华中数控系统的工作原理

PLC是计算机技术与自动控制技术有机结合的一种通用工业控制器。在PLC出现之前，机床的顺序控制是以机床当前运行状态为依据，使机床按预先规定好的动作依次地工作，这种控制方式的实现，是由传统的继电器逻辑电路 (Relay Logic Circuit，RLC) 完成的。这种电路是将继电器、接触器、开关、按钮等机电分离元件用导线连接而成的控制回路，由于它存在体积大、耗电多、寿命短、可靠性差、动作迟缓、柔性差、不易扩展等缺点，故而逐渐被PLC组成的顺序控制系统所代替。

数控机床的数控系统不仅要对各进给轴运动进行控制，还要对许多辅助动作进行控制，如主轴的启动、停止和转速的变化，刀库按程序要求实现换刀，液压、润滑、冷却、排屑装置、工件的装夹及行程极限保护、过载保护等。由于机床上控制对象很多，各种运动或动作之间有很多互锁关系或严格的逻辑关系，早年的机床采用继电器逻辑控制电路控制，电路复杂，可靠性很低。现在，这些辅助动作控制均由PLC来完成。因此，PLC是处于数控装置和“机床侧”之间的桥梁，这里的“机床侧”包括机床机械本体，气动、液压、冷却和润滑等装置，也包括机床操作面板、机床强电驱动系统和排屑器等辅助装置。现在PLC已成为数控机床不可缺少的控制装置。

一、华中数控系统PLC的结构

PLC硬件构成如图5-8所示。通用的PLC，主要由中央处理单元 (CPU)、存储器、输入/输出模块以及供电电源组成，各部分通过总线连接起来。由于PLC实现的任务主要是动作速度要求不是特别快的顺序控制，因此不需要使用高速微处理器。

图5-8 PLC硬件构成

1．CPU

PLC的CPU与微机的CPU一样，是PLC的核心。它按PLC中系统程序赋予的功能，接收并储存从编程器输入的用户程序和数据，用扫描方式查询现场输入装置的各种信号状态和数据，并存入输入过程状态存储器或数据存储器中，在诊断电源及PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法无错误后，PLC进入运行状态。从存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路，分时、分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等功能，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务; 在控制单元内还可设有标志、计时、计数等组件地址，它们直接与运算器交换数据信息，根据运算结果更新有关标志位的状态和输出状态存储器的内容，再由输出状态存储器的位状态和数据存储器的有关内容实现输出控制、数据通信等功能。

内装式PLC的CPU有两种用法: 一种是PLC装置与数控装置共用一个CPU，相对价格低，但其功能受到一定限制; 另一种是专用的CPU，控制处理速度快，并能增加控制功能。为了进一步提高PLC的功能，近年来采用多CPU控制，如一个CPU分管逻辑运算与专用的功能指令，另一个CPU管理输入/输出模块，甚至还采用单独的CPU用作故障处理和诊断，以增强PLC的工作性能，扩展其功能。

2． 存储器

PLC的存储器一般有随机存储器 (RAM) 和只读存储器 (EPROM) 两种类型。RAM用于存放PLC的号数设定值、定时器/计数器设定值数据、保持存储器的数据以及必须保存的输入/输出状态，也可用于存放用户程序。RAM中的数据由电池供电保持。EPROM用于存储PLC的系统程序，也可以固化编好调试后的用户程序。

3． 输入/输出模块

PLC的输入/输出模块是PLC写数控装置的输入/输出接口和与其他外部设备的连接部件。PLC的输入/输出模块可以直接连到执行元件上，它将外部过程信号转换成控制器内部的信号电平，或将内部信号电平与外部执行机构所需电平匹配。由于所控对象不同，其接收的输入信号电压和控制的输出信号电压也不同，如有DC24V、AC110V或AC220V，因此，PLC提供了各种操作电平、驱动能力以及各种功能的输入/输出模块供用户选用，如输入/输出电平转换、串/并行转换、数据传送、数据转换、A/D转换、D/A转换以及其他的功能控制模块。在输入/输出模块中，采用了光电隔离、消抖动回路、多级滤波器等措施，并与外界绝缘，具有抗噪声和抗干扰性能。输入/输出模块都配有发光二极管指示运行状态。当一台PLC输入/输出点数不能满足需要时还可以扩展。

