PLC介紹

PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC主要有CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成，如圖所示。有的PLC還可以配備特殊功能模塊，用來完成對操作面板、機床外部開關輸入信號、輸出信號等的控制功能

1、CPU模塊

CPU的模塊主要由微處理器（CPU芯片）和存儲器組成。在PLC控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當于人的大腦，他不斷采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存續(xù)乎其用來儲存程序和數(shù)據(jù)。

2、I/O模塊

輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊簡稱I/O模塊，他們相當于系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場設備和CPU模塊的橋梁。

輸入模塊用來接収和采集輸入信號，開關量輸入模塊用來接収從按鈕、選擇開關、數(shù)字撥碼開關、限位開關、接近開關、光電開關、壓力繼電器等過來的開關量輸入信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發(fā)電機和各種變速器的連續(xù)變化的模擬量電流、電壓信號。

開關量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警裝置等輸出設備，模擬量輸出模塊用來控制調節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置。

CPU模塊的工作電壓一般是5V，而PLC的輸入/輸出信號電壓一般較高，如直流24V和交流220V。從外部引入的尖峰電流和干擾噪聲可能損壞CPU模塊中的元器件，或使PLC不能正常工作。在I/O模塊中用光耦合器、光電晶閘管、小型繼電器的器件來隔離PLC內部電路和外部I/O電路，I/O模塊除了傳遞信號外，還有電平轉換與隔離的作用。

3、編程器

編程器是PLC必不可少的重要外部設備。編程器將用戶所希望的功能通過編程語言送到PLC的用戶程序存儲器中。編程器不僅能對程序進行寫入、讀出、修改，還能對PLC的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，同時也是用戶與PLC之間進行人機對話的界面。手持編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫指令編程器。它的體積小，價格便宜，一般用來給小型PLC編程，或者用于現(xiàn)場調試和維護。

使用編程軟件可以在計算機的屏幕上直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以不同編程語言的相互轉換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡，還可以實現(xiàn)遠程編程和傳送。

4、電源

PLC一般使用220V交流電源或24V直流電源。內部的開關電源為各模塊提供DC5V，正負12V，24V等直流電源。小型PLC一般都可以作為輸入電路和外部的電子傳感器（如接近開關）提供24V直流電源，驅動PLC負載的直流電源一般由用戶提供。

PLC在數(shù)控機床中的發(fā)展方向

1、國內外PLC的現(xiàn)狀

目前，全世界約有PLC生產(chǎn)廠家約200家，生產(chǎn)300多個品種。全球PLC發(fā)運件數(shù)1998年為1456萬件，1999年為1620萬件，2000年達到1778萬件。在1995年發(fā)運的PLC中，按最終用戶分：汽車占23％，糧食加工占16.4%，化學藥品占14.6%金屬、礦山占11.5％，紙漿、造紙占11.3％，其他占23.2％，PLC逐漸成為占自動化裝置及過程控制系統(tǒng)最大市場份額的產(chǎn)品。2000年PLC的銷售額在控制市場份額中超過50％。在全球PLC制造商中，世界PLC主要生產(chǎn)廠家分別是Siemens（西門子）公司、Allen-Bradley（A—B）公司、Schneider（施耐德）公司、Mitsubishi（三菱）公司、Omron（歐姆龍）公司，他們的銷售額約占全球總銷售額的三分之二。

我國的PLC生產(chǎn)目前也有一定的發(fā)展，小型PLC已批量生產(chǎn)，中型PLC已有產(chǎn)品，大型PLC已經(jīng)開始研制。有的產(chǎn)品不僅供應國內市場，而且還有出口。國內PLC形成產(chǎn)品化的生產(chǎn)企業(yè)約30多家，但是國內產(chǎn)品市場占有率不超過10％，另一方面，國產(chǎn)PLC許多仍停留在全套引進或以仿制為主的階段上，這種方式在研究開始是必要的，但是停留在這個水平上是絕對不可取的。當然，國內產(chǎn)品在價格上占有明顯的優(yōu)勢。總體來說，國產(chǎn)PLC的發(fā)展有一定的基礎。但從產(chǎn)品結構上看，我國自主研制及引進技術生產(chǎn)的PLC大都屬于中低檔產(chǎn)品，至今沒有形成主流產(chǎn)品和完整的系列產(chǎn)品。

