用這種應用方式式，可根據(jù)用戶自己的的特點，選用不同專業(yè)PLC廠商的產(chǎn)品，并且可以更為方便的對控制規(guī)模進行調(diào)整。

2、PLC與數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機床間的信息交換

相對于PLC，機床和NC就是外部。PLC與機床以及NC之間的信息交換，對于PLC的功能發(fā)揮，是非常重要的。PLC與外部的信息交換，通常有四個部分：

（1）、機床側至PLC：機床側的開關量信號通過I/O單元接口輸入到PLC中，除極少數(shù)信號外，絕大多數(shù)信號的含義及所配置的輸入地址，均可由PLC程序編制者或者是程序使用者自行定義。數(shù)控機床生產(chǎn)廠家可以方便的根據(jù)機床的功能和配置，對PLC程序和地址分配進行修改。

（2）、PLC至機床：PLC的控制信號通過PLC的輸出接口送到機床側，所有輸出信號的含義和輸出地址也是由PLC程序編制者或者是使用者自行定義。

（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的信號含義和地址(開關量地址或寄存器地址) 均由CNC 廠家確定,PLC編程者只可使用不可改變和增刪。如數(shù)控指令的M、S、T 功能,通過CNC譯碼后直接送入PLC相應的寄存

器中。

（4）：(4) PLC至CNC:PLC 送至CNC 的信息也由開關量信號或寄存器完成,所有PLC送至CNC的信號地址與含義由CNC 廠家確定,PLC 編程者只可使用,不可改變和增刪。

3、PLC在數(shù)控機床中的工作流程

PLC在數(shù)控機床中的工作流程，和通常的PLC工作流程基本上是一致的，分為以下幾個步驟：

（1）、輸入采樣：輸入采樣，就是PLC以順序掃描的方式讀入所有輸入端口的信號狀態(tài)，并將此狀態(tài)，讀入到輸入映象寄存器中。當然，在程序運行周期中這些信號狀態(tài)是不會變化的，除非一個新的掃描周期的到來，并且原來端口信號狀態(tài)已經(jīng)改變，讀到輸入映象寄存器的信號狀態(tài)才會發(fā)生變化。

（2）、程序執(zhí)行：程序執(zhí)行階段系統(tǒng)會對程序進行特定順序的掃描，并且同時讀入輸入映像寄存區(qū)、輸出映像寄存區(qū)的讀取相關數(shù)據(jù)，在進行相關運算后，將運算結果存入輸出映像寄存區(qū)供輸出和下次運行使用。

（3）、出刷新階段：在所指令執(zhí)行完成后，輸出映像寄存區(qū)的所有輸出繼電器的狀態(tài)（接通/斷開）在輸出刷新階段轉存到輸出鎖存器中，通過特定方式輸出，驅動外部負載。

4、 PLC在數(shù)控機床中的控制功能

（1）、操作面板的控制。操作面板分為系統(tǒng)操作面板和機床操作面板。系統(tǒng)操作面板的控制信號先是進入NC，然后由NC送到PLC，控制數(shù)控機床的運行。機床操作面板控制信號，直接進入PLC，控制機床的運行。

（2）、機床外部開關輸入信號。將機床側的開關信號輸入到送入PLC，進行邏輯運算。這些開關信號，包括很多檢測元件信號(如：行程開關、接近開關、模式選擇開關等等)

（3）、輸出信號控制：PLC輸出信號經(jīng)外圍控制電路中的繼電器、接觸器、電磁閥等輸出給控制對象。

（4）、功能實現(xiàn)。系統(tǒng)送出T指令給PLC，經(jīng)過譯碼，在數(shù)據(jù)表內(nèi)檢索，找到T代碼指定的刀號，并與主軸刀號進行比較。如果不符，發(fā)出換刀指令，刀具換刀，換刀完成后，系統(tǒng)發(fā)出完成信號。

