0 前言

　　CNC數(shù)控系統(tǒng)的控制信號(hào)有兩類，一類是高速信號(hào)，主要用于各個(gè)聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)；另一類是低速信號(hào)，主要用于控制主軸電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、電磁閥的通斷等開關(guān)量。低速信號(hào)的控制對象主要是一些高電壓或大電流的強(qiáng)電設(shè)備，其控制采用可編程控制器具有可靠性高，柔性好等特點(diǎn)，而且隨著可編程控制器本身性能價(jià)格比不斷提高,在現(xiàn)CNC、FMS系統(tǒng)中的應(yīng)用有不斷上升的趨勢。目前，可編程控制器在CNC 機(jī)床中的應(yīng)用有3 種方式，其1是：可編程控制器和CNC機(jī)床數(shù)控裝置采用單CPU組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，此系統(tǒng)中具有兩指令處理系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)與CNC系統(tǒng)的通訊是通過軟件接口，這種方式多用于復(fù)雜的數(shù)控系統(tǒng)，如美國的A -B公司的7360CNC系統(tǒng)；其2是：CNC機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)與可編程控制器采用通訊接口相聯(lián)接，一般采用標(biāo)準(zhǔn)的異步串行通訊接口RS-232C或RS422，可編程控制器直接用于過程量控制, 數(shù)控系統(tǒng)通過改變可編程控制器的設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)對可編程控制器的直接控制；其3是：采用CNC數(shù)控系統(tǒng)擴(kuò)展接口與通用可編程控制器輸入端相聯(lián)接。這是一種雙CPU運(yùn)行方式。此種方式硬件簡單，數(shù)控系統(tǒng)對可編程控制器的控制能力較差，在簡易CNC機(jī)床和普通機(jī)床的數(shù)控改造中多采用這種方式。數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝型PLC從屬于CNC裝置，內(nèi)裝型PLC實(shí)際上是CNC裝置帶有PLC功能，存在于CNC系統(tǒng)的內(nèi)部。內(nèi)裝型PLC的性能指標(biāo)（如輸入/輸出點(diǎn)數(shù)、程序最大步數(shù)每步執(zhí)行時(shí)間程序掃描時(shí)間、功能指令數(shù)目等）由所從屬的CNC系統(tǒng)的規(guī)格、性能、適用機(jī)床的類型等確定的。硬件和軟件部分作為CNC系統(tǒng)的基本功能或附加功能與CNC系統(tǒng)一起統(tǒng)一設(shè)計(jì)制造的。

1 可編程控制器基本結(jié)構(gòu)分析

　　可編程控制器是面向工業(yè)現(xiàn)場的特殊計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。

　　圖1所示為一個(gè)小型PLC的硬件結(jié)構(gòu)示意圖?？删幊炭刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為核心的結(jié)構(gòu)，其功能的實(shí)現(xiàn)不僅基于硬件的作用，更要靠軟件的支持。

圖1  典型BP網(wǎng)絡(luò)示意圖

　　下面重點(diǎn)分析一下可編程控制器的CPU部分I/O接口部分。

　　1.1 微處理器CPU部分

　　CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，它主要完成以下功能：

　　1. 將輸入信號(hào)送入PLC中存儲(chǔ)起來；

　　2. 按存放的先后順序取出用戶指令，進(jìn)行編譯；

　　3. 完成用戶指令規(guī)定的各種操作；

　　4. 將結(jié)果送到輸出端；

　　5. 響應(yīng)各種外圍設(shè)備的要求；

　　小型PLC的CPU采用8位或16位微處理器或單片機(jī)，如8031、M68000等，這類芯片價(jià)格很低，中型PLC的CPU采用16位或32位微處理器或單片機(jī)，如8086、96系列單片機(jī)等，這類芯片主要特點(diǎn)是集成度高、運(yùn)算速度快且可靠性高，而大型PLC 則需采用高速位片式微處理器。

　　1.2 I/O 接口電路部分

　　輸入輸出接口(I/O) 是PLC與工業(yè)現(xiàn)場控制或檢測元件和執(zhí)行元件連接的接口電路。PLC的輸入接口有直流輸入、交流輸入、交直流輸入等類型；輸出接口有晶體管輸出、晶閘管輸出和繼電器輸出等類型。晶體管和晶閘管輸出為無觸點(diǎn)輸出型電路，晶體管輸出型用于高頻小功率負(fù)載、晶閘管輸出型用于高頻大功率負(fù)載，繼電器輸出為有觸點(diǎn)輸出型電路，用于低頻負(fù)載。

　　現(xiàn)場控制或檢測元件輸入給PLC各種控制信號(hào)，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)以及其他一些傳感器輸出的開關(guān)量或模擬量等，通過輸入接口電路將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU能夠接收和處理的信號(hào)。輸出接口電路將CPU送出的弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出，以驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器等被控設(shè)備的執(zhí)行元件。