2、PLC的發(fā)展趨勢

自60年代未引入PLC技術以來，PLC由最初的只能處理丌關量而發(fā)展到可以處理模擬量和數(shù)據(jù)，以后又與其他技術相結合，利用其不同的性能和特點，相互滲透和融合、集成以及網(wǎng)絡化，構成各種新型的自動控制系統(tǒng)，以滿足各種自動控制的要求。總體來講，PLC的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）微型、小型PLC功能明顯增強

很多有名的PLC廠家相繼推出高速、高性能、小型、特別是微型的PLC。三菱的FXOSl4（8個24VDC輸入，6個繼電器輸出），其尺寸僅為58mmx89mm，僅大于信用卡幾個毫米，而功能卻有所增強，使PLC的應用領域擴大到遠離工業(yè)控制的其它行業(yè)，如快餐廳、醫(yī)院手術室、旋轉門和車輛等，甚至引入家庭住宅、娛樂場所和商業(yè)部門。

（2）向開放型轉變，編程語言多樣化

傳統(tǒng)PLC存在嚴重的缺點，主要是PLC的軟、硬件體系結構是封閉而不是開放的，絕大多數(shù)的PLC是專用總線、專用通信網(wǎng)絡及協(xié)議，編程雖多為梯形圖，但各公司的組態(tài)、尋址、語文結構不一致，使各種PLC互不兼容。國際電工協(xié)會（IEC）在1993年頒布了《可編程序控制器的編程軟件標準》，為各PLC廠家編程的標準化鋪平了道路。我國也在1995按照這個標準制定了可編程控制器的國家標準?！犊删幊绦蚩刂破鞯木幊誊浖藴室?guī)定了5種編程語言（我國國家標準中也遵守此規(guī)定）：梯形圖（LD，美、日），順序功能圖（SFC，歐洲），功能塊圖（FBD，歐洲），結構文本（ST）和指令表（IL德、曰）。為適合不同應用場合和不同國家應用習慣的要求，允許在同一個PLC程序中使用多種編程語言。

（3）向集成化、通訊化、網(wǎng)絡化發(fā)展

由于控制內容的復雜化和高難度化，使PLC向集成化方向發(fā)展，并強化了通訊能力和網(wǎng)絡化。網(wǎng)絡化和強化通信能力是PLC的重要發(fā)展方向。尤其是以PC為基礎的控制產(chǎn)品增長率最快。PLC與PC集成，即將計算機、PLC及操作人員的人一機接口結合在一起，使PLC能利用計算機豐富的軟件資源，而計算機能和PLC的模塊交互存取數(shù)據(jù)。以PC機為基礎的控制方法使得用戶編程更加方便，而且提供開放的體系結構，用戶可以根據(jù)需要選擇各類、各廠家的PLC或I/O設備進行互聯(lián)，從而可以降低生成成本和提高生產(chǎn)率。

（4）PLC的新進展——軟PLC

計算機軟、硬件技術的迅速發(fā)展，推動了自動控制技術又耿得了一系列新的進展。目前有許多工業(yè)用自動控制產(chǎn)品、機電一體化產(chǎn)品開始轉向以計算機為平臺的控制方式。德國工業(yè)界最新推出了以計算機為平臺的SOFTPLC，可以說是這方面的優(yōu)秀代表。軟PLC又有人稱作“PCPLC”、“嵌入式PLC”，顧名思義，軟PLC實際利用軟件來實現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的功能。SOFTPLC最大的優(yōu)勢是具備柔性擴展能力，用戶可以選擇不同廠家生產(chǎn)的各種硬件產(chǎn)品，充分利用每一軟件的最佳特性，組成最佳的控制系統(tǒng)。同時與硬件的連接也十分方便。有很多的I／O卡可以直接內連接到SOFTPLC計算機總線上。從而在軟、硬件兩方面可以達到工控機和PLC性能的完美結合，方便了性能擴展和人機交流，是PLC未來的一大發(fā)展趨勢。