（5）、M功能實現(xiàn)。系統(tǒng)送出M指令給PLC，經(jīng)過譯碼，輸出控制信號，控制主軸正反轉和啟動停止等等。M指令完成，系統(tǒng)發(fā)出完成信號。

三、PLC與數(shù)控機床外圍電路的關系

如前所述，PLC在數(shù)控機床中用來控制機床的強電回路（通過一些電器元件）。為了更好了解數(shù)控機床的PLC的控制功能，就有必要對PLC和外圍電路的關系進行分析。

1、 PLC對外圍電路的控制

數(shù)控機床通過PLC對機床的輔助設備進行控制，PLC對對外圍電路的控制來實現(xiàn)對輔助設備的控制的。PLC接受NC的控制信號以及外部反饋信號，經(jīng)過邏輯運算、處理將結果以信號的形式輸出。輸出信號從PLC的輸出模塊輸出，有些信號經(jīng)過中間繼電器控制接觸器然后控制具體的執(zhí)行機構動作，從而實現(xiàn)對外圍輔助機構的控制。有些信號不需要通過中間環(huán)節(jié)的處理直接用于控制外部設施，比如說，有些直接用低壓電源驅動的設備（如：面板上的指示燈）。也就是說每一個外部設備（使用PLC控制的）都是由PLC的一路控制信號來控制的，也就是說每一個外部設備（使用PLC控制的）都在PLC中和一個PLC輸出地址相對應。

PLC對外圍設備的控制，不僅僅是要輸出信號控制設備、設施的動作，還要接受外部反饋信號，以監(jiān)控這些設備設施的狀態(tài)。在數(shù)控機床中用于檢測機床狀態(tài)的設備或元件主要有，溫度傳感器、震動傳感器、行程開關、接近開關等等。這些檢測信號有些是可以直接輸入到PLC的端口，有些必須要經(jīng)過一些中間環(huán)節(jié)才能夠輸入到PLC的輸入端口。

無論是輸入還是輸出，PLC都必須要通過外圍電路才能夠控制機床的輔助設施的動作。在PLC和外圍電路的關系中，最重要的一點就是外部信號和PLC內(nèi)部信號處理的對應。這種對應關系就是前面所說的地址分配，就是將每一個PLC中地址和外圍電路每一路信號相對應。這個工作是在機床生產(chǎn)過程中，編制和該機床相對應的PLC程序時，由PLC程序編制工程師定義。當然做這樣的定義必須遵循必要的規(guī)則，以使PLC程序符合系統(tǒng)的要求。

（1）PLC與信號輸入回路

如圖2-1所示為一種數(shù)控機床的電氣手冊的輸入單元電器圖的一部分，從圖上可以看到這是一個插座或者是某一個輸入接口的針腳，對應與外外圍電路的某一個元件、開關、旋鈕同時有對應與PLC內(nèi)部的輸入地址。

從第一行開始，一個按鈕開關或者是搖頭開關接入線號為191號的回路中.191號線接到C71號插座的16號腳，16號腳對應于PLC的輸入地址為X10001.3，該地址被定義為Manual absolute （手動絕對值）。從圖上所描述的，可以知道S27號按鈕適用于控制手動絕對值是否有效的開關。這個開關的通斷狀態(tài)，通過191號線接入到插座C71上的16號腳，16號腳再將這個信號輸入到PLC中,這個信號在PLC中的地址為X1001.3。通過這種定義方式，就將PLC中的信號和外圍電路相對應起來。就可以通過查看PLC中的X1001.3的狀態(tài)，來確定外部按鈕開關的狀態(tài)。