1．輸入接口電路

　　為了保證PLC能在惡劣的工業(yè)環(huán)境下可靠的工作，輸入接口電路一般采用了光電隔離、濾波等措施。輸入接口用于接收和采集兩種類型的輸入信號(hào)，一類是由按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、行程開關(guān)、繼電器觸頭等開關(guān)量輸入信號(hào)；另一類是由電位器、測速發(fā)電機(jī)和各種變換器提供的連續(xù)變化的模擬量輸入信號(hào)。以圖2所示的直流輸入接口電路為例，R1 的作用是限流與分壓，R2與C構(gòu)成濾波電路，濾波后的輸入信號(hào)經(jīng)光耦合器T與內(nèi)部電路耦合。當(dāng)輸入端的按鈕SB接通時(shí)，光耦合器T導(dǎo)通，直流輸入信號(hào)被轉(zhuǎn)換成PLC能處理的5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)電平（簡稱TTL），同時(shí)LED輸入指示燈亮，表示信號(hào)接通。微處理器輸入接口電路一般由寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路組成，這些電路集成在一個(gè)芯片上。交流輸入與交直流輸入接口電路與直流輸入接口電路類似。

圖2  直流輸入接口電路

　　濾波電路用以消除輸入觸頭的抖動(dòng)，光電耦合電路可有效的避免輸入端引線可能引入的電磁場干擾和輻射干擾。由于輸入電信號(hào)與PLC內(nèi)部電路之間采用光信號(hào)耦合，所以兩者在電氣上完全隔離，使輸入接口具有抗干擾能力?，F(xiàn)場的輸入信號(hào)通過光電耦合后轉(zhuǎn)換為5V的TTL送入輸入數(shù)據(jù)寄存器，再經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳送給CPU。

　　2．輸出接口電路

　　為了能夠適應(yīng)各種各樣的負(fù)載的要求，每種系列的可編程控制器的輸出接口電路按輸出開關(guān)器件來分，有以下三種方式：

　　　1）繼電器輸出方式 由于繼電器的線圈與觸點(diǎn)在電路上是完全隔離的，所以它們可以分別接在不同性質(zhì)和不同電壓等級的電路中。利用繼電器的這一性質(zhì)，可以使可編程控制器的繼電器輸出電路中內(nèi)部電子電路與可編程控制器驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載在電路上完全的隔開。由此可知繼電器輸出接口電路中不再需要隔離。實(shí)際中，繼電器輸出接口電路常采用固態(tài)電子繼電器，其電路如圖3所示，圖中與觸點(diǎn)并聯(lián)的RC 電路用來消除觸點(diǎn)斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧。繼電器輸出方式最常用，其優(yōu)點(diǎn)時(shí)帶負(fù)載能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是動(dòng)作頻率與響應(yīng)速度慢（響應(yīng)時(shí)間10ms）。

圖3  繼電器輸出接口電路

　　2）晶體管輸出方式 其電路如圖4所示，輸出信號(hào)有內(nèi)部電路中的輸出鎖存器給光電耦合器，經(jīng)光電耦合器送給晶體管，晶體管的飽和導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)相當(dāng)于觸點(diǎn)的接通和斷開。圖4中穩(wěn)壓管能夠抑制關(guān)斷過電壓和外部浪涌電壓，起到保護(hù)晶體管的作用，由于晶體管輸出電流只能一個(gè)方向，所以晶體管輸出方式只是用于直流負(fù)載，其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作頻率高，響應(yīng)速度快（響應(yīng)時(shí)間0.2ms），缺點(diǎn)帶負(fù)載能力小。

圖4  晶體管輸出接口電路

　　3）晶閘管輸出方式 其電路如圖5所示，晶閘管通常采用雙向晶閘管，雙向晶閘管是一種交流大功率器件，受控于門極觸發(fā)信號(hào)，可編程控制器的內(nèi)部電路通過光電隔離后去控制雙向晶閘管的門極，晶閘管在負(fù)載電流流過時(shí)不能導(dǎo)通，此時(shí)可以在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)電阻。圖5中RC電路用來抑制晶閘管的關(guān)斷過電壓和外部浪涌電壓。由于雙向晶閘管為關(guān)斷不可控器件，電壓過零時(shí)自行關(guān)斷，因此晶閘管輸出方式只是用于交流負(fù)載。其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快（關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通延遲時(shí)間小于1ms，導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷的延遲時(shí)間小于10ms），其缺點(diǎn)是帶負(fù)載能力不大。

