数控机床电气控制6剖析.ppt

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1、第六章数控机床PLC控制本章要点本章要点可编程控制器的产生、定义、特点与发展可编程控制器的基本组成及各部分的作用可编程控制器的工作原理数控机床PLC的功能和类型S7-200系列可编程控制器的指令系统可编程控制器的程序设计数控机床PLC应用实例6.1 可编程控制器概述可编程控制器概述6.1.1可编程控制器的产生、特点和发展6.1.2可编程控制器的基本组成和工作原理6.1.3可编程控制的编程语言6.1.1可编程控制器的产生、特点和可编程控制器的产生、特点和发展发展1、可编程控制器的产生和定义可编程控制器（Programmable Logic Controller)简称PLC。自1969年第一台PL

2、C面世以来，已成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。与机器人、CAD/CAM并称为工业生产自动化的三大支柱。国际电工委员会（国际电工委员会（IEC）对）对PLC的定义的定义“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用可编程的存储器，存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的指令，并能通过数字或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩展其功能的原则设计。”2、可编程控制器的特点、可编程控制器的特点1）可靠性高，抗干扰能力强；2）结构简单，通用性强；3

3、）功能强，适应面广；4）编程语言简单，容易掌握；5）体积小、重量轻、功耗低。3、可编程控制器的发展、可编程控制器的发展发展的两个趋势：向体积更小、速度更快、高可靠性、功能更强、价格更低的小型PLC方向发展；向大容量、高可靠性、大型网络化、良好兼容性和多功能方向的大中型PLC方向发展。6.1.2可编程控制器的基本组成和工作可编程控制器的基本组成和工作原理原理1、PLC的组成及各部分的作用组成：中央处理单元（CPU）存储器输入/输出接口编程器电源 外部设备中央处理单元(CPU)：是PLC的核心，由运算器和控制器组成。在PLC中CPU按系统程序赋予的功能，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工

4、作等任务。存储器：有系统存储器和用户存储器两种，系统存储器存放系统管理程序。用户存储器存放用户编制的控制程序。输入输出接口（I/O）：用于PLC与工业生产现场之间的连接。I/O扩展接口：用于扩展输入、输出点数。PLC各部分的作用各部分的作用编程器：是PLC的重要设备，用于实现用户与PLC的人机对话。用户通过编程器不但可以实现用户程序的输入、检查、修改和测试，还可以监视PLC的工作运行。电源：把外部电源（220V的交流电源）转换成内部工作电压。外部设备：PLC还配有多种外部设备，如EPROM写入器，打印机，盒式磁带录音机，计算机等，其作用是帮助编程，实现监控以及网络通讯。PLC各部分的作用各部分

5、的作用2、可编程控制器的工作原理、可编程控制器的工作原理PLC采用周期循环扫描的工作方式，扫描过程包括：内部处理、通信处理、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停止（STOP）状态时，只完成内部处理和通信处理工作。当PLC处于运行（RUN）状态时，还要完成其它三个阶段。PLC的程序执行过程：的程序执行过程：1）输入采样阶段：PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入输入映像寄存器中。2）程序执行阶段：根据 PLC 梯形图程序扫描原则，PLC按先左后右，先上后下的顺序逐句扫描。处理结果存入元件映像寄存器中。3）输出刷新阶段：当所

6、有指令执行完毕，PLC就进入输出刷新阶段。输出映像寄存器的状态被送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。6.1.3可编程控制的编程语言可编程控制的编程语言梯形图(LAD)指令语句表(STL)功能图 1、梯形图编程语言、梯形图编程语言 梯形图是一种以图形符号及图形符号在图中相互关系表示控制关系的编程语言，它是在继电接触控制系统原理图的基础上演变而来的，简单直观。梯形图沿用了继电接触控制图中的继电器触点、线圈等符号，并增加了许多功能强而又使用灵活的指令符号。梯形图使用的是内部继电器，其接线是通过程序实现的“软连接”，只需改变用户程序，就可以改变控制功

7、能。梯形图的绘制规则梯形图的绘制规则：（1）梯形图采用自上而下、自左而右的顺序编写，PLC也是按这个顺序执行程序的。（2）梯形图左右两条垂直的线称为母线。母线之间各个触点根据一定逻辑关系进行连接，最后以继电器线圈输出结束。每一逻辑行必须从左母线开始，右母线可以省略不画。（3）梯形图中的触点有常开触点和常闭触点两种。这些触点可以是外部触点，也可以是内部继电器的状态，每一个触点都有一个标号，同一标号的触点可以反复使用。（4）PLC的输入继电器是接收外部的输入信号，由外部信号驱动，在梯形图中只能使用触点，不能出现其线圈。PLC输出继电器的线圈代表逻辑输出的结果，在使用中同一继电器的线圈一般只能出现一

