PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用研究

許衍彬　李愛超

摘 要：目前，可編程序控制器（PLC）廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等工業(yè)控制中。可編程序控制器是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，它采用一種可編程序的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過數(shù)字式、模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程。組合機(jī)床是針對特定工件，進(jìn)行特定加工而設(shè)計(jì)的一種高效率自動(dòng)化專用加工設(shè)備，這類設(shè)備大多能多刀同時(shí)工作，并且具有自動(dòng)循環(huán)的功能。組合機(jī)床通常由標(biāo)準(zhǔn)通用部件和加工專用部件組合構(gòu)成，動(dòng)力部件采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，由電氣系統(tǒng)進(jìn)行工作自動(dòng)循環(huán)的控制，是典型的機(jī)電或機(jī)電液一體化的自動(dòng)加工設(shè)備。

關(guān)鍵詞：可編程序控制器;數(shù)字控制;順序控制;操作指令;組合機(jī)床;自動(dòng)循環(huán)

我國可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產(chǎn)廠家?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。

1 PLC和NC的關(guān)系

PLC用于通用設(shè)備的自動(dòng)控制，稱為可編程控制器。PLC用于數(shù)控機(jī)床的外圍輔助電氣的控制，稱為可編程序機(jī)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(jī)床所起的作用范圍是不相同的。

2 PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用形式

通常有兩種形式：一種稱為內(nèi)裝式;一種稱為獨(dú)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(shè)計(jì)之初就將NC和PLC結(jié)合起來考慮，NC和PLC之間的信號(hào)傳遞是在內(nèi)部總線的基礎(chǔ)上進(jìn)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(gè)CPU也可以是單獨(dú)的CPU這種結(jié)構(gòu)從軟硬件整體上考慮， PLC 和NC 之間沒有多余的導(dǎo)線連接， 增加了系統(tǒng)的可靠性， 而且NC 和PLC 之間易實(shí)現(xiàn)許多高級(jí)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(dú)立式PLC也稱外裝式PLC，它獨(dú)立于NC裝置，具有獨(dú)立完成控制功能的PLC。在采用這種應(yīng)用方式式，可根據(jù)用戶自己的的特點(diǎn)，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(jìn)行調(diào)整

3 PLC的特點(diǎn)

PLC是應(yīng)社會(huì)生產(chǎn)而產(chǎn)生的，從一開始發(fā)展到現(xiàn)在一直是向可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)、配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造、體積小，重量輕，能耗低、對環(huán)境條件無要求、價(jià)格低廉等社會(huì)生產(chǎn)方面的要求發(fā)展。

工業(yè)生產(chǎn)對控制設(shè)備的可靠性要求：平均故障間隔時(shí)間長;故障修復(fù)時(shí)間（平均修復(fù)時(shí)間）短任何電子設(shè)備產(chǎn)生的故障，通常為兩種：一、偶發(fā)性故障。由于外界惡劣環(huán)境如電磁干擾、超高溫、超低溫、過電壓、欠電壓、振動(dòng)等引起的故障。這類故障，只要不引起系統(tǒng)部件的損壞，一旦環(huán)境條件恢復(fù)正常，系統(tǒng)也隨之恢復(fù)正常。但對PLC而言，受外界影響后，內(nèi)部存儲(chǔ)的信息可能被破壞。二、永久性故障。由于元器件不可恢復(fù)的破壞而引起的故障。

4 PLC與數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床間的信息交換

相對于PLC，機(jī)床和NC就是外部。PLC與機(jī)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，通常有幾個(gè)部分;機(jī)床側(cè)至PLC：機(jī)床側(cè)的開關(guān)量信號(hào)通過I/O單元接口輸入到PLC中，除極少數(shù)信號(hào)外，絕大多數(shù)信號(hào)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(jī)床生產(chǎn)廠家可以方便的根據(jù)機(jī)床的功能和配置，對PLC程序和地址分配進(jìn)行修改;PLC至機(jī)床：PLC的控制信號(hào)通過PLC的輸出接口送到機(jī)床側(cè)，所有輸出信號(hào)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;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(hào)含義和地址（開關(guān)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 等功能，通過CNC譯碼后直接送入PLC相應(yīng)的寄存器中; PLC至CNC：PLC 送至CNC 的信息也由開關(guān)量信號(hào)或寄存器完成，所有PLC送至CNC的信號(hào)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。