圖5  雙向晶閘管輸出接口電路

　2 可編程控制器的工作原理

　　可編程控制器工作時(shí)，它的CPU每一瞬間只能做一件事，也就是說一個(gè)CPU每一刻只能執(zhí)行一個(gè)操作而不可能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作，CPU按分時(shí)操作方式來順序處理各項(xiàng)任務(wù)。PLC對許多需要處理的任務(wù)一次按規(guī)定順序進(jìn)行訪問和處理的工作方式稱為掃描工作方式，PLC采用循環(huán)掃描工作方式，其工作過程如圖6所示。PLC通電后，有兩種基本的工作狀態(tài)，即運(yùn)行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)，PLC的工作過程分為內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入處理、程序執(zhí)行、和輸出處理5個(gè)階段，在停止?fàn)顟B(tài)，PLC只運(yùn)行內(nèi)部處理和通信服務(wù)。在運(yùn)行模式下，PLC 通過反復(fù)執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制功能，為了使PLC的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至PLC停機(jī)或切換到STOP工作模式。

圖6  PLC工作過程

　　3 PLC的性能指標(biāo)

　　可編程控制器的性能指標(biāo)沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不同型號(hào)的產(chǎn)品差異較大，且各具特色，故不能一一介紹，只能介紹一些基本的技術(shù)性能。

　　1．輸入/輸出點(diǎn)數(shù)（即I/O 點(diǎn)數(shù)）：即指PLC的外部輸入、輸出端子數(shù)，這些端子可通過螺釘或電纜端口與外部設(shè)備相連，它直接決定了PLC能控制的輸入和輸出量的多少，及控制系統(tǒng)規(guī)模的大小，這是最重要的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

　　2．掃描速度：PLC 工作時(shí)是按掃描周期進(jìn)行循環(huán)掃描的，所以掃描周期的長短決定了PLC運(yùn)行速度的快慢。因掃描周期的長短取決于多種因素，故一般以執(zhí)行1000步指令所需要的時(shí)間來衡量PLC速度快慢的一項(xiàng)指標(biāo)，稱為掃描速度，單位為“ms/k”。掃描速度有時(shí)也用執(zhí)行一步指令所需的時(shí)間表示，單位為“us/步”。

　　3．程序容量：一般以PLC所能存放的用戶程序數(shù)量衡量。在PLC 中，程序指令是按“步”存放的（一條指令少則一步，多則幾十步），一“步”占用一個(gè)地址單元，一個(gè)地址單元占兩個(gè)字節(jié)。如日本三棱公司F1 系列PLC的程序容量為1000 步，可推知其程序容量為2K 字節(jié)，F(xiàn)X2N 系列PLC 的程序容量則為8000 步，16K字節(jié)。

　　4．指令條數(shù)：這是衡量PLC軟件功能強(qiáng)弱的主要指標(biāo)，PLC具有的指令種類越多，說明其軟件功能越強(qiáng)。PLC指令一般分為基本指令和高級質(zhì)量（或稱為功能指令）兩部分。

　　5．內(nèi)部繼電器和寄存器：PLC內(nèi)部有許多的繼電器和寄存器，用以存放狀態(tài)變量、中間結(jié)果、數(shù)據(jù)等。還有許多具有特殊功能的輔助繼電器和寄存器，如定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、系統(tǒng)寄存器等。用戶通過使用它們，可簡化整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此內(nèi)部繼電器、寄存器的配置情況是衡量PLC硬件功能的一個(gè)指標(biāo)。

　　6．高級功能模塊：PLC除了主控模塊外還可以配接各種高級功能模塊，主控模塊實(shí)現(xiàn)基本控制功能，高級功能模塊則可實(shí)現(xiàn)某一種特殊的功能，高級功能模塊的多少、功能的強(qiáng)弱是衡量PLC產(chǎn)品水平高低的重要標(biāo)志。常用的高級功能模塊有A/D 模塊、D/A模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、位置控制模塊、溫度控制模塊、遠(yuǎn)程通信模塊、高級語言編輯等。