8、次，否则仅最后一次操作有效。（5）梯形图中的触点可以任意串联或并联，一般并联触点多的画在最左端；而输出线圈只可以并联，不能串联。2、语句表编程语言、语句表编程语言语句表是CPU直接执行的语言。语句表的一条指令分为两个部分，一是助记符，用一个或几个容易记忆的字符来代表PLC的某种操作功能；另一部分是操作数，操作数由编程元件及地址组成，如I0.0。指令语句和梯形图有严格的对应关系，可以相互转换。6.2数控机床数控机床PLC6.2.1 数控机床PLC的功能6.2.2 数控机床PLC的类型6.2.1 数控机床数控机床PLC的功能的功能 PLC处于CNC侧和MT侧之间，对CNC侧和MT侧的输入、输出信号

9、进行处理。“CNC侧”包括CNC系统的硬件和软件以及与CNC系统连接的外围设备。“MT侧”（即机床侧）包括机床机械部分及其液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置，机床操作面板，继电器线路，机床强电线路等。MT侧顺序控制的最终对象的数量随数控机床的类型、结构、辅助装置等的不同而有很大的差别。机床结构越复杂，辅助装置越多，受控对象数量就越多。CNC装置和机床输入、输出信号的处理包括：（1）CNC到机床侧的PLC信号 CNC数据经PLC处理后通过接口送至机床侧。其信号有S、T、M等功能代码。（2）机床到CNC侧的PLC信号 从机床侧输入的开关量经PLC逻辑处理传送到CNC装置中。6.2.2 数控机床

10、数控机床PLC的类型的类型 数控机床PLC可分为两类：一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的内装型PLC;另一类是那些输入/输出接口技术规范、输入/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等均能满足数控机床控制要求的独立型PLC。内装型内装型PLC内装型PLC从属于CNC装置，PLC与CNC装置之间的信号传送在CNC装置内部即可实现。PLC与MT（机床侧）则通过CNC输入/输出电路实现信号传送。特点：(1)内装型PLC实际上是CNC装置带有的PLC功能。(2)内装型PLC系统适用于单机数控设备的应用场合。(3)内装型PLC可与CNC共用CPU，也可以单独使用一个CPU。(4)采用内装型PL

11、C结构，CNC系统具有某些高级控制功能。如梯形图编辑和传送功能等。内装型内装型PLC的的CNC系统系统独立型独立型PLC独立型PLC又称外装型或通用型PLC。独立型PLC独立于CNC装置，具有完备的硬件结构和软件功能，能够独立完成规定的控制任务。特点：（1）独立型PLC的基本功能结构与通用型PLC完全相同。（2）数控机床应用的独立型PLC，一般采用中型或大型PLC，I/O点数一般在200点以上，所以多采用积木式模块化结构，具有安装方便、功能易于扩展和变换等优点。（3）独立型PLC的输入/输出点数可以通过输入/输出模块的增减配置。独立型独立型PLC的的CNC系统系统 6.3 S7-200系列可编

12、程控制器系列可编程控制器及其指令系统及其指令系统6.3.1 S7-200系列PLC概述6.3.2 S7-200系列PLC数据类型及元件功能6.3.3 S7-200的基本指令系统及编程6.3.1 S7-200系列系列PLC概述概述西门子S7系列可编程控制器分为S7-400、S7-300、S7-200三个系列，分别为S7系列的大、中、小型可编程控制器系统。S7-200系列PLC属于小型整体式结构，结构小巧，运行速度快，可靠性高，具有极丰富的指令系统和扩展模块。S7-200系列可编程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列，其中CPU22X型可编程控制器提供了CPU221，CPU222，CPU22

13、4和CPU226四种基本型号。CPU221集成6输入/4输出，I/O点共10点，无扩展能力，6KB程序和数据存储容量，有一定的高速计数处理能力，适合于少点数的控制系统。CPU222集成8输入/6输出，I/O点共14点，有2个模块的扩展，6KB程序和数据存储容量，可进行一定模拟量的控制。是S7-200系列中低成本的单元。CPU224集成14输入/10输出，I/O点共24点，有7个模块的扩展，13KB程序和数据存储容量，具有更强的模拟量和高速计数的处理能力。是使用最多的S7-200产品。CPU226集成24输入/16输出，I/O点共40点，有7个模块的扩展，13KB程序和数据存储容量，和CPU22

