PLC和数控机床的关系.docx
《PLC和数控机床的关系.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PLC和数控机床的关系.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
PLC和数控机床的关系
PLC和数控机床的关系
1、PLC在数控机床中的应用形式
数控机床中所用的PLC可分为两类：
一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的内装型PLC（built-inType），另一类是那些输入输出技术规范，输入输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等均能满足数控机床控制要求的独立型PLC（Stand-aloneType）。
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）、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）、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。
1.plc在机床行业的应用
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时，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。
plc在数控机床和非数控机床中都有使用，在数控机床中，plc是数控机床的大脑，何时进刀，何时退刀，刀量多少，工件的加工流程及所有要控制的操作都要由plc发出指令，机床的限位开关等机械控制部分以及液压控制部分也会应用到plc。
通过计算机与plc的组合，实现对刀架换刀的准确控制。
plc在机床行业的总体市场情况
机床行业中plc的应用以小型plc为主，日系plc在小型plc领域占有很大优势，因此在机床行业中日系plc占据大部分市场份额，而三菱、西门子和ge-fanuc由于其数控系统在机床行业中占有优势，因此在机床行业中占有一席之地。
机床行业中plc品牌集中度比较高，主要集中于日系品牌（三菱、欧姆龙）和西门子，台湾品牌台达在其中也占有一定的市场份额，而其他的品牌主要有富士、倍福、ls、施耐德、光洋、abb和横河等。
2.plc在机床行业的应用前景
机床行业在保持了最近这些年的持续高速增长之后，于今年开始出现衰退现象，特别是在受金融危机冲击后，从7月份开始与去年同期相比都有不同程度的下降，11月份甚至下降幅度达到20.2%，如此高幅度的下降是历年很少见的，其中普通机床的影响尤为明显，库存开始增加，而数控机床的影响稍微少一些，从而给这个行业重新洗牌，未来机床的方向是数控化和逐步高端化，这些机床都需要使用大量plc和运动控制器/卡来逐步取代继电器或机械控制，使得机床的整体性能得到提升，因此从长远来看，plc和运动控制器/卡在机床行业的应用还是会很有潜力，在金融危机的冲击下，用户对plc的性价比会越来越高，在同等价位水平下，希望plc能够集成更多功能，如多轴插补功能等，甚至把原来不带有运动控制模块的plc转化成带有运动模块，这些都是plc厂商面对这场危机时所需要考虑的，在人人捂紧钱包的时候，只有更加高性价比的产品才能在这场危机中胜出，而对于运动控制器/卡，开放性将是其发展趋势，不需要借助相关平台即能实现运动控制功能
“内装型”PLC（或称“内含型”PLC、“集成式”PLC）从属于CNC装置，PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部即可实现。
PLC与MT间则通过CNC输入／输出接口电路实现信号传送
内装型PLC有如下特点：
1）内装型PLC实际上是CNC装置带有的PLC功能，一般是作为一种基本的或可选择的功能提供给用户。
2）内装型PLC的性能指标（如：
输入／输出点数，程序最大步数，每步执行时间、程序扫描周期、功能指令数目等）是根据所从属的CNC系统的规格、性能、适用机床的类型等确定的。
其硬件和软件部分是被作为CNC系统的基本功能或附加功能与CNC系统其他功能一起统一设计、制造的。
因此，系统硬件和软件整体结构十分紧凑，且PLC所具有的功能针对性强，技术指标亦较合理、实用，尤其适用于单机数控设备的应用场合。
3）在系统的具体结构上，内装型PLC可与CNC共用CPU，也可以单独使用一个CPU；硬件控制电路可与CNC其他电路制作在同一块印刷板上，也可以单独制成一块附加板，当CNC装置需要附加PLC功能时，再将此附加板插装到CNC装置上，内装PLC一般不单独配置输入／输出接口电路，而是使用CNC系统本身的输入／输出电路；PLC控制电路及部分输入／输出电路（一般为输入电路）所用电源由CNC装置提供，不需另备电源。
4）采用内装型PLC结构，CNC系统可以具有某些高级的控制功能。
如：
梯形图编辑和传送功能，在CNC内部直接处理NC窗口的大量信息等。
自70年代末以来，世界上著名的CNC厂家在其生产的CNC产品中，大多开发了内装型PLC功能。
随着大规模集成电路的开发利用，带与不带PLC功能，CNC装置的外形尺寸已没有明显的变化。
一般来说，采用内装型PLC省去了PLC与NC间的连线，又具有结构紧凑、可靠性好、安装和操作方便等优点，和在拥有CNC装置后，又去另外配购一台通用型PLC作控制器的情况相比较，无论在技术上还是经济上对用户来说都是有利的。
国内常见的外国公司生产的带有内装型PLC的系统有：
FANUC公司的FS-0（PMC-L／M），FS-0Mate（PMC-L／M），FS-3（PLC-D），FS-6（PLC-A、PLC-B），FS-10／11（PMC-1）；FS-15（PMC-N）；Siemens公司的SINUMERIK810，SINUMERIK820；A-B公司的8200，8400，8600等。
“独立型”PLC又称“通用型”PLC。
独立型PLC是独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置。
采用独立型PLC的数控机床系统框图如图
独立型PLC有如下特点：
1）独立型PLC具有如下基本的功能结构：
CPU及其控制电路，系统程序存储器，用户程序存储器、输入／输出接口电路、与编程机等外部设备通信的接口和电源等（参见图5-2）。
2）独立型PLC一般采用积木式模块化结构或笼式插板式结构，各功能电路多做成独立的模块或印刷电路插板，具有安装方便，功能易于扩展和变更等优点。