4． 编程器

PLC通过编程器将用户程序送入PLC，因此编程器是PLC的主要辅件。编程器用作用户程序的编制、调试、监视、修改和编辑，并最后将程序固化在EPROM中。编程器还可通过通信接口与PLC的CPU联系，用键盘去调用和显示PLC的一切内部状态或参数。编程器分为简易型和智能型，前者通过一个专用接口与PLC连接，只能在线编程。程序以软件模块的形式输入，各程序段先在编程器的RAM区存放，然后转送到PLC的存储器中，或者经调试通过后，将程序固化到EPROM中。智能型编程器既可在线编程，又可离线编程，还可以远离PLC插到现场工作站的相应接口进行编程。智能型编程器有许多不同的应用程序软件包，功能齐全，适应的编程语言和方法也较多。

二、华中数控系统PLC的分类

用于数控机床的PLC一般分为两类: 一类是数控系统的生产厂家为实现数控机床的顺序控制而将数控系统和PLC综合起来设计，PLC是数控系统的一部分，其中的PLC称为内装型 (或集成型) PLC; 另一类是以独立专业化的PLC生产厂家的产品来实现顺序控制系统，这种类型的PLC称为独立型 (或外装型) PLC。

1． 内装型PLC

内装型PLC与数控系统间的信息传送在数控系统内部实现，PLC与机床侧 (Machine Tool) 间信息的传送则通过数控系统的输入/输出接口电路来实现，如图5-9所示。一般这种类型的PLC不能独立工作，它只是数控系统向PLC功能的扩展，两者是不能分离的。由于PLC和数控系统间没有多余的连线，且PLC上的信息能通过数控系统显示器显示，PLC的编程更为方便，而且故障诊断功能和系统的可靠性也有所提高。

图5-9 内装式PLC结构原理图

内装型PLC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、程序扫描时间、功能指令数目等) 是根据所从属的数控系统的规格、性能、适用机床的类型等确定的。其硬件和软件部分被作为数控系统的基本功能或附加功能与数控系统一起统一设计制造。因此，系统硬件和软件整体结构十分紧凑，PLC所具有的功能针对性强，技术指标较合理、实用，较适用于单台数控机床及加工中心等场合。

(2) 在系统的结构上，内装型PLC可与数控系统共用CPU，也可单独使用一个CPU;内装型PLC一般单独制成一块附加板，插装到数控系统主板的插座上，不单独配备I/O接口，而是使用数控系统本身的I/O接口; PLC控制部分及部分I/O电路所用电源 (一般是输入口电源，而输出口电源是另配的) 由CNC装置提供，不另备电源。

(3) 采用内装型PLC结构，数控系统可以具有某些高级的控制功能，如梯形图编辑和传送功能等。

2． 独立型PLC

独立型PLC与数控机床的关系如图5-10所示。独立型PLC特点如下:

图5-10 独立式PLC结构原理图

(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。一般来说，数控车床、铣床、加工中心等单机数控设备所需PLC的I/O点数多在128点以下，少数复杂设备在128点以上，选用微型和小型PLC即可。而大型数控机床、FMC (柔性制造单元) 或FMS (柔性制造系统)、FA(Factory Auto-mation)、CIMS (计算机集成制造系统)，则需要选用中型和大型PLC。

(2) 须进行PLC与数控系统装置的I/O连接及PLC与机床侧的I/O连接。数控系统和PLC装置均有自己的I/O接口电路，需将对应的I/O信号的接口电路连接起来。通用型PLC一般采用模块化结构，装在插板式笼箱内。I/O点数可通过I/O模块或者插板的增减灵活配置，使得PLC与数控系统的I/O信号的连接变得简单。