14、4相比，增加了通信口的数量，通信能力大大增强。是功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。CPU226XM是后来推出的一种增强型主机，除有26 KB程序和数据存储容量外，其它与CPU226相同。6.3.2 S7-200系列系列PLC数据类型及元数据类型及元件功能件功能1、S7-200的基本数据类型在S7-200的编程语言中，大多数指令要同具有一定大小的数据对象一起进行操作。程序中所用的数据可指定一种数据类型。在指定数据类型时，要确定数据大小和数据位结构。S7-200系列PLC的数据类型可以是字符串、布尔型（0或1）、整数型和实数型（浮点数）。2、编程元件、编程元件可编程控制器在其

15、系统软件的管理下，将用户程序存储器划出若干个区，并将这些区赋予不同的功能，由此组成了各种内部器件，这些内部器件就是PLC的编程元件。每一种编程元件用一组字母表示器件类型。S7-200中的主要编程元件中的主要编程元件（1）输入继电器I（2）输出继电器Q（3）变量寄存器V（4）辅助继电器M（5）特殊继电器SM（6）累加器AC（7）局部变量存储器L（8）定时器T（9）计数器C（10）高速计数器HC（11）顺序控制存储器S（12）模拟量输入/输出映像寄存器AI/AQ 6.3.3 S7-200的基本指令系统及编程的基本指令系统及编程 1、位操作指令 PLC的位操作指令主要实现逻辑控制和顺序控制。（1）基

16、本逻辑指令装载指令 LD/LDN、线圈驱动指令 触点串联指令 A/AN触点并联指令 O/ON置位/复位指令 S/R 边沿触发指令 EU/ED逻辑结果取反指令NOT 装载指令装载指令LD，LDN与线圈驱动指令与线圈驱动指令=指令：LD（Load）：将常开触点接在母线上。LDN（Load Not）：将常闭触点接在母线上。=（Out）：线圈输出。用法：触点串联指令触点串联指令A，AN 指令：A（And）：串联常开触点。AN（And Not）：串联常闭触点。用法：触点并联指令触点并联指令O，ON指令：O（Or）：并联常开触点。ON（Or Not）：并联常闭触点。用法：置位置位/复位指令复位指令S（Se

17、t）/R（Reset）指令：用法：边沿触发指令边沿触发指令EU（Edge Up）和）和ED（Edge Down）指令：用法：逻辑结果取反指令逻辑结果取反指令NOT指令NOT：用于将NOT指令左端的逻辑运算结果取非。用法：（2）堆栈操作指令）堆栈操作指令触点块串联指令ALD触点块并联指令OLD（Or Load）逻辑入栈指令LPS及逻辑出栈指令LPP逻辑读栈指令LRD（Logic Read）装载堆栈指令LDS（Load Stack）触点块串联指令触点块串联指令ALD指令：ALD（And Load）：用于触点块的串联连接。触点块：由2个以上的触点构成的支路。用法：触点块并联指令触点块并联指令OLD（

18、Or Load）指令：OLD（Or Load）：用于触点块的并联连接。用法：逻辑入栈指令逻辑入栈指令LPS及逻辑出栈指令及逻辑出栈指令LPP指令：LPS（Logic Push）：执行LPS指令时，对逻辑堆栈中的栈顶值进行复制后由栈顶压入堆栈，栈底值自动丢失。LPP（Logic Pop）：执行LPP指令时，将逻辑堆栈弹出1级，原第2级的值变为新的栈顶值，堆栈内容依次上移，栈底生成随机值X。逻辑读栈指令逻辑读栈指令LRDLRD（Logic Read）：读取最近LPS压入堆栈的内容，逻辑堆栈中的其他值不变。装载堆栈指令装载堆栈指令LDSLDS（Load Stack）：复制堆栈中的第n个值到栈顶，执行

