基于PLC的数控机床电气控制系统周云龙

基于PLC的数控机床电气控制系统周云龙

周云龙张春喜

特变电工沈阳变压器集团有限公司辽宁沈阳110144

摘要：数控设备在国内已经得到了非常普遍的应用，但目前的工艺水平还有待提升，在很大程度上阻碍了生产加工工艺技术的提高。基于PLC的数控机床电气控制系统设计合理，性能稳定，可以有效提升生产效率。

关键词：PLC；数控机床；电气控制

1可编程控制器（PLC）概述

1.1基本概念

在现代化工业领域，PLC作为一种电子设备，能够实现数字运算操作，利用配备的内部存储，完成计数、计时、顺序运算、逻辑控制等各种操作指令，并能够接收和输出开关量、模拟量信号，完成对现场硬件设施的控制，实现相关工艺控制。在对PLC进行设计时，充分考虑其可兼容性、可扩展性，能够方便地与现场控制硬件构成系统。

1.2功能特性

在现代工业控制领域，PLC的应用逐渐广泛，能够与现场工业控制硬件很好的兼容。PLC具备较强的抗干扰性，有较高的可靠性；自身体积不大，重量也较轻，耗能较低；自身功能较强，配套硬件齐全；梯形图、语句表编程都简单易学，通用性较强，现场技术人员容易接受。

1.3广泛应用

当今世界，各行各业都有PLC的影子，包括电气控制、机械加工、电力行业、车辆制造、煤炭、化工产业、交通行业、环境保护等。PLC的控制主要包括开关量与模拟量的输入输出逻辑控制、过程控制、运动控制、信息通讯和互联网控制等。

2基于PLC的数控机床电气控制方式的选择

电气控制方式的选择直接关系到数控机床控制系统的实际功能与系统稳定性。按照预定标准以及被控对象的具体特征、精度以及系统运行速度等因素综合考虑，同时考虑到系统的性价比，确定X、Y轴选择PC机+运动控制器+电机+光栅尺来实现闭环控制。这样的组合，可以让PC机发挥出最大的处理能力，实现更加高速的数据处理和人机交互，运动控制器可以充分表现出高速性以及高精度的优势，光栅尺能够给系统带来精度1μm的位置信息。另外，运动控制器能够接入到数控机床的各类传感器中并第一时间进行处理，大大增强系统的稳定性。运动控制卡只能够接入几根轴，而运动控制器能够不断的拓展轴的数量，有助于系统进行升级。

3数控机床的控制功能

（1）PLC初始化。一般设置有效修调NCK通道以及轴接口、有效检测参数和其他定义轴的测量系统激活，这一程序的执行仅仅位于PLC扫描的首个周期开始，从PLC扫描的二个周期后便停止执行，越过后执行下一个子程序。

（2）急停。主要包含了NC准备信号、急停按钮信号、停止信号以及伺服模块的处理。

（3）机车面板信号处理。子程序能够实现的功能包括：NC启动、停止、复位，手动、半自动以及自动操作方式任意选择，主轴正反转或者停止的操作等。

（4）X、Y坐标轴。对X、Y坐标轴的子程序予以控制，控制功能几乎相同，能够实现的功能：参考点的开关监控、坐标使能控制、步进驱动器旋转监控和硬限位处理等。

（5）液压。一般来说指的是对油泵的起停、压力继电器信号控制和压力大小控制。如果油泵出现故障，液压控制便会第一时间给出急停信号。

（6）工件夹卸。尾顶开模、合模等功能都是借助于工件夹卸子程序进行控制实现的。

（7）主轴使能控制。可以实现的主要功能包括：主轴使能、主轴制动控制、主轴手动、半自动以及自动操作控制、低速和高速变化控制。急停信号可以对主轴的使能信号予以控制，如果出现急停信号，主轴应当停止。