(3) 可以扩大数控系统的控制功能。在闭环 (或半闭环) 数控机床中，可采用D/A和A/D模块。

同时，可采用不同厂家的独立型PLC产品，且其功能易于扩展和变更。当用户向FMS、CIMS发展时，不至于使原系统做很大的变动。独立型PLC和数控系统是通过输入/输出接口连接的。

三、华中数控系统PLC的编程语言

PLC除了可使用梯形图编程外，还有指令语句表、C语言、逻辑功能等编程方法。大部分PLC的编程方式都采用梯形图法、指令语句表和C语言。目前常用的PLC很多，不同厂家PLC的各种指标和性能不同，其编程方法和继电器编号也不同。具体操作时，可查阅有关产品说明书。

1． 梯形图

梯形逻辑图简称梯形图 ( Relay Ladder Logic，RLL)，它是从继电器-接触器控制系统的电气原理图演化而来的，是一种图形语言，它沿用了继电器的触点、线圈串并联等术语和图形符号，也增加了一些简单的计算机符号，来完成时间上的顺序控制操作。继电器和触点图形符号就是编程语言的指令符号，如常开触点—| |—、线圈—( )— (或—O—)。数字0、1、2……是对应元件的地址编号。

用梯形图编程的基本原则如下:

(1) 梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。

(2) 同一地址继电器线圈在一个程序中只能用一次，而它的常开、常闭触点可多次引用。

(3) 输入、输出继电器和内部继电器的驱动方式不同。

(4) 计数器使用前要赋值。

(5) 力求编程简单、结构简化。

(6) 不存在几条并列支路同时运行的情况。

图5-11所示为简单三相感应电动机的启动、停止控制电路，其中SB1为常开触点， SB2为常闭触点，KM为继电器线圈，其工作原理为: 当常开触点SB1闭合时，SB2常闭触点为闭合状态，因此继电器线圈KM通电，使得常开触点KM闭合; 当常开触点SB1断开后，继电器线圈KM通过自身的常开触点仍然继续保持通电，只有当SB2常闭触点断开，继电器线圈KM才断电，故而形成了一个继电器线圈通电自锁电路。

图5-11 三相感应电动机启动、停止控制原理图

用梯形图形式描述的三相感应电动机启动、停止控制电路如图5-12所示，该图采用OMRON的C20普及型PLC编制的梯形图，其中0001和0002为输入继电器的编号，0500为输出继电器的编号。不同厂家生产的PLC或同一厂家生产的PLC的型号不同，其继电器的编号也不同，使用时可查阅使用说明书。通过梯形图对三相电动机启停电路的编程，可以看到这种编程语言简单、形象、直观、容易掌握，是目前应用最广泛的编程语言之一。

图5-12 三相感应电动机启动、停止控制梯形图

2． 指令语句表 (指令编码表)

指令语句表类似于计算机的汇编语言，它是由语句助记符来编程的。不同的机型有不同的语句助记符，但都要比汇编语言简单得多，很容易掌握，也是目前用得最多的编程方法。

指令语句表是由若干个指令组成的程序，一般每一条指令又是由操作码和操作数组成。操作码是用助记符表示的，它表明CPU要完成的某种操作: 如逻辑运算中的“与”“或”“非”; 算术运算中的+、-、×、÷; 时间或条件控制中的计时、计数、移位、转移等功能。操作数是指助记符对哪个继电器进行操作，操作数实际上就是某个继电器的编号。

图5-12的指令语句表格式为:

地址　指令　数据

0200　LD　0001

0201　OR　0500

0202　AND-NOT　0002

0203　OUT　0500

其中，LD是靠近母线或分支母线的继电器指令，用于常开触点; OR指常开触点0500和输入继电器0001是并联关系; AND-NOT指输入触点为常闭触点，与前两个常开触点0001、0500是串联关系; OUT用于驱动输出线圈0500。

从该程序中可以看到，编程简单明了，语句少，结构类似于电路的串并联方式，容易掌握。

3．C语言

C语言简洁、紧凑，使用方便、灵活，可移植性好，可用于任何通用微型计算机中，表达和运算能力强，可以实现梯形图法和指令编程法难以实现的复杂逻辑控制功能，但它没有梯形图法形象，比指令编程表复杂，使用者需具有一定的C语言编程的基本知识，因此较难掌握。