5 PLC在數(shù)控機(jī)床中的工作流程

PLC在數(shù)控機(jī)床中的工作流程，通常的PLC工作流程基本上是一致的，分為以下幾個(gè)步驟：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(hào)狀態(tài)，并將此狀態(tài)，讀出輸入到映象寄存器中。當(dāng)然，在程序運(yùn)行周期中這些信號(hào)狀態(tài)是不會(huì)變化的，除非一個(gè)新的掃描周期的到來，并且原來端口信號(hào)狀態(tài)已經(jīng)改變，輸入到映象寄存器的信號(hào)狀態(tài)才會(huì)發(fā)生變化;程序執(zhí)行：程序執(zhí)行階段系統(tǒng)會(huì)對程序進(jìn)行特定順序的掃描，并且同時(shí)讀出輸入映像寄存區(qū)、輸出映像寄存區(qū)的讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后，將運(yùn)算結(jié)果存入輸出映像寄存區(qū)供輸出和下次運(yùn)行使用;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(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過特定方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。

6 PCL的應(yīng)用現(xiàn)狀

PLC在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用愈來愈廣，它在控制性能、組機(jī)周期和硬件成本等方面所表現(xiàn)出的綜合優(yōu)勢是其它工控產(chǎn)品難以比擬的。隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，它在位置控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理等方面的應(yīng)用也越來越多。在機(jī)床的實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，為了提高數(shù)控機(jī)床加工的精度，對其定位控制裝置的選擇就顯得尤為重要。整機(jī)控制系統(tǒng)具有程序設(shè)計(jì)思路清晰、硬件電路簡單實(shí)用、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，具有良好的性能價(jià)格比等顯著優(yōu)點(diǎn)，其軟硬件的設(shè)計(jì)思路可供礦企業(yè)的相關(guān)數(shù)控 床設(shè)計(jì)改造借鑒。

我國是一個(gè)機(jī)床生產(chǎn)和應(yīng)用大國，但數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用水平還不高，嚴(yán)重制約著我國制造業(yè)水平的提高。國際上的相關(guān)開發(fā)計(jì)劃對我國的數(shù)控技術(shù)的發(fā)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時(shí)也帶來了機(jī)遇。采用了PLC控制，使電氣部分的抗干擾能力增加，提高了機(jī)床的運(yùn)行可靠性，因而增加了設(shè)備的柔性，提高了設(shè)備的使用效率。

PLC的發(fā)展空間非常大。從技術(shù)上看，計(jì)算機(jī)技術(shù)的新成果會(huì)更多地應(yīng)用于可編程序控制器的設(shè)計(jì)和制造上，會(huì)有運(yùn)算速度更快、存儲(chǔ)容量更大、智能更強(qiáng)的品種出現(xiàn);從產(chǎn)品規(guī)模上看，會(huì)進(jìn)一步向超小型及超大型方向發(fā)展;從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會(huì)更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機(jī)界面、完備的通信設(shè)備會(huì)更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場合的需求;從市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會(huì)隨著國際競爭的加劇而打破，會(huì)出現(xiàn)少數(shù)幾個(gè)品牌壟斷國際市場的局面，會(huì)出現(xiàn)國際通用的編程語言;從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況來看，可編程序控制器和其它工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程序控制器技術(shù)的發(fā)展方向。目前的計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程序控制器的應(yīng)用。伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程序控制器作為自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]郁漢琪、郭健 可編程控制器原理及應(yīng)用.北京：中國電力出版社 2015

[2]段蘇振 提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)因素 電氣傳動(dòng)? 2018

[3]張?bào)沌?機(jī)電設(shè)備控制基礎(chǔ)? 北京：中國人大出版社? 2016