2.4 数控系统中的可编程控制器

2.4.1 概述

数控机床的控制除了对坐标轴的进给进行位置伺服控制外，还需要对机床的主轴、刀具和各种开关信号进行控制，如对主轴的正、反转，启动和停止，刀具交换，工件夹紧、松开，工作台交换，以及切削液的开、关和润滑系统的启动等进行顺序控制。

顺序控制的信息主要是开关量信号，如控制开关、行程开关、压力开关和温度开关等输入元件输入的信号和继电器、接触器、电磁阀等输出元件所需要的输出信号。在数控机床上用可编程控制器完成这一控制任务。

1．可编程控制器的概念

可编程控制器（Programmable Controller）是一种以微处理器为核心的数字式电子装置，它把逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算等控制功能，以一系列指令形式存储在存储器中，然后根据存储的程序，通过数字量或模拟量输入/输出部件，对各种类型的机械或生产过程进行控制。

可编程控制器是一种数字式电子运算操作系统，即它是一种计算机。它又是专为工业环境下应用而设计的，所以它是一种工业控制计算机。它的存储器能够存储多种操作指令，可以通过软件编程实现不同的控制功能而无须改变硬件，从而完全克服了过去应用继电器控制装置的固有缺陷。

可编程控制器的别名包括，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、可编程接口控制器（Programmable Interface Controller，PIC）、可编程机器控制器（Programmable Machine Controller，PMC）、可编程顺序控制器（Programmable Sequence Controller，PSC）。

在数控领域上，人们习惯称其为可编程逻辑控制器（PLC）或可编程机器控制器（PMC）。

2．可编程控制器在数控系统中的应用

可编程控制器在数控系统中是介于数控装置与机床之间的中间环节，其作用是接收来自零件加工程序的开关功能信息、机床操作面板上的开关量信号及机床侧的开关量信号，进行逻辑处理，完成输出控制功能，实现各功能及操作方式的连锁。图2-23为数控装置、可编程控制器、机床之间的关系图。

3．可编程控制器的特点

（1）可靠性高

PLC的硬件采取了屏蔽措施，电源采用了多级滤波环节，CPU和I/O回路之间采用了光电隔离，提高了硬件可靠性。在软件方面，可编程控制器采用了故障自诊断方法，一发现故障，就显示故障原因，并立即将信号状态存入存储器进行保护，当外界条件恢复正常时，可继续工作。

（2）功能完善，性价比高

由于PLC是介于继电器控制和计算机控制之间的自动控制装置，所以PLC不仅有逻辑运算的基本功能和控制功能，还具有四则运算和数据处理（如比较、判别、传递和数据变换等）等功能。PLC具有面向用户的指令和专门用于存储用户程序的存储器，用户控制逻辑由软件实现，这样使PLC适用于控制对象动作复杂、控制逻辑需要灵活变更的场合。有的PLC还具有旋转控制、数据表检索等功能，使数控机床复杂的刀库控制程序变得很简单。PLC已系列化、模块化、可以根据需要，经济地进行组合，因而使性能价格比得到提高。

（3）容易实现机电一体化

由于PLC结构紧凑，体积小，容易装入机床内部或电气柜内，实现机电一体化。

（4）编程简单

大多数PLC都采用梯形图方法编程，形象直观，原理易于理解和掌握，编程方便。PLC可以与专用程编机、程编器，甚至个人计算机等设备连接，可以很方便地实现程序的显示、编辑、诊断和传送等操作。

（5）操作维护容易

可编程控制器信息通过总线或数据传送线与主机相连，调试和操作方便。可编程控制器采用模块化结构，如有损坏，即可更换。

2.4.2 可编程控制器的结构和工作过程

1．可编程控制器的结构

可编程控制器实质上是一种工业控制用的专用计算机，与微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。

CPU是PLC的核心部件，其上不仅有CPU集成芯片，而且还有一定数量的内存储器RAM和系统程序存储器EPROM，用户程序存储器EPROM，输入/输出（I/O）模块及电源等，其各部分均采用总线结构，PLC的硬件原理框图如图2-24所示。

