数控机床电气控制.docx

计算机技术本身的复杂性，编程难度大，对工作环境要求高，因此将继电器控制逻辑的简单易懂、操作方便等优点与计算机的可编程序、灵活通用等优点结合起来，做成一种能够适应工业环境的控制装置，就显得十分必要和迫切。可编程序控制器（Programmable Controller），简称PC或PLC。它是20世纪70年代以来在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制装置。它可以取代传统的继电器控制系统实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数等各种功能，大型高档PLC能进行数字运算、数据处理、模拟量调节以及联网通信等，PLC迅速地从早期的逻辑控制发展到伺服控制等领域。它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，被广泛用于自动化控制的各个领域。PLC应用的不断普及，极大地促进了现代工业的进步与发展。（1）PLC定义 可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各类型机械的生产过程。定义强调了PLC是专为在工业环境下应用而设计的工业计算机。这种工业计算机采用面向用户的指令，因此编程方便。它有丰富的输入/输出接口，具有较强的驱动能力，非常容易与工业控制系统联成一体，易于扩充。PLC产品并不是针对某一具体工业应用，其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。在实际应用时，其硬件配置可根据实际需要选择，其软件则根据控制要求进行设计。（2）PLC特点 PLC之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，还因为它具有许多适合工业控制的独特优点。它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便和经济等问题，其主要特点如下：1）可靠性高，抗干扰能力强。PLC是专为工业控制而设计的，可靠性高、抗干扰能力强是它最重要的特点之一。PLC的平均无故障间隔时间（MTBF）可达几十万小时。一般由程序控制的数字电子设备产生的故障有两种：一种是软故障，是由于外界恶劣环境，如电磁干扰、超高温、超低温、过电压及次电压等引起的未损坏系统硬件的暂时性故障；另一种是由多种因素而导致元器件损坏引起的故障，称为硬故障。PLC在硬件、软件上采取了以下提高可靠性的措施。硬件方面：隔离是抗干扰的主要手段之一。在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效的抑制了外部干扰源对PLC的影响， 防止外部高电压进入CPU模板。滤波是抗干扰的有一主要措施。对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，可消除或抑制高频干扰。用良好的导电、导磁材料屏蔽CPU等主要部件可减弱空间电磁干扰。此外，对有些模板还设置了互锁保护、自诊断电路等。软件方面：设置故障检测与诊断程序。PLC在每一次循环扫描过程的内部处理期间，检测系统硬件是否正常，锂电池电压是否过低，外部环境是否正常，如掉电、欠电压等。状态信息保护功能。当软故障条件出现时，立即把现状态重要信息存入指定存储器，软硬件配合封闭存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防存储信息被冲掉。这样，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的程序工作。由于采取了以上抗干扰措施，PLC的可靠性、抗干扰能力大大提高。2）通用性好，组合灵活。只要改变输入/输出组件、功能模块和应用软件，同一台PLC可用于不同的受控对象。PLC的硬件采用模块化结构，可以灵活地组合以适应不同的控制对象、控制模块和控制功能的要求，给组成各种系统带来极大的方便。同时，PLC控制系统中的控制电路是由软件编程完成的，只要对应用程序进行修改就可以满足不同的控制要求，因此PLC具有在线修改能力，功能易于扩展，给生产带来了“柔性”，具有广泛的工业通用性。3）编程简单，使用方便。PLC采用梯形图编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观的优点，又考虑到大多数工矿企业电气技术人员的读图习惯和微机应用水平，因此受到普遍欢迎。这种面向生产的编程方式，与目前微机控制生产对象中常用的汇编语言相比，更容易被操作人员掌握。4）功能完善，适应面广。PLC除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制、过程控制、数字控制等功能，既可控制一台生产机械，又可控制一条生产线。PLC还具有通信联网的功能，可与上位计算机构成分布式控制系统。用户只需根据控制的规模和要求，适当选择的PLC型号和硬件配置，就可组成所需的控制系统。5）PLC控制系统的设计、安装、调试和维护方便。PLC用软件编程取代了继电器控制系统中的中间继电器、时间继电器等器件，使控制系统的设计、安装工作量大大减少。PLC的程序大多可以在实验室进行模拟调试，然后在现场进行联机调试，既安全，又快速方便，减少了现场调试的工作量。PLC的故障率很低，且具有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，操作人员可根据PLC提供的报警信息迅速的检查、判断、排除故障，维修十分方便。6）体积小、重量轻、功耗低。PLC结构紧密、坚固、体积小巧、功耗低，具备很强的抗干扰能力，易于装入机械设备内部。