4． 逻辑功能

这种编程方式基本上沿用了半导体逻辑电路的逻辑方块图的表示方法。

5． 逻辑方程式 (布尔代数式)

该方法利用布尔代数，将继电器电气控制原理图中各触点、开关、继电器之间的逻辑关系直接进行编程，用“与”“或”“非”等逻辑关系表达式写出，编程直接，不需要将继电器电气控制原理图转化为梯形图，而直接根据电气控制原理图写出逻辑方程式。

例如，图5-12可写成如下逻辑方程式:

0500=0002(0001+0500)

四、华中数控系统内置式PLC的基本原理

1． 内置式PLC的工作原理

内置式PLC是数控机床生产厂家根据机床功能规划对数控系统进行的二次开发。数控机床是机、电、液 (气) 一体化的高新技术密集设备，完成其控制需要综合机械制造、计算机、自动控制和传感检测等多种技术，对完成控制所采用的数控系统具有较高的技术要求，如界面开放、智能化、网络功能等，因此数控机床电气控制系统在完成硬件电路设计和PLC的I/O规划之后，还要投入更多的时间来完成实现数控机床逻辑控制的PLC软件开发工作，这种开发是建立在数控系统生产厂家的系统软件基础平台之上，针对具体数控机床的控制功能和动作要求进行的PMC逻辑程序开发。

一般来讲，一套数控系统，无论是传统的封闭式体系结构系统还是目前正在广泛运用的开放式体系结构系统，在软件上均由NC和PMC (指数控系统内置PLC) 两大控制模块组成。在数控系统出厂时，NC软件的功能已被定义和安装完毕，可用来完成主轴运动控制、伺服轴进给控制、第一操作面板的管理、手轮信号的处理、CRT显示控制、加工程序传输与网络控制等数控系统通用功能。而PMC软件则是数控系统生产厂留给用户 (数控机床制造厂) 根据其特别用途开发的，用来使通用的数控系统能通过不同的PMC逻辑软件控制不同功能数控机床的逻辑动作，如第二操作面板的设置及管理、工作方式的选择及方式之间的联锁、自动换刀的分解动作及与动作相配合的进给坐标移动、用户设置的PMC报警及处理等。

PLC程序一般使用梯形图编制 (如FANUC-Oi数控系统)，其特点是形象直观、可读性强，但编制具有运算功能的程序时结构复杂、编程难度较大。开放式体系结构数控系统则可以提供功能更强、更灵活高效的高级语言编程方式，如C或C++语言供用户利用，其强大而又简便的运算功能，可灵活高效地开发出PMC控制软件。NC模块、PMC模块在数控系统中的关系如图5-13所示，内置式PLC的逻辑结构如图5-14所示。

图5-13 NC、PMC模块在数控系统中的关系

图5-14 内置式PLC的逻辑结构

众所周知，继电器控制系统是一种“硬件逻辑系统”，如图5-15 (a) 所示，它的三条支路是并行工作的，当按下按钮SB1，中间继电器K得电，K的两个触点闭合，接触器KM1、KM2同时得电并产生动作。所以继电器控制系统采用的是并行工作方式。而PLC是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现，如图5-15 (b) 所示。但是CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。

图5-15 继电器系统和PLC系统逻辑原理图

概括而言，PLC是按集中输入、集中输出、周期性循环扫描的方式进行工作的。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令执行开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。

图5-16 PLC运行过程框图

PLC工作全过程的运行框图如图5-16所示。整个过程可分为以下三部分:

第一部分是通电处理。机器通电后对PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化、I/O模块配置检查、停电保持范围设定及其他初始化处理等。

第二部分是扫描过程。PLC通电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于停止 (STOP) 方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于运行 (RUN) 方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。

第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O和通信等是否异常或出错。如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码;当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描便停止。