我們從圖上可以看到在圖上右側文字敘述是該信號的意義，隨后在其左邊的是輸入信號地址，更左邊的是插座上的針腳號，再左邊的是外圍電路的線號和開關器件號。這一幅圖是某機床電路圖，該圖是遵循通用標準來繪制，因此通過該圖我們可以看到一些具有普遍意義的原則。比如說，編制PLC程序時可能會把相近的開關（從用途和分布位置上）檢測元件等等的地址設定在一起。從這一幅圖我們可以看到，C71上的輸入信號基本上都是面板上的按鈕開關或搖頭開關。它們的信號類型和位置分布上是非常接近的，因此它們的輸入地址（在PLC輸入端）也是順序分布。在這一幅圖所屬的電氣手冊上可以查到，C71一共有50個針腳，除去用于公共端、24V電源的腳以外，其他針腳的輸入地址是從X1000.0到1004.7順序分布。

通常情況下PLC的地址由3部分組成：1：地址類型；2：地址號；3：位號。每一個地址號下有8個地址位，每一個地址表示不同的信號。下表是中有文字描述的部分是，圖4－1所示的I/O地址。

表4-1輸入信號列表

從圖4-1上可以看到幾個要素：1、元器件號；2、線號；3、插槽或插座號；4、針腳號；

5、PLC輸入地址號。我們可以知道這幾個號碼，在控制邏輯上是有對應關系的。因此不僅僅是在繪制此類圖形時，要考慮他們之間的關系，而且在設計外圍電路，編制PLC程序時也要考慮它們之間的關系。事實上，不僅是在設計制造機床時要考慮它們之間的對應關系，在使用機床、維修、維護機床時也要依據(jù)它們之間的對應關系和控制邏輯。

圖4-1上所示的外部按鈕等元件位置可在圖4-4中查找到。

2、PLC輸出信號控制相關的執(zhí)行元件

前面圖例描述了輸入信號在PLC中的地址分配以及PLC輸入地址與外部開關、旋鈕和插座、電纜之間的對應關系。

我們知道在數(shù)控機床中，不僅僅是輸入信號和外部電路涉及到對應關系，輸出信號和外圍控制電路以及要驅動的設備之間也存在作相應的對應關系。在隨后列出的兩幅圖例，都是PLC輸出信號和外圍電路的連接圖，但是這兩幅圖在所表達的控制關系上是不一樣的。第一幅圖所表示的是PLC輸出信號可以直接驅動外部裝置（這些裝置通常是一些LED、燈），第二幅圖表示的是PLC的輸出信號必須經(jīng)過中間繼電器才能夠控制最終的設備。這是因為第一幅圖中所示的外部元件是一些小功率元件（主要是一些表示機床狀態(tài)的指示燈），而第二幅圖所示的外部設備是大功率元件。

從這兩幅圖我們可以看到PLC輸出地址和外部電路之間的關系：1：外部執(zhí)行元件或設施是受PLC控制的；2：PLC的每一個輸出信號對應著一個輸出地址；3：每一個輸出地址對應著一個插座或插頭的針腳；4：每一個針腳對應著外圍電路的一根線（用線號標示）；5：每一個線號對應著一個設備、元件（或者通過一些中間元件）；

在設計PLC的程序時，必須要考慮數(shù)控機床會用到那些設備，那些設備是可以有PLC直接驅動的，那些設備必須經(jīng)過繼電器、接觸器等中間環(huán)節(jié)才能夠驅動，以及這些設備的控制信號通過哪個地址號輸出。在使用數(shù)控機床過程中，我們可以通過閱讀電氣手冊,熟悉機床設施的控制運行方式，方便的維護機床。

表4-2輸出信號列表

表4-2第二列、第三列，列明了所要控制的外部元件，這些元件可在圖2-4中找到。通過這些圖表，我們可以清楚的看到PLC和外部元件之間的關系。

表4-3輸出信號列表

表4-3對圖4-3進行了描述，從圖4-3和表4-3可以看出這些輸出信號是對繼電器進行控制，這些元件可以在圖4-5中查到。

圖4-5所示為該機床的繼電器板，PLC的一些輸出信號通過繼電器板輸出，進一步控制其它元件。