段恩甜 ，趙 金

（迪恩機(jī)床（中國(guó)）有限公司，山東 煙臺(tái) 264006）

PLC是以單片機(jī)為基礎(chǔ)，與計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合的新型控制技術(shù)，具有穩(wěn)定性好、架構(gòu)模塊化、程序簡(jiǎn)化、接口豐富、操作簡(jiǎn)便、能耗低、安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)[1]。近年來(lái)，大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家在機(jī)床技術(shù)升級(jí)時(shí)放棄了舊式的繼電器和開(kāi)關(guān)按鍵控制，轉(zhuǎn)而采用PLC控制技術(shù)[2]。PLC優(yōu)化了數(shù)控機(jī)床的技術(shù)性能，降低了工業(yè)控制設(shè)備的維修頻率，提高了產(chǎn)品的加工效率和穩(wěn)定性，在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。本研究從PLC控制系統(tǒng)的原理、作用及應(yīng)用等角度展開(kāi)了闡述，以期能為相關(guān)企業(yè)及技術(shù)人員提供有益的借鑒。

1 PLC的工作原理

PLC主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中的各種電氣開(kāi)關(guān)進(jìn)行邏輯切換以及對(duì)刀具的軌跡進(jìn)行邏輯控制。數(shù)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)控機(jī)床加工參數(shù)的配置、加工線程之間的管理和調(diào)度以及加工軌跡的運(yùn)動(dòng)控制。PLC與數(shù)控系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床的工作中互為補(bǔ)充，通過(guò)對(duì)切換信息進(jìn)行調(diào)度，以達(dá)到對(duì)機(jī)床的邏輯控制作用，從而保證機(jī)床的正常工作。PLC軟件的工作模式是以?huà)呙璧男问竭M(jìn)行的，PLC的工作流程包括采樣輸入、程序執(zhí)行、信號(hào)輸出三個(gè)階段[3]。

1）采樣輸入階段。PLC以?huà)呙璺绞阶x取各種現(xiàn)場(chǎng)外部輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)輸入模板的整合后，把輸入信號(hào)存儲(chǔ)到輸入映像區(qū)中[4]。

2）程序執(zhí)行階段。PLC通過(guò)依次執(zhí)行用戶(hù)程序（即梯形圖或者指令碼）中的邏輯運(yùn)算，然后按照由上到下、從左到右的順序?qū)⒓庸ず蟮臄?shù)據(jù)存入輸出映像區(qū)，以備以后的系統(tǒng)調(diào)用，也可以直接用作機(jī)床的控制輸出。

3）信號(hào)輸出階段。當(dāng)用戶(hù)程序執(zhí)行完畢后，CPU根據(jù)輸出映像區(qū)中的數(shù)據(jù)刷新輸出鎖存回路，進(jìn)行掃描和輸出。數(shù)據(jù)寄存器將狀態(tài)數(shù)據(jù)從輸出圖像中抽取出來(lái)，并傳遞給輸出模板進(jìn)行轉(zhuǎn)化，然后將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的執(zhí)行文檔，再由輸出回路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)[5]。PLC的工作過(guò)程如圖1所示。

圖1 PLC的工作過(guò)程圖

2 PLC在數(shù)控系統(tǒng)中的作用

數(shù)控機(jī)床的控制器分為數(shù)字控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)[6]。其中，數(shù)字控制系統(tǒng)完成對(duì)電機(jī)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的控制；程序控制系統(tǒng)完成對(duì)電機(jī)控制部件開(kāi)關(guān)量的控制。PLC是數(shù)字控制系統(tǒng)和機(jī)器主體的連接，它與機(jī)床主機(jī)建立了信息交流，并共同完成復(fù)雜的程序控制。機(jī)床主機(jī)、CNC與PLC之間的各種信號(hào)流轉(zhuǎn)過(guò)程，如圖2所示。

圖2 機(jī)床、CNC與PLC之間的各種信號(hào)流轉(zhuǎn)圖

分析圖中的每個(gè)信號(hào)，具體描述如下：

1）機(jī)床到PLC的信號(hào)X，它是從機(jī)床一側(cè)發(fā)出的代表不同的輸入狀況的信號(hào)，通過(guò)一個(gè)輸入/輸出界面?zhèn)魉偷絇LC，它包括一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)、一個(gè)按鈕信號(hào)和一個(gè)狀態(tài)探測(cè)信號(hào)。