4 PLC在數(shù)控系統(tǒng)中的功能

　　數(shù)控系統(tǒng)中的PLC與CNC裝置構(gòu)成主、從式多微處理器控制系統(tǒng)。PLC作為從機(jī)系統(tǒng)，接收CNC裝置中的計(jì)算機(jī)（主機(jī)）對數(shù)控加工M（輔助功能）、S（主軸功能）、T（刀具功能）功能指令譯碼后產(chǎn)生的內(nèi)部指令，并依據(jù)這些內(nèi)部指令對機(jī)床本體和輔助設(shè)備（冷卻裝備、潤滑裝備，自動(dòng)排屑裝置等）進(jìn)行控制。從信息傳遞角度考察，PLC處于數(shù)控裝置和機(jī)床本體及輔助設(shè)備之間，其信息交換就包括兩方面的內(nèi)容。一方面是PLC與CNC裝置之間的信息交換，另一方面是機(jī)床本體及輔助設(shè)備與PLC之間的信息交換。CNC 裝置送給PLC 的信息主要有執(zhí)行M、S、T功能的信息（譯碼后產(chǎn)生的內(nèi)部命令）、手動(dòng)/自動(dòng)方式信息和各種使能信息等，PLC發(fā)送給CNC裝置的信息主要包括執(zhí)行M、S、T功能的應(yīng)答消息和各坐標(biāo)軸對應(yīng)的機(jī)床參考點(diǎn)信息等。PLC 向機(jī)床本體及輔助設(shè)備發(fā)送的信息主要是控制電氣執(zhí)行元件（如電磁閥、接觸器、繼電器、以及各種狀態(tài)指示和故障報(bào)警等）的控制輸出信號(hào)；機(jī)床本體及輔助設(shè)備向PLC發(fā)送的信息主要是機(jī)床操作面板輸入信息和各種開關(guān)、按鈕的狀態(tài)信息等，主要有機(jī)床啟動(dòng)停止、主軸正傳反轉(zhuǎn)停止、切削液開關(guān)、倍率選擇、各種坐標(biāo)軸電動(dòng)以及刀架卡盤夾緊松開等信息還有各種部件的限位開關(guān)、主軸狀態(tài)監(jiān)視信號(hào)和伺服系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)備信號(hào)等。

　　總之PLC 在數(shù)控機(jī)床中的控制功能可分為一下幾種：

　　1．操作面板的控制：操作面板分為系統(tǒng)操作面板和機(jī)床操作面板。系統(tǒng)操作面板的控制信號(hào)先是進(jìn)入NC，然后由NC送到PLC，控制數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行。機(jī)床操作面板控制信號(hào)，直接進(jìn)入PLC，控制機(jī)床的運(yùn)行。

　　2．機(jī)床外部開關(guān)輸入信號(hào)：將機(jī)床側(cè)的開關(guān)信號(hào)輸入到送入PLC，進(jìn)行邏輯運(yùn)算。這些開關(guān)信號(hào)，包括很多檢測元件信號(hào)(如：行程開關(guān)、接近開關(guān)、模式選擇開關(guān)等)。

　　3．輸出信號(hào)控制：PLC輸出信號(hào)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．T功能實(shí)現(xiàn)：數(shù)控系統(tǒng)中的T功能為刀具功能，指令T代碼后跟隨2—5位數(shù)字表示刀具號(hào)和刀具補(bǔ)償號(hào)。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(hào)，并與主軸刀號(hào)進(jìn)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(hào)。T 功能處理框圖如圖7所示。

圖7  T功能處理框圖

　　5．M功能實(shí)現(xiàn)：系統(tǒng)送出M指令給PLC，經(jīng)過譯碼，輸出控制信號(hào)，控制主軸正反轉(zhuǎn)和啟動(dòng)停止等等，M指令完成，系統(tǒng)發(fā)出完成信號(hào)。

　　6．S功能實(shí)現(xiàn)：數(shù)控系統(tǒng)中的S功能主要完成主軸轉(zhuǎn)速的功能，常用的S2位代碼形式和S4 位代碼形式編程。所謂S2位代碼編程，是指字母“S”后跟2位十進(jìn)制數(shù)字指定主軸轉(zhuǎn)速，共設(shè)100級（S00—S99）速度，按等比級數(shù)遞增，相鄰分度的后一級速度比前一級速度增加約12%。如圖8所示為S2位代碼在PLC中的處理框圖。S4位代碼編程處理過程相對于S2位代碼形式要簡單一些，可以省去“譯S代碼”和“數(shù)據(jù)裝換”兩個(gè)環(huán)節(jié)。所謂S4 位代碼編程，是指字母“S”后跟5 位十進(jìn)制數(shù)字直接指定主軸轉(zhuǎn)速，如S1500就直接表示主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min。

圖8  S功能處理框圖

　　盡管有數(shù)控基本命令（G、F、M、S、T）的國際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但數(shù)控系統(tǒng)制造商幾乎沒有嚴(yán)格遵守這些標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)控裝置傳送給PLC 的命令屬于數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部命令，各數(shù)控系統(tǒng)制造商之間更是千差萬別，需要進(jìn)一步深入了解數(shù)控系統(tǒng)中PLC 中程序設(shè)計(jì)。

5  結(jié)論

　　(1)  本文介紹了可編程機(jī)床控制器體系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)介紹微處理器CPU部分和I/O接口電路部分，并對上述部分詳細(xì)分析，完成相應(yīng)電路設(shè)計(jì)。

　　(2)  概述了可編程控制器的工作原理及工作過程。

　　(3)  可編程控制器的基本性能指標(biāo)，為其開發(fā)提供依據(jù)，根據(jù)機(jī)床需要的不同開發(fā)性能不同的PLC。

　　(4)  可編程控制器在CNC中的應(yīng)用主要是完成機(jī)床的輔助功能控制。