在硬件和控制对象之间有三环，如图2-25所示。

第一个环是操作系统，用它来管理PLC的硬件资源；第二个环是编译系统；第三个环是实现用户要求的应用程序。它们构成了PLC的软件系统。

PLC的软件系统包括系统程序和用户程序。

系统程序包括监控程序、编译程序及诊断程序等。监控程序又称为管理程序，主要用于管理整机；编译程序用来把程序语言翻译成机器语言；诊断程序用来诊断机器故障。系统程序由PLC生产厂家提供，并固化在EPROM中，用户不能直接存取，故也不需要用户干预。

用户程序是用户根据现场控制的需要，用PLC程序语言编制的应用程序，用以实现各种控制要求。用户程序由用户用编程器输入到PLC内存。小型PLC的用户程序比较简单，不需要分段，可按顺序编制；大中型PLC的用户程序很长，也比较复杂，为使用户程序编制简单清晰，可按功能结构或使用目的将用户程序划分成各个程序模块，每个模块用来解决一个确定的技术功能，这样使程序编制变得容易理解，同时能很方便地对程序进行调试和修改。

2．可编程控制器的工作过程

只要PLC接通电源，CPU就对用户存储器的程序进行扫描，即从第一条用户程序开始顺序执行，直到用户程序最后一条，形成一个扫描周期，周而复始。

在一个扫描周期内，CPU进行输入点状态采集、用户程序逻辑运算、相应输出状态的更新和I/O执行。

当有编程器接入PLC时，CPU还要对编程器的在线输入信号进行响应，并更新显示。

CPU还要对自身的硬件进行快速自检，并对监视扫描用的定时器进行复位。完成自检后，CPU又从首地址重新开始扫描运行。

PLC的工作过程流程图如图2-26所示。

PLC执行程序的一个扫描周期如图2-27所示。

在输入采样阶段，PLC以扫描方式将所有输入端的输入信号状态（ON/OFF状态）写入到输入映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样。在程序执行期间，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。

在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描。如程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序扫描。每扫描到一条指令时，所需要的输入状态或其他元素的状态分别从输入映像寄存器或输出映像寄存器中写入，然后进行相应的逻辑或算术运算，运算结果再存入专用寄存器。若执行程序输出指令时，则将相应的运算结果存入输出映像寄存器。

在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中的状态就是欲输出的状态。在输出刷新阶段，将映像寄存器中的状态转存到输出锁存电路，再经输出端子输出信号去驱动用户输出设备，这就是PLC的实际输出。

2.4.3 数控机床用可编程控制器的类型及特点

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，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。

1．内装型PLC

内装型（Built-in Type）PLC又称集成式、内含式。指PLC从属于CNC装置，并与CNC装置集于一体，PLC与NC之间信号传送在CNC装置内部就可完成，而PLC与机床侧的信息传送则要通过输入输出接口来完成。

内装型PLC的特点如下。

① 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，内装型PLC不能独立工作，是CNC装置的一个功能模块，是CNC装置功能的扩展。

② 在系统结构上，内装型PLC既可以与CNC共用一个CPU，也可以单独使用一个CPU，此时的PLC对外有单独配置的输入/输出电路，而不使用CNC装置的输入/输出电路。

③ 内装型PLC硬件电路可与CNC其他电路制作在同一块印刷电路板上，也可以单独制成一块附加印刷电路板，供用户选择。它与其他电路同装在一个机箱内，共用一个电源和地线。

④ 扩大了CNC内部直接处理的窗口通信功能，可以使用梯形图的编辑和传送等高级控制功能，且造价便宜，提高了CNC的性能价格比。

2．独立型PLC

独立型（Stand-alone Type）PLC，或称为通用型PLC，它是适应范围较广、功能齐全、通用化程度较高的PLC。

独立型PLC完全独立于CNC装置，具有完备的软件和硬件，能够独立完成CNC系统所要求的控制任务。

数控机床用独立型PLC，一般采用模块化结构，装在插板式笼箱内，它的CPU系统程序、用户程序、输入/输出电路、通信等均设计成独立的模块。主要用于FMS、CIMS形式中的CNC机床，具有较强的数据处理、通信和诊断功能，成为CNC与上级计算机联网的重要设备。