2）PLC到CNC的信號(hào)G，是PLC和CNC之間的連接信號(hào)，CNC用來(lái)接受PLC的請(qǐng)求，其中一些是一個(gè)子程序。例如，PLC向CNC發(fā)出的一個(gè)停止主軸馬達(dá)的緊急停止信號(hào)以及其他的主軸功能終止信號(hào)等，用以通知CNC目前的工作狀況已經(jīng)完成，要求進(jìn)行其他的工作。

3）CNC到PLC的信號(hào)F，是CNC向PLC發(fā)送的信號(hào)，以表明CNC中的某些操作狀況，如CNC向PLC輸送的警報(bào)信號(hào)以及系統(tǒng)準(zhǔn)備結(jié)束的信號(hào)等。

4）由PLC發(fā)給機(jī)床的信息Y，是由PLC對(duì)CNC的F信息進(jìn)行的反應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)了諸如電磁閥、信號(hào)燈以及電機(jī)正/反向繼電器之類(lèi)的開(kāi)關(guān)，以適應(yīng)機(jī)床的操作要求。

3 PLC在數(shù)控機(jī)床控制中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用形式

目前，常見(jiàn)的PLC技術(shù)主要是采用獨(dú)立式和嵌入式，其中，獨(dú)立式PLC技術(shù)具有廣闊的使用前景[6]，其可以讓用戶(hù)根據(jù)需要的函數(shù)選取最適合的PLC技術(shù)，從而達(dá)到對(duì)數(shù)控設(shè)備的最優(yōu)控制；嵌入式PLC技術(shù)是一種集成PLC技術(shù)，其將NC技術(shù)與PLC技術(shù)相結(jié)合，可以有效地將PLC技術(shù)和NC技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而加快以?xún)?nèi)部總線為核心的數(shù)據(jù)傳輸速率，極大地提高了信息的傳播速度。此外，采用PLC技術(shù)與NC技術(shù)實(shí)現(xiàn)CPU獨(dú)立運(yùn)行或共用CPU，可以使整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行得更加平穩(wěn)[7]。

3.2 在數(shù)據(jù)交換中的應(yīng)用

利用PLC技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床和PLC、CNC之間的數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而精確控制數(shù)控機(jī)床中的各種電氣設(shè)備。為確保交流的穩(wěn)定性和通用性，數(shù)控機(jī)床針對(duì)不同的模塊采用了不同的接口，有效地提高了數(shù)據(jù)的交換效率，實(shí)現(xiàn)了可編程控制的終極目標(biāo)[8]。同時(shí)，基于界面的溝通模式，相關(guān)人員可以根據(jù)自己的實(shí)際需要，進(jìn)行定制化的設(shè)置，從而全面提升數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。

3.3 在功能模塊中的應(yīng)用

將PLC技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的各個(gè)功能模塊上，既可以完成對(duì)數(shù)控機(jī)床的控制，又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床的輸入輸出信號(hào)的控制[9]。CNC實(shí)質(zhì)上是一種自動(dòng)控制的機(jī)器，可以通過(guò)控制面板來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)和機(jī)器的控制。將PLC技術(shù)用于數(shù)控加工，并利用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行控制，即可對(duì)各功能模塊進(jìn)行控制。該方法可以極大地減少信號(hào)的損失，從而使數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定、可靠。另外，利用PLC技術(shù)可以把對(duì)應(yīng)的指令轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言，并把機(jī)器語(yǔ)言傳送到CNC機(jī)床，保證其能根據(jù)指令準(zhǔn)確工作，從而達(dá)到精確有效控制的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的電氣控制是一種非常有效的方法[10]。在實(shí)際使用中，其控制技術(shù)靈活、效率高，能很好地適應(yīng)數(shù)控機(jī)床的監(jiān)控要求。若要進(jìn)行某些比較繁復(fù)的加工作業(yè)，則可以通過(guò)調(diào)整控制策略來(lái)提升其開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)的效率，既可以減少生產(chǎn)費(fèi)用，又可以改善其品質(zhì)。隨著PLC編程與程序設(shè)計(jì)的規(guī)范化、高級(jí)化，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，使得控制中心的控制系統(tǒng)更加靈活、可靠。PLC作為一種通用的現(xiàn)代CNC控制器，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)制造中獲得了廣泛的應(yīng)用，并取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。