19、完LDS指令后，栈底值自动丢失。指令格式：LDSn(n为08的整数)LPS、LPP、LRD用法：（3）定时器指令）定时器指令 n种类：接通延时定时器TON，保持型接通延时定时器TONR和断电延时定时器TOF。n定时精度分为3个等级：1ms、10ms和100ms。n定时器的定时时间为T=PT（定时器的设定值）S（定时器的精度）。n定时器数量共256个，编号从T0T255。其中TONR为64个，其余192个可定义为TON或TOF，但是不能把一个定时器同时用作TOF和TON。指令格式：指令：TON（On-Delay Timer）：用于单一间隔的定时。用法：接通延时定时器接通延时定时器TON保持型接通

20、延时定时器指令保持型接通延时定时器指令TONR 指令：TONR（Retentive On-Delay Timer）用于累计时间间隔的定时。用法：断开延时定时器指令断开延时定时器指令TOF指令:TOF（OFF-Delay Timer）：用于断电后单一间隔时间的计时.用法：（4）计数器指令）计数器指令计数器用来累计输入脉冲的数量。S7-200的普通计数器有3种类型：递增计数器CTU、递减计数器CTD和增减计数器CTUD。计数器共计256个，编号为C0C255。不能重复使用同一个计数器的编号。最大计数值为32767。指令格式：递增计数器指令递增计数器指令CTU指令：CTU（Counter Up）：）

21、：当CU为ON时，在每个输入脉冲的上升沿，计数器计数1次，当前值寄存器加1。用法：递减计数器指令递减计数器指令CTD指令：CTD（Counter Down）：当CD为ON时，在每个输入脉冲的上升沿，计数器计数1次，当前值寄存器减1。用法：增减计数器指令增减计数器指令CTUD指令：CTUD（Counter Up Down）：CTUD有2个脉冲输入端CU和CD，在CU的每个输入脉冲的上升沿，当前值寄存器加1；在CD的每个输入脉冲的上升沿，当前值寄存器减1。用法：（5）比较指令）比较指令比较指令是将两个操作数按指定的条件比较，比较条件成立时，触点就闭合，否则断开。比较指令为上、下限控制以及为数值条件

22、判断提供了极大的方便。比较运算符有：等于（=）、大于等于（=）、小于等于（）、小于（）、不等于（）。比较指令可以与基本逻辑指令LD、A和O进行组合后编程。比较的类型有：字节比较、整数比较、双字整数比较、实数比较。指令格式：用法：改变SMB28字节数值，当SMB28数值小于或等于50时，Q0.0输出；当SMB28数值大于或等于150时，Q0.1输出。2、运算指令、运算指令 运算指令包括算术运算指令和逻辑运算指令。算术运算包括加法、减法、乘法、除法及一些常用的数学函数；在算术运算中，数据类型为整型INT、双整型DINT和实数REAL。逻辑运算包括逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑异或，以及数据比较，数据

23、类型为字节型BYTE、字型WORD和双字型DWORD。（1）加）加/减法指令减法指令 指令格式：整数加整数加ADD-I/减法减法SUB-I指令指令指令：ADD-I/SUB-I：当允许输入有效时，将两个16位符号整数相加或相减，并产生一个16位的结果输出到OUT。用法：双整数加双整数加ADD-D/减法减法SUB-D指令指令指令：ADD-D/SUB-D：当允许输入有效时，将两个32位符号整数相加或相减，并产生一个32位结果输出到OUT。用法：IN2与OUT是同一个存储单元，指令的执行结果是：IN1+OUT=OUT，指令格式为：+D IN1，OUT。实数加实数加ADD-R/减法减法SUB-R指令指令

24、指令：ADD-R/SUB-R：当允许输入有效时，将两个32位实数相加或相减，并产生一个32位实数结果输出到OUT。用法：IN2与OUT是同一个存储单元，指令的执行结果是：IN1+OUT=OUT，指令格式为：+R IN1，OUT。（2）乘法）乘法/除法指令除法指令指令格式：（3）数学函数指令）数学函数指令数学函数变换指令包括平方根、自然对数、指数、三角函数等。指令格式：（4）增减指令）增减指令增减指令是对无符号或有符号整数自动加1或自动减1的指令。指令格式：（5）逻辑运算指令）逻辑运算指令逻辑运算指令是对逻辑数（无符号数）进行处理，包括逻辑与、逻辑或、逻辑异或、取反等逻辑操作，数据长度可以是字节