例如，可采用通信模块与外部输入输出设备、编程设备、上位机、下位机等进行数据交换；采用D／A模块可以对外部伺服装置直接进行控制；采用计数模块可以对加工工件数量、刀具使用次数、回转体回转分度数等进行检测和控制，采用定位模块可以直接对诸如刀库、转台、直线运动轴等机械运动部件或装置进行控制。
3）独立型PLC的输入、输出点数可以通过I／O模块或插板的增减灵活配置。
有的独立型PLC还可通过多个远程终端连接器构成有大量输入、输出点的网络，以实现大范围的集中控制。
在独立型PLC中，那些专为用于FMS、FA而开发的独立型PLC具有强大的数据处理、通信和诊断功能，主要用作“单元控制器”，是现代自动化生产制造系统重要的控制装置。
独立型PLC也用于单机控制。
国外有些数控机床制造厂家，或是为了展示自己长期形成的技术特色，或是为了保守某些技术绝窍，或纯粹是因管理上的需要，在购进的CNC系统中，舍弃了PLC功能，而采用外购或自行开发的独立型PLC作控制器，这种情况在从日本、欧美引进的数控机床中屡见不鲜。
国内已引进应用的独立型PLC有：
Siemens公司的SIMATICS5系列产品；A-B公司的PLC系列产品；FANUC公司的PMC-J等。
工控机与PLC的区别并不在于长得什么样子，也不在于使用的工作环境，而在于它们的功能。
它就发展来说，它们来自不同的途径，PLC来源以继电器为特征的电气逻辑控制，工控机来源于计算机。
早期PLC只能用于进行逻辑运算，现在功能越来越强大了，但总体来说，还是适合于进行以顺序控制为主的自动化工程中，如流程工业。
工控机作为控制设备，主用于以过程控制为主的自动化工程，如化工工业。
工控机作为上位机人界面，认为只相当一台PC，与控制功能没什么关关系。
工控机（IndustrialPersonalComputer—IPC）是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。
早在80年代初期，美国AD公司就推出了类似IPC的MAC-150工控机，随后美国IBM公司正式推出工业个人计算机IBM7532。
由于IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛。
目前，IPC已被广泛应用于通讯、工业控制现场、路桥收费、医疗、环保及人们生活的方方面面。
IPC的技术特点：
1、采用符合“EIA”标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力。
2、采用总线结构和模块化设计技术。
CPU及各功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。
3、机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。
4、配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护。
5、电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入。
6、具有自诊断功能。
7、可视需要选配I/O模板。
8、设有“看门狗”定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位。
9、开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应用软件。
10、可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。
11、可采用无源母板（底板），方便系统升级。
IPC的主要结构：
1、全钢机箱
IPC的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安装同PC-bus兼容的无源底板。
2、无源底板
无源底板的插槽由ISA和PCI总线的多个插槽组成，ISA或PCI插槽的数量和位置根据需要有一定选择，该板为四层结构，中间两层分别为地层和电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。
底板可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、I/O卡等。
3、工业电源
为AT开关电源，平均无故障运行时间达到250，000小时。
4、CPU卡
IPC的CPU卡有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡，根据处理器可分为386、486、586、PII、PIII主板，用户可视自己的需要任意选配。
其主要特点是：
工作温度0-600C；装有“看门狗”计时器；低功耗，最大时为5V/2.5A。
5、其他配件：
IPC的其他配件基本上都与PC机兼容，主要有CPU、内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。
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FANUC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。
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）、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）、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。
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。
IEC1131-3是IEC为工业自动化编程制定的标准，是吸收不同厂家编程语言风格及适应未来软件技术发展要求制定的，独立于任何一家公司，适合不同领域、不同类编程人员的使用。
自发布以来得到了所有顶尖PLC厂家的认可，各厂家也都尽量向IEC标准靠拢。
国内数控系统经过30多年的发展，无论是功能还是性能都有了很大的提高，与国外知名数控厂家的差距也在缩小。
但是由于技术原因，数控系统的重要组成部分——内装PLC较国外系统相比仍有很大差距，主要表现在：
很多低档数控系统不支持PLC，中高档数控则多是采用专用PLC语言，用户使用很不方便，例如C语言等。
北京航天数控过去一直采用IL语言来编写PLC逻辑，由于是指令方式，适合于程序员设计程序，而不适于机床电气工程师，因此给机床厂家或用户造成很多不方便。
针对上述情况，北京航天数控与国内知名专业PLC厂商合作开发了符合国际电工技术委员会IEC1131-3规范的数控系统PLC编辑编译软件，并应用于北京航天数控的CNC系统中。
该PLC编辑编译软件符IEC1131-3规范，完全自主开发，并
升级会员 