由于PLC具备了以上特点，它把计算机技术与继电器控制技术很好的融合在一起，因而它的应用几乎覆盖了所有工业，既能改造传统机械产品，使其成为机电结合的新一代产品，又适用于生产过程控制。（3）PLC的分类 PLC的分类方法很多，大多是根据外部特性来分类的。以下三种分类方法用的较为普遍。1）按照点数、功能不同分类。根据输入/输出点数、存储器容量和功能将PLC分为小型、中型和大型三类。小型PLC又称为低档PLC。它的输入/输出（I/O）点数一般256点以下，用户程序存储器容量小于8KB，具有逻辑运算、定时、计数、移位等功能，还有少量模拟量I/O功能和算术运算功能，可以用来进行条件控制、定时计数控制，通常用来代替继电器控制，在单机或小规模生产过程中使用。中型PLC得到I/O点数一般在2562048点之间，用户存储器容量小于50KB，兼有开关量和模拟量的控制功能。它除了具备小型PLC的功能外，还具有数字计算、过程参数调节（如比例、积分、微分调节）、查表等功能，同时辅助继电器数量增多，定时计数范围扩大，适用于较为复杂的开关量控制，如大型注塑机控制、配料及称重等小型连续生产过程控制场合。大型PLC又称为高档PLC，I/O点数超过2048点，进行扩展后还能增加，用户存储容量在50KB以上，具有逻辑运算、数字运算、模拟调节、联网通信、监视、记录、打印、中断控制、智能控制及远程控制等功能，用于大规模过程控制（如钢铁厂、电站）、分布式控制系统和工厂自动化网络。2）按照结构形状分类。根据PLC组件的组合结构，可将PLC分为整体式和分布式两种。整体式PLC是将中央处理机、输入/输出部件和电源部件集中于一体，装入机体内，形成一个整体，输入/输出接线端子及电源线分别在机箱的两侧，并有相应的发光二极管显示输入/输出状态。这种结构的PLC具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低和易于装入工业设备内部的优点，适用于单机控制，小型PLC通常采用这种结构。模块式PLC中的各种功能模块独立存在，如主机模块、输入模块、输出模块和电源模块等，各模块做成插件式，在机架底板上有多个插座，使用时将选用的模块插入底板就构成PLC。这种PLC的配置灵活，装置和维修很方便，也便于功能扩展，大、中型PLC通常采用这种结构。3）按照应用情况分类。根据应用情况又可将PLC分为通用型和专用型两类。通用型PLC可供各工业控制系统专门设计的PLC，如数控机床专用型PLC。PLC和机床计算技术控（CNC）系统密切配合，用于数控机床辅助运动的控制。PLC也可与数控加工中心、计算机网络相结合，构成柔性制造系统（FMS）.(4)PLC的应用 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保、娱乐等各行各业。1)顺序控制。这是PLC应用最广泛的领域，它取代传统的继电器控制。PLC应用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制，例如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。2）运动控制。PLC采用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可实现单轴、双轴、多轴位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。PLC的运动控制功能广泛地用于各种机械，如金属切削机床、装配机械和机器人等场合。3）过程控制。PLC能控制大量的物理参数，例如温度、压力、速度和流量。PID模块的提供使PLC具有了闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当由于控制过程中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。4）数据处理。现代PLC具有很强的数据处理功能，它不仅能进行数字运算和数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示、打印等，它可以与机械加工中的CNC设备紧密结合，实现数字控制。数据处理一般用于大型控制系统，也可以用于过程控制系统。5）通信联网。PLC的通信包括PLC之间、PLC和其他智能控制设备之间的通信功能。PLC与其他智能控制设备可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。2.PLC的组成与工作原理（1）PLC的基本组成 PLC是一种面向工业环境设计的专用计算机，它具有与一般计算机类似的结构，也是由硬件和软件所组成的。1）PLC的硬件结构。PLC的硬件结构框图如图4-1所示。PLC硬件结构由中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出接口、编程器、电源等几部分组成。中央处理单元（CPU）。中央处理单元CPU是PLC的核心，他通过地址总线、数据总线、控制总线与存储器、I/O接口相连，其主要作用是执行系统控制软件，从输入接口读取个开关状态，根据梯形图程序进行逻辑处理，并将处理结果输出到输出接口。存储器。PLC的存储器是用来存储数据或程序的。存储器中的程序包括系统程序和应用程序。系统程序用来管理控制系统的运行，解释执行应用程序，存储在只读存储器POM中。应用程序即用户程序，一般存放在随机存储器RAM 中，由后备电池维持其在一定时间内不丢失。也可将用户程序固化到只读存储器中，永久保存。I/O接口电路。I/O接口是CPU与现场I/O设备联系的桥梁。输入接口和采集输入信号。