0 前言

　　CNC數控系統的控制信號有兩類，一類是高速信號，主要用于各個聯動坐標軸的插補運動；另一類是低速信號，主要用于控制主軸電機的運轉、電磁閥的通斷等開關量。低速信號的控制對象主要是一些高電壓或大電流的強電設備，其控制采用可編程控制器具有可靠性高，柔性好等特點，而且隨著可編程控制器本身性能價格比不斷提高,在現CNC、FMS系統中的應用有不斷上升的趨勢。目前，可編程控制器在CNC 機床中的應用有3 種方式，其1是：可編程控制器和CNC機床數控裝置采用單CPU組成的計算機系統，此系統中具有兩指令處理系統，PLC 系統與CNC系統的通訊是通過軟件接口，這種方式多用于復雜的數控系統，如美國的A -B公司的7360CNC系統；其2是：CNC機床數控系統與可編程控制器采用通訊接口相聯接，一般采用標準的異步串行通訊接口RS-232C或RS422，可編程控制器直接用于過程量控制, 數控系統通過改變可編程控制器的設定值，實現對可編程控制器的直接控制；其3是：采用CNC數控系統擴展接口與通用可編程控制器輸入端相聯接。這是一種雙CPU運行方式。此種方式硬件簡單，數控系統對可編程控制器的控制能力較差，在簡易CNC機床和普通機床的數控改造中多采用這種方式。數控系統內裝型PLC從屬于CNC裝置，內裝型PLC實際上是CNC裝置帶有PLC功能，存在于CNC系統的內部。內裝型PLC的性能指標（如輸入/輸出點數、程序最大步數每步執行時間程序掃描時間、功能指令數目等）由所從屬的CNC系統的規格、性能、適用機床的類型等確定的。硬件和軟件部分作為CNC系統的基本功能或附加功能與CNC系統一起統一設計制造的。

1 可編程控制器基本結構分析

　　可編程控制器是面向工業現場的特殊計算機控制系統，從結構上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規則組合配置。

　　可編程控制器的結構多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為核心的結構，其功能的實現不僅基于硬件的作用，更要靠軟件的支持。

　　下面重點分析一下可編程控制器的CPU部分I/O接口部分。

　　1.1 微處理器CPU部分

　　CPU是PLC的核心，起神經中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態或數據，并存入規定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態總線構成，它主要完成以下功能：

　　1. 將輸入信號送入PLC中存儲起來；

　　2. 按存放的先后順序取出用戶指令，進行編譯；

　　3. 完成用戶指令規定的各種操作；

　　4. 將結果送到輸出端；

　　5. 響應各種外圍設備的要求；

　　小型PLC的CPU采用8位或16位微處理器或單片機，如8031、M68000等，這類芯片價格很低，中型PLC的CPU采用16位或32位微處理器或單片機，如8086、96系列單片機等，這類芯片主要特點是集成度高、運算速度快且可靠性高，而大型PLC 則需采用高速位片式微處理器。

　　1.2I/O 接口電路部分

　　輸入輸出接口(I/O) 是PLC與工業現場控制或檢測元件和執行元件連接的接口電路。PLC的輸入接口有直流輸入、交流輸入、交直流輸入等類型；輸出接口有晶體管輸出、晶閘管輸出和繼電器輸出等類型。晶體管和晶閘管輸出為無觸點輸出型電路，晶體管輸出型用于高頻小功率負載、晶閘管輸出型用于高頻大功率負載，繼電器輸出為有觸點輸出型電路，用于低頻負載。

　　現場控制或檢測元件輸入給PLC各種控制信號，如限位開關、操作按鈕、選擇開關以及其他一些傳感器輸出的開關量或模擬量等，通過輸入接口電路將這些信號轉換成CPU能夠接收和處理的信號。輸出接口電路將CPU送出的弱電控制信號轉換成現場需要的強電信號輸出，以驅動電磁閥、接觸器等被控設備的執行元件。

　　1．輸入接口電路

　　為了保證PLC能在惡劣的工業環境下可靠的工作，輸入接口電路一般采用了光電隔離、濾波等措施。輸入接口用于接收和采集兩種類型的輸入信號，一類是由按鈕、轉換開關、行程開關、繼電器觸頭等開關量輸入信號；另一類是由電位器、測速發電機和各種變換器提供的連續變化的模擬量輸入信號。R1 的作用是限流與分壓，R2與C構成濾波電路，濾波后的輸入信號經光耦合器T與內部電路耦合。當輸入端的按鈕SB接通時，光耦合器T導通，直流輸入信號被轉換成PLC能處理的5V標準信號電平（簡稱TTL），同時LED輸入指示燈亮，表示信號接通。微處理器輸入接口電路一般由寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路組成，這些電路集成在一個芯片上。交流輸入與交直流輸入接口電路與直流輸入接口電路類似。