PLC在數(shù)控機床中的作用

1、PLC是數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機床間的信息交換的橋梁

相對于PLC，機床和CNC就是外部，PLC與機床以及CNC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，通常有四個部分：

（1）機床側至PLC：機床側的開關量信號通過I/O單元接口輸入到PLC中，除極少數(shù)信號外，絕大多數(shù)信號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)控機床生產(chǎn)廠家可以方便的根據(jù)機床的功能和配置，對PLC程序和地址分配進行修改。

（2）PLC至機床：PLC的控制信號通過PLC的輸出接口送到機床側，所有輸出信號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。（3）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的信號含義和地址（開關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功能，通過CNC譯碼后直接送入PLC相應的寄存器中。

（4）PLC至CNC：PLC送至CNC的信息也由開關量信號或寄存器完成，所有PLC送至CNC的信號地址與含義由CNC廠家確定，PLC編程者只可使用，不可改變和增刪。

2、PLC在數(shù)控機床中的某些控制功能

（1）對操作面板的控制。操作面板分為系統(tǒng)操作面板和機床操作面板。系統(tǒng)操作面板的控制信號先是進入CNC，再由CNC送到PLC，來控制數(shù)控機床的運行。而機床操作面板控制信號，是直接進入PLC，從而控制機床的運行。（2）控制機床外部開關輸入信號。機床側的開關信號輸入到PLC，進行邏輯運算。這些開關信號，包括很多檢測元件信號。

（3）對輸出信號進行控制：PLC輸出信號經(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）功能實現(xiàn)。系統(tǒng)給出T指令到PLC，經(jīng)過譯碼，會在數(shù)據(jù)表內檢索，找到T代碼指定的刀號，并與主軸刀號來比較。如果不符合，會發(fā)出換刀指令，刀具換刀，換刀完成后，系統(tǒng)會發(fā)出完成信號。

（5）M功能實現(xiàn)。系統(tǒng)給出M指令到PLC，經(jīng)過譯碼，輸出控制信號，控制主軸正反轉和啟動停止等等。M指令完成，系統(tǒng)發(fā)出完成信號。

PLC在數(shù)控機床中的應用

數(shù)控機床中所應用PLC可分為兩類：一類是專為實現(xiàn)數(shù)控機床順序控制而設計制造的內裝型PLC；另一類是I/O信號接口技術規(guī)范、I/O點數(shù)、程序存儲容量以及運算和控制功能等均能滿足數(shù)控機床控制要求的獨立型PLC。

1、內裝型PLC

內裝型PLC（或稱內含型PLC、集成式PLC）從屬于CNC裝置，PLC與NC間的信號傳送在CNC裝置內部即可實現(xiàn)。PLC與機床（簡稱MT）之間則通過CNCI/O接口電路實現(xiàn)信號傳送。如圖2-1所示為具有內裝型PLC的CNC機床系統(tǒng)框圖。

內裝型PLC有如下特點：

（1）內裝型PLC實際上是CNC裝置帶有的PLC功能，一般作為一種基本的或可選擇的功能提供給用戶。

（2）內裝型PLC的性能指標（如：I/O點數(shù)，程序最大步數(shù)，每步執(zhí)行時間、程序掃描周期、功能指令數(shù)目等）是根據(jù)所從屬的CNC系統(tǒng)的規(guī)格、性能、適用機床的類型等確定的。其硬件和軟件部分是被作為CNC系統(tǒng)的基本功能或附加功能與CNC系統(tǒng)其他功能一起統(tǒng)一設計、制造的。因此，系統(tǒng)硬件和軟件整體結構十分緊湊，且PLC所具有的功能針對性強，技術指標亦較合理、實用，尤其適用于單機數(shù)控設備的應用場合。