PLC正常运行时，扫描周期的长短与CPU的运算速度、I/O点的情况、用户应用程序的长短及编程情况等有关。通常用PLC执行1KB指令所需时间来说明其扫描速度 (一般1～10ms/KB)。不同指令其执行时间是不同的，从零点几微秒到上百微秒不等，故选用不同指令所用的扫描时间也会不同。若要缩短扫描周期，可从软、硬件上同时考虑。

2． 华中数控系统内置式PLC的工作机制

华中数控系统PLC输入/输出口为负逻辑系统，即逻辑高为低电平，逻辑低为高电平，其PLC程序采用Borland C++语言编写，其在PLC中有如下限制:

(1) 严禁像C语言编制应用程序一样使用main( )主函数。

(2) 不能使用全局变量，只能使用自动变量及PLC头文件PLC．H中定义的变量和函数。

(3) 不能使用C语言中的浮点运算。

由于华中数控系统PLC程序是作为驱动程序驻留在内存的，系统内部只调用初始化函数init( )、快速 (高级) plcl( )、慢速 (低级) plc2( )以及M、S、T函数exec_M( )、exec_s( )、exec_T( )，而PLC文件只有一个，因此，所有PLC需要完成的功能都必须在上述函数中完成。

华中数控系统PLC程序必须在专门定制的编译环境中进行编译，并生成系统可用的PLC程序，系统框图如图5-17所示。

图5-17 华中数控系统PLC系统框图

华中数控系统是基于MS-DOS的应用操作系统，采用MS-DOS6．220系统，运行前应进行相应设置以满足正常运行的需要。DOS最基本的系统配置文件CONFIG．SYS应在如下状态下编辑 (在EDIT编辑状态下编辑)。

DEVICE: 文件路径\HIMEM．SYS

DEVICE: 文件路径\EMM386．EXENOEMS

DOS: HIGH，UMB

FILES= 50

RUFFERS= 30

(1) 内置式PLC的结构及相关寄存器的访问。

华中数控系统PLC的逻辑结构如图5-17所示。内置式PLC的寄存器及字节见表5-1。

表5-1 内置式PLC的寄存器及字节

续表

(2) 华中数控PLC的软件结构及其运行原理和一般C语言程序都必须提供main( )函数一样，用户编写内置式PLC的C语言程序必须提供如下系统函数的定义及系统变量值:

externvoidinit(void);　∥初始化PLC

externunsignedplcl_time;　∥函数PLCl ( ) 的运行周期 (单位: ms)

externvoidplcl (void);　∥PLC程序入口1

externunsignedplc2_time;　∥函数PLC2 ( ) 的运行周期 (单位: ms)

externvoidplc2(void);　∥PLC程序人口2

其中:

①函数init ( ) 是用户PLC程序的初始化函数，系统只在初始化时调用该函数一次。该函数一般设置系统M、S、B、T等辅助功能的响应函数及系统复位的初始化工作。

②变量plcl_time及plc2_time的值分别表示函数plcl ( )、plc2 ( ) 被系统周期调用的时间 (单位: ms)，系统推荐值分别为16ms及32ms，即plcl_time=16、plc2_time=32。

③函数plcl ( ) 及plc2 ( ) 分别表示数控系统调用PLC程序的入口，其调用周期分别由变量plcl_time和plc2_time指定。

系统初始化PLC时，将调用PLC提供的init ( ) 函数 (该函数只被调用一次)。在系统初始化完成后，数控系统将周期性地执行如下过程:

a． 从硬件端口及数控系统成批读入所有X、F、P寄存器的内容。

b． 如果变量plcl_time所指定的周期时间已到，调用函数plcl ( )。

c． 如果变量plc2_time所指定的周期时间已到，调用函数plc2( )。

d． 系统成批输出G、Y、B寄存器内容。

一般地，变量plcl_time周期时间的值总是小于变量plc2_time周期时间的值，即函数plcl( )较函数plc2( )调用的频率要高。因此，华中数控系统称函数plcl( )为PLC高速扫描进程，函数plc2( )为PLC低速扫描进程。因而，用户提供的函数plcl( )及plc2( )必须根据X、F寄存器的内容正确计算出G、Y寄存器的值。