　　濾波電路用以消除輸入觸頭的抖動，光電耦合電路可有效的避免輸入端引線可能引入的電磁場干擾和輻射干擾。由于輸入電信號與PLC內部電路之間采用光信號耦合，所以兩者在電氣上完全隔離，使輸入接口具有抗干擾能力?，F場的輸入信號通過光電耦合后轉換為5V的TTL送入輸入數據寄存器，再經數據總線傳送給CPU。

　　2．輸出接口電路

　　為了能夠適應各種各樣的負載的要求，每種系列的可編程控制器的輸出接口電路按輸出開關器件來分，有以下三種方式：

　　　1）繼電器輸出方式 由于繼電器的線圈與觸點在電路上是完全隔離的，所以它們可以分別接在不同性質和不同電壓等級的電路中。利用繼電器的這一性質，可以使可編程控制器的繼電器輸出電路中內部電子電路與可編程控制器驅動外部負載在電路上完全的隔開。由此可知繼電器輸出接口電路中不再需要隔離。實際中，繼電器輸出接口電路常采用固態電子繼電器電路用來消除觸點斷開時產生的電弧。繼電器輸出方式最常用，其優點時帶負載能力強，缺點是動作頻率與響應速度慢（響應時間10ms）。

　　2）輸出信號有內部電路中的輸出鎖存器給光電耦合器，經光電耦合器送給晶體管，晶體管的飽和導通狀態和截止狀態相當于觸點的接通和斷開。圖4中穩壓管能夠抑制關斷過電壓和外部浪涌電壓，起到保護晶體管的作用，由于晶體管輸出電流只能一個方向，所以晶體管輸出方式只是用于直流負載，其優點是動作頻率高，響應速度快（響應時間0.2ms），缺點帶負載能力小。

　　3）晶閘管通常采用雙向晶閘管，雙向晶閘管是一種交流大功率器件，受控于門極觸發信號，可編程控制器的內部電路通過光電隔離后去控制雙向晶閘管的門極，晶閘管在負載電流流過時不能導通，此時可以在負載兩端并聯一個電阻。圖5中RC電路用來抑制晶閘管的關斷過電壓和外部浪涌電壓。由于雙向晶閘管為關斷不可控器件，電壓過零時自行關斷，因此晶閘管輸出方式只是用于交流負載。其優點是響應速度快（關斷變為導通延遲時間小于1ms，導通變為關斷的延遲時間小于10ms），其缺點是帶負載能力不大。

　　2 可編程控制器的工作原理

　　可編程控制器工作時，它的CPU每一瞬間只能做一件事，也就是說一個CPU每一刻只能執行一個操作而不可能同時執行多個操作，CPU按分時操作方式來順序處理各項任務。PLC對許多需要處理的任務一次按規定順序進行訪問和處理的工作方式稱為掃描工作方式，PLC采用循環掃描工作方式，PLC通電后，有兩種基本的工作狀態，即運行（RUN）狀態與停止（STOP）狀態。在運行狀態，PLC的工作過程分為內部處理、通信服務、輸入處理、程序執行、和輸出處理5個階段，在停止狀態，PLC只運行內部處理和通信服務。在運行模式下，PLC 通過反復執行反映控制要求的用戶程序來實現控制功能，為了使PLC的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執行一次，而是不斷地重復執行，直至PLC停機或切換到STOP工作模式。

　　3 PLC的性能指標

　　可編程控制器的性能指標沒有統一的技術標準，不同型號的產品差異較大，且各具特色，故不能一一介紹，只能介紹一些基本的技術性能。

　　1．輸入/輸出點數（即I/O 點數）：即指PLC的外部輸入、輸出端子數，這些端子可通過螺釘或電纜端口與外部設備相連，它直接決定了PLC能控制的輸入和輸出量的多少，及控制系統規模的大小，這是最重要的一項技術指標。

　　2．掃描速度：PLC 工作時是按掃描周期進行循環掃描的，所以掃描周期的長短決定了PLC運行速度的快慢。因掃描周期的長短取決于多種因素，故一般以執行1000步指令所需要的時間來衡量PLC速度快慢的一項指標，稱為掃描速度，單位為ms/k。掃描速度有時也用執行一步指令所需的時間表示，單位為us/步。

　　3．程序容量：一般以PLC所能存放的用戶程序數量衡量。在PLC 中，程序指令是按步存放的（一條指令少則一步，多則幾十步），一步占用一個地址單元，一個地址單元占兩個字節。如日本三棱公司F1 系列PLC的程序容量為1000 步，可推知其程序容量為2K 字節，FX2N 系列PLC 的程序容量則為8000 步，16K字節。