独立型PLC的特点如下。

① 根据数控机床对控制功能的要求，可以灵活地选购或自行开发通用型PLC。

② 独立型PLC本身是一个完整的计算机系统，其具有CPU、EPROM、RAM、I/O接口及编程器等外部设备通信接口、电源等。

③ 独立型PLC的I/O模块种类齐全，其输入/输出点数可通过增减I/O模块灵活配置。

④ 与内装型PLC比较，独立型PLC功能更强，但一般要配置单独的编程设备。独立型PLC与数控系统之间的信息交换可通过I/O接口对接方式，也可采用通信方式。

I/O接口对接方式就是将数控系统的输入/输出点通过连线与PLC的输入/输出点连接起来，适应于数控系统与各种PLC的信息交换。但由于每一点的信息传递需要一根信号线，所以这种方式连线多，信息交换量小。

采用通信的方式可克服上述I/O对接的缺点。但采用这种方式的数控系统与PLC必须采用同一通信协议。采用通信方式时，数控系统与PLC的连线少，信息交换量大而且非常方便。

⑤ 独立型PLC不但要与机床侧的I/O连接，还要进行与CNC装置侧的I/O连接。所以，独立型CPU造价较高，性能价格比不如内装型PLC。

2.4.4 数控机床的PLC功能及其与外部的信息交换

1．数控机床中的可编程控制器功能

（1）主轴S功能

通常用S二位或S四位代码指定主轴转速。CNC装置送出S代码（如二位代码）进入PLC，经过电平转换（独立型PLC）、译码、数据转换、限位控制和D/A变换，最后输给主轴电机伺服系统。

为了提高主轴转速的稳定性，增大转矩、调整转速范围，还可增加1～2级机械变速挡，通过PLC的M代码功能实现。

（2）刀具T功能

数控机床通过PLC可管理刀库，特别是对加工中心自动换刀的管理带来了很大的方便。处理的信息包括选刀方式，刀具累计使用的次数，刀具剩余寿命和刀具刃磨次数等。自动换刀控制的选刀方式有固定存取方式和随机存取方式。对于固定存取选刀方式的T功能处理过程是：CNC装置送出T代码指令给PLC，PLC经过译码，在数据表内检索，找到T代码指定的新刀号所在的数据表的表地址，并与现行刀号进行判别比较。如不符合，则将刀库回转指令发送给刀库控制系统，直到刀库定位到新刀号位置时，刀库停止回转，并准备换刀。

（3）辅助M功能

PLC完成的M功能是很广泛的。根据不同的M代码，可控制主轴的正/反转及停止，主轴齿轮箱的变速，冷却液的开、关，卡盘的夹紧和松开，以及自动换刀装置机械手取刀、归刀等运动。

2．PLC与外部的信息交换

数控系统中PLC的信息交换是指以PLC为中心，在CNC、PLC和机床之间的信息传递。

（1）CNC至PLC（CNC→PLC）

各种功能代码M、S、T的信息，手动/自动方式信息，各种使能信息等。

（2）PLC至CNC（PLC→CNC）

主要有M、S、T功能的应答信息和各坐标轴对应的机床基准点信息等。

（3）PLC至机床（PLC→MT）

主要是控制机床执行件的执行信号，如电磁铁、接触器、继电器的动作信号，以及确保机床各运动部件状态的信号及故障指示。

（4）机床至PLC（MT→PLC）

主要有机床操作面板上各开关、按钮等信息，其中包括机床的启动、停止，机械变速选择，主轴正/反转、停止，冷却液的开/关，各坐标的点动和刀架、夹盘的松/夹等信号，以及上述各部件的限位开关等保护装置、主轴伺服保护监视信号和伺服系统运行准备等信号。