（3）在系統(tǒng)的具體結構上，內裝型PLC可與CNC系統(tǒng)共用CPU，也可以單獨使用一個CPU；硬件控制電路可與CNC系統(tǒng)其他電路制作在同一塊印制電路板上，也可以單獨制成一塊附加板，當CNC裝置需要附加PLC功能時，再將此附加板插裝到CNC裝置上，內裝PLC一般不單獨配置I/O接口電路，而是使用CNC系統(tǒng)本身的I/O電路。PLC控制電路及部分I/O電路（一般為輸入電路）所用電源由CNC裝置提供，不需另備電源。

（4）采用內裝型PLC結構，CNC系統(tǒng)可以具有某些高級的控制功能。如：梯形圖編輯和傳送功能，在CNC系統(tǒng)內部直接處理NC窗口的大量信息等。國內常見外國公司生產(chǎn)的帶有內裝型PLC的系統(tǒng)有：FANUC公司的FS—0（PMC—L/M）、FS—0Mate（PMC—L/M）、FS—3（PLC—D）、FS—6（PLC—A、PLC—B）、FS—10/11（PMC—1）、FS—15（PMC—N），SIEMENS公司的SINUMERIK810、SINUMERIK820，A-B公司的8200、8400、8600等。

2、獨立型PLC

獨立型PLC又稱通用型PLC。獨立型PLC是獨立于CNC裝置，具有完備的硬件和軟件功能，能夠獨立完成規(guī)定控制任務的裝置。如圖2.21所示為具有獨立型PLC的CNC機床系統(tǒng)框圖。

獨立型PLC有如下特點：

（1）獨立型PLC具有如下基本的功能結構：CPU及其控制電路、系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器、I/O接口電路、與編程機等外部設備通信的接口和電源等。

（2）獨立型PLC一般采用積木式模塊化結構或籠式插板式結構，各功能電路多做成獨立的模塊或印制電路板，具有安裝方便，功能易于擴展和變更等優(yōu)點。例如，可采用通信模塊與外部I/O設備、編程設備、上位機、下位機等進行數(shù)據(jù)交換；采用D/A模塊可以對外部伺服裝置直接進行控制；采用計數(shù)模塊可以對加工工件數(shù)量、刀具使用次數(shù)、回轉體回轉分度數(shù)等進行檢測和控制，采用定位模塊可以直接對諸如刀庫、轉臺、直線運動軸等機械運動部件或裝置進行控制。

（3）獨立型PLC的輸入/輸出點數(shù)可以通過I/O模塊或插板的增減靈活配置。有的獨立型PLC還可通過多個遠程終端連接器構成有大量輸入/輸出點的網(wǎng)絡，以實現(xiàn)大范圍的集中控制。

在獨立型PLC中，那些專為用于FMS、FA而開發(fā)的獨立型PLC具有強大的數(shù)據(jù)處理、通信和診斷功能，主要用作“單元控制器”，是現(xiàn)代自動化生產(chǎn)制造系統(tǒng)重要的控制裝置。獨立型PLC也用于單機控制。國外有些數(shù)控機床制造廠家，或是為了展示自己長期形成的技術特色，或是為了對某些技術絕竅進行保密，或純粹是因管理上的需要，在購進的CNC系統(tǒng)中，舍棄了PLC功能，而采用外購或自行開發(fā)的獨立型PLC作控制器，這種情況在從日本、歐美引進的數(shù)控機床中屢見不鮮。

國內已引進應用的獨立型PLC有：SIEMENS公司的SIMATICS5系列產(chǎn)品，A-B公司的PLC系列產(chǎn)品，F(xiàn)ANUC公司的PMC—J等。