25、、字、双字。指令格式：3、数据处理指令、数据处理指令 数据处理指令包括：数据传送指令移位指令交换指令填充指令（1）传送类指令）传送类指令传送类指令用于在各个编程元件之间进行数据传送。根据每次传送数据的数量，可分为单个传送指令和块传送指令。单个传送指令MOVn用来传送单个的字节（MOVB）、字（MOVW）、双字（MOVD）、实数（MOVR）。n指令格式：用法：将变量存储器VW10中内容送到VW100中。数据块传送指令数据块传送指令BLKMOV用来传送N个数据的成组传送。指令类型有字节（BLKMOVB）、字（BLKMOVW）和双字（BLKMOVD）三种。指令格式：立即字节传送指令立即字节传送指令立

26、即字节传送指令用于输入和输出的立即处理。分立即读字节传送指令BIR和立即写字节传送指令BIW两种。指令格式：（2）移位指令）移位指令根据移位的数据长度可分为字节型移位字型移位双字型移位根据移位的方向可分为左移和右移循环移位。左移左移SHL和右移和右移SHR指令指令左移或右移指令：当允许输入EN有效时，输入数据IN左移或右移N位后，把结果送到OUT。在移位时，存放被移位数据的编程元件的移出端与特殊继电器SM1.1（溢出）连接，最后一次溢出位被放到特殊存储器SM1.1（溢出）中，另一端自动补0。指令格式：循环左移循环左移ROL和循环右移和循环右移ROR指令指令循环移位将移位数据存储单元的首尾相连，

27、同时又与溢出端SM1.1连接，SM1.1用来存放被移出的位。最后被移出的位被移到另一端的同时，也被放到SM1.1位中。指令格式：（3）字节交换指令）字节交换指令SWAP字节交换指令SWAP，用于对一个字长的字型数据进行处理，指令功能是将字型输入数据IN的高位字节与低位字节进行交换，因此又可称为半字交换指令。指令格式：（4）填充指令）填充指令FILL填充指令FILL：用输入数据IN填充从输出OUT开始的N个连续的存储单元中。指令格式：6.4 数控机床数控机床PLC系统设计及调试系统设计及调试PLC系统的设计内容及步骤数控机床PLC系统的调试6.4.1 PLC系统的设计内容及步骤系统的设计内容及步

28、骤 1、PLC系统设计的基本原则 在可编程序控制器控制系统的设计中，应遵循以下基本原则：（1）充分发挥PLC的控制功能，最大限度地满足生产机械或生产流程对电气控制的要求。（2）保证系统安全可靠。PLC系统安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。（3）在满足控制要求的前提下，力求PLC控制系统简单、经济、操作和维修方便，而且应使系统能尽量降低使用者长期运行的成本。2、PLC系统设计步骤系统设计步骤 PLC控制系统设计可以按如下步骤:（1）熟悉被控对象，制定控制方案（2）确定I/O点数（3）选择PLC（4）分配PLC的I/O地址（5）程序设计（6）系统调试（7）编制技术文件6.4.1数控机

29、床数控机床PLC系统的调试系统的调试1、西门子840D系统的组成 SINUMERIK840D是由数控及驱动单元（CCU或NCU）、MMC和PLC模块三部分组成。2、数控系统的调试（1）NC和PLC总清（2）开机与起动6.5 数控机床数控机床PLC控制应用实例控制应用实例6.5.1 润滑系统的PLC6.5.2 自动换刀系统 6.5.1 润滑系统的润滑系统的PLCI口:I0.5：润滑油路压力正常；I0.7：运转起动；I1.5：润滑电动机过载；I1.6：润滑油不足。O口:Q0.0：故障报警；Q1.6：润滑电动机起动。1、润滑系统、润滑系统I/O口口2、润滑系统自动控制、润滑系统自动控制数控机床润滑系

30、统的电气控制原理图数控机床润滑系统的电气控制原理图 PLC控制梯形图控制梯形图（1）润滑系统工作原理（2）润滑系统出现故障时的监控润滑油路出现泄漏或压力开关失灵;润滑油路出现堵塞或压力开关失灵;润滑油不足;润滑电动机M过载;6.5.2 自动换刀系统自动换刀系统I口:I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5：刀位检测信号；I0.6：锁紧到位检测信号；I2.1：机床面板上的手动换刀键；I2.2：零件中的T指令正转信号；I2.3：零件中的T指令反转信号。O口:Q0.4：刀架正转；Q0.5：刀架反转；Q0.6：换刀故障指示灯。1、润滑系统、润滑系统I/O口口 2、自动换刀系统自动控制自动换刀系统自动控制数控机床自动换刀的电气控制原理图 PLC控制梯形图