　　4．指令條數：這是衡量PLC軟件功能強弱的主要指標，PLC具有的指令種類越多，說明其軟件功能越強。PLC指令一般分為基本指令和高級質量（或稱為功能指令）兩部分。

　　5．內部繼電器和寄存器：PLC內部有許多的繼電器和寄存器，用以存放狀態變量、中間結果、數據等。還有許多具有特殊功能的輔助繼電器和寄存器，如定時器、計數器、系統寄存器等。用戶通過使用它們，可簡化整個系統的設計，因此內部繼電器、寄存器的配置情況是衡量PLC硬件功能的一個指標。

　　6．高級功能模塊：PLC除了主控模塊外還可以配接各種高級功能模塊，主控模塊實現基本控制功能，高級功能模塊則可實現某一種特殊的功能，高級功能模塊的多少、功能的強弱是衡量PLC產品水平高低的重要標志。常用的高級功能模塊有A/D 模塊、D/A模塊、高速計數模塊、位置控制模塊、溫度控制模塊、遠程通信模塊、高級語言編輯等。

4 PLC在數控系統中的功能

　　數控系統中的PLC與CNC裝置構成主、從式多微處理器控制系統。PLC作為從機系統，接收CNC裝置中的計算機（主機）對數控加工M（輔助功能）、S（主軸功能）、T（刀具功能）功能指令譯碼后產生的內部指令，并依據這些內部指令對機床本體和輔助設備（冷卻裝備、潤滑裝備，自動排屑裝置等）進行控制。從信息傳遞角度考察，PLC處于數控裝置和機床本體及輔助設備之間，其信息交換就包括兩方面的內容。一方面是PLC與CNC裝置之間的信息交換，另一方面是機床本體及輔助設備與PLC之間的信息交換。CNC 裝置送給PLC 的信息主要有執行M、S、T功能的信息（譯碼后產生的內部命令）、手動/自動方式信息和各種使能信息等，PLC發送給CNC裝置的信息主要包括執行M、S、T功能的應答消息和各坐標軸對應的機床參考點信息等。PLC 向機床本體及輔助設備發送的信息主要是控制電氣執行元件（如電磁閥、接觸器、繼電器、以及各種狀態指示和故障報警等）的控制輸出信號；機床本體及輔助設備向PLC發送的信息主要是機床操作面板輸入信息和各種開關、按鈕的狀態信息等，主要有機床啟動停止、主軸正傳反轉停止、切削液開關、倍率選擇、各種坐標軸電動以及刀架卡盤夾緊松開等信息還有各種部件的限位開關、主軸狀態監視信號和伺服系統運行準備信號等。

　　總之PLC 在數控機床中的控制功能可分為一下幾種：

　　1．操作面板的控制：操作面板分為系統操作面板和機床操作面板。系統操作面板的控制信號先是進入NC，然后由NC送到PLC，控制數控機床的運行。機床操作面板控制信號，直接進入PLC，控制機床的運行。

　　2．機床外部開關輸入信號：將機床側的開關信號輸入到送入PLC，進行邏輯運算。這些開關信號，包括很多檢測元件信號(如：行程開關、接近開關、模式選擇開關等)。

　　3．輸出信號控制：PLC輸出信號經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．T功能實現：數控系統中的T功能為刀具功能，指令T代碼后跟隨25位數字表示刀具號和刀具補償號。系統送出T指令給PLC，經過譯碼，在數據表內檢索，找到T代碼指定的刀號，并與主軸刀號進行比較，如果不符，發出換刀指令，刀具換刀，換刀完成后，系統發出完成信號。

　　5．M功能實現：系統送出M指令給PLC，經過譯碼，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，系統發出完成信號。

　　6．S功能實現：數控系統中的S功能主要完成主軸轉速的功能，常用的S2位代碼形式和S4 位代碼形式編程。所謂S2位代碼編程，是指字母S后跟2位十進制數字指定主軸轉速，共設100級（S00S99）速度，按等比級數遞增，相鄰分度的后一級速度比前一級速度增加約12%。S4位代碼編程處理過程相對于S2位代碼形式要簡單一些，可以省去譯S代碼和數據裝換兩個環節。所謂S4 位代碼編程，是指字母S后跟5 位十進制數字直接指定主軸轉速，如S1500就直接表示主軸轉速為1500r/min。

　　盡管有數控基本命令（G、F、M、S、T）的國際標準和行業標準，但數控系統制造商幾乎沒有嚴格遵守這些標準。數控裝置傳送給PLC 的命令屬于數控系統的內部命令，各數控系統制造商之間更是千差萬別，需要進一步深入了解數控系統中PLC 中程序設計。

5 結論

　　(1) 本文介紹了可編程機床控制器體系結構，重點介紹微處理器CPU部分和I/O接口電路部分，并對上述部分詳細分析，完成相應電路設計。

　　(2) 概述了可編程控制器的工作原理及工作過程。

　　(3) 可編程控制器的基本性能指標，為其開發提供依據，根據機床需要的不同開發性能不同的PLC。

　　(4) 可編程控制器在CNC中的應用主要是完成機床的輔助功能控制。