（8）报警子程序。系统内的840D的PLC用户报警信息是一种十分有效的诊断方式，如PLC逻辑禁止某项操作，或任意输出条件并未达到，这一时间激活相关报警信息，错误的操作或硬件故障等因素都会第一时间被实际操作执行人员所了解。

4可编程控制器在数控机床电气控制中的应用

4.1可编程控制器在数控机床中的应用形式

可编程控制器在数控机床上的应用形式包括两种。一种是内装式PLC，或者叫做集成式PLC。在机床设计开始，就将PLC作为内部组成，把PLC与NC融合在一体，两者利用内部总线进行信息交互。数据的传输速度较快，数据传播通道也较宽。两者可以共用系统控制核心CPU，也可以相互独立配置。鉴于各种硬件配置的系统性较好，两者的连接线路简单，系统的稳定性更佳，且两者更容易实现其他高级功能。另外，PLC的相关信息能通过CNC进行直观显示。内装式对于档次高的数控系统而言，优势显著。另一种是独立式PLC，或者叫作外装式PLC，其与CNC装置完全独立配备，能够独立完成相关工艺控制，与系统内部控制无关，更适合数控机床的改进，实现一些新增功能，在开放性上更具优势。两种方式各有利弊，应结合现场实际情况，合理选择配型，以便更加合理、科学地满足现场硬件控制需要。

4.2可编程控制器与数控系统及数控机床间的信息交换

数控机床主要包括数控系统和机床本身。PLC要借助相关数据传输接口，与两者实现数据传输，主要包括PLC与机床的相互数据传输和PLC与CNC的相互数据传输。

4.2.1机床至PLC

PLC配备有输入端口，机床上配备的相关数字量、模拟量信号传感器可以直接接入PLC。设计者可根据需要对以上参数进行地址定义，而PLC系统内部对部分变量地址出厂时已有设定。

4.2.2PLC至机床

PLC配备有输出端口和机床上配备的相关执行元件。设计者可自行定义地址，通过输出对现场相关执行硬件设施进行控制。

4.2.3CNC至PLC

CNC控制信息直接输入PLC寄存器，这些信息内容与地址在数控系统出厂时已经明确给予定义无法修改，现场编程人员只能根据需要进行选择使用。数控指令M、S、T的功能利用CNC完成译码后，可直接输出给PLC寄存器。

4.2.4PLC至CNC

PLC输出给CNC的控制信号也要保存到寄存器中，且设计者只能选择使用上述信号的地址，出厂时由CNC厂家给予明确，无法进行修改。

4.3PLC的工作流程

PLC应用于各种工艺流程现场。它的工作流程大致相通，数控机床也不例外，大致可分为三步。

4.3.1外界信号的输入

现场的各种硬件信息通过PLC的输入端口进入PLC，包括开关量信号、模拟量信号等。上述内容被写入输入映像寄存器，然后等待程序的执行。

4.3.2系统程序的执行

PLC的存储器保存着系统程序，涵盖各种控制所需的指令，有序排列。程序中如果没有编译跳转指令，那么系统程序就从第一条指令逐条执行。全部用户程序执行完毕，开始进行控制信号的输出。

4.3.3控制指令的输出

系统程序执行完毕，输出映像寄存区的全部输出继电器接通或者断开。在输出刷新过程中，上述状态转存至输出锁存器中，按照系统设定的输出方式，完成对外部硬件设备的驱动。

结束语

科学技术的不断进步，推动了工业制造业的技术革新。传统的机床控制模式也逐渐被计算机数字化程序控制所替代，这不仅提高了工业生产效率，节约了劳动力，而且控制技术更为精确完善，体现出了很大的技术优势。PLC控制技术，即可编辑逻辑控制器，系统比较稳定，无需传统控制技术需要的零部件更换，只需要改变相关的参数，就可以实现不同的工艺改变，一套设备，可以实现对多个生产环节的控制，节约了大量的人力物力，提高了生产效率，对于增强企业核心竞争力，降低产品生产成本，有着重要的作用。

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