数字量（或称开关量）输入接口用来接收从按钮、选择开关、限位开关、接近开关、压力继电器等传来的数字量输入信号；模拟量输入接口用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号，输入接口一般要加光耦合器进行隔离。输出接口电路将内部电路输出的弱电信号转换为现场需要的强电信号输出，以驱动执行元件。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、变频器等执行装置。为保证PLC可靠安全和晶闸管输出三种形式，目前，一般采用继电器输出方式。I/O接口除了传递信号外，还有电平转换与隔离作用。编程器。编程器可用来输入和编辑程序，也可用来监视PLC运行时各编程元件的工作状态。编程器由键盘、显示器、工作方式开关以及与PLC的通信接口等几部分组成。一般情况下只在程序输入、调试阶段和检修时使用，所以一台编程器可供多台PLC使用。编程器可分为简易编程器、职能型编程器两种。前者只能联机编程，且只能输入和编辑指令表程序。简易编程器价格便宜，一般用来给小型PLC编程。职能型编程器即可联机编程；既可输入指令表程序又可直接生成和编辑梯形图程序，使用起来方便直观，但价格较高。此外，也可以在微机上运行专用的编程软件，通过串行通信口使微机与PLC连接，用微机编写、修改程序，程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。通过网络，可以实现远程编程和传送。可以用编程软件设置可编程序控制器的各种参数。通过通信，可以显示梯形图中触点和线圈的通断情况，以及运行时可编程序控制器内部的各种参数，这对于查找故障非常有用。电源。电源的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。有的电源单元还向外提供24V直流电源，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，以保持RAM在外部电源断电后存储的内容不丢失。PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。驱动PLC负载的电源一般由用户提供。2）PLC软件。PLC的软件分为系统软件和用户程序两大部分。系统软件由PLC制造商固化在机内，用以控制PLC本身的运作。用户程序由PLC的使用者编制并输入，用于控制外部被控对象的运行。用户指令解释程序则把用户程序（如梯形图）逐条解释，翻译成相应的机器语言指令，由CPU执行这些指令。标准程序模块是一些独立的程序模块，各程序块完成不同的功能，有些完成输入、输出处理，有些完成特殊运算等。PLC的各种具体工作都是由这部分程序来完成的。用户程序。用户程序是用户根据现场控制的需要，用PLC的编程语言编制的应用程序。通过编程器将其输入到PLC内存中，用来实现各种控制要求。（2）PLC的工作原理 PLC与继电器控制系统的工作原理有很大区别。下面以一个电动机单向起/停电路为例，说明这个问题。图4-2a所示为继电器控制系统的起/停控制电路。按下启动按钮DB1,线圈KM得电并自锁，其主触点闭合令电动机启动，按下停止按钮DB2，电动机停。图4-2b所示则为用PLC实现起/停控制的接线示意图。工作时，PLC先读入10.0、10.1的ON/OFF状态，然后按程序规定的逻辑做运算，若逻辑条件满足，则Q0.0的线圈应得电，使其外部触点闭合，外电路形成回路驱动KM，由KM再驱动电动机。上述工作过程大体上可以读入状态、逻辑运算、发出输出信号三步。1）扫描的概念。扫描用来描述PLC内部CPU的工作过程。所谓扫描就是依次对各种规定的操作项目全部进行访问和处理。PLC运行时，用户程序中有众多的指令需要去执行，但一个CPU每一时刻只能执行一个指令，因此CPU按程序规定的顺序依次执行各个指令。这种需要处理多个作业时依次按顺序处理的工作方式称为扫描工作方式。由于扫描是周而复始无限循环的，每扫描一个循环多用的时间，即从读入状态 输出信号所用的时间称为扫描周期。2）PLC的工作过程。PLC的工作过程是周期循环扫描的工作过程。当PLC开始运行时，PLC根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描，完成各输入点的状态采集或输入数据采集、用户程序的执行、各输出点状态的更新及CPU自诊断等功能。PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，减少了外界干扰的影响。PLC的工作过程分为三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，如图4-3所示。输入采样阶段。PLC在输入采样阶段，首先扫描所有的输入端子，将各输入存在内存中相应的输入映像寄存器。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论信号如何变化，其内容保持不变，直到下一扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。输出刷新阶段。在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的当前状态。然后进行相应的运算，运算结果再存入输出映像寄存器中。对于输出映像寄存器来说，其状态会随着程序执行过程而变化。输出刷新阶段。在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态（连接/断开）在输出刷新阶段存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。PLC的这种顺序扫描工作方式，简单直观，也简化了用户程序的设计。PLC在程序执行