PLC介紹

PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)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(lái)完成對(duì)操作面板、機(jī)床外部開關(guān)輸入信號(hào)、輸出信號(hào)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(chǔ)器組成。在PLC控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當(dāng)于人的大腦，他不斷采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存續(xù)乎其用來(lái)儲(chǔ)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(jiǎn)稱I/O模塊，他們相當(dāng)于系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和CPU模塊的橋梁。

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

開關(guān)量輸出模塊用來(lái)控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來(lái)控制調(diào)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(hào)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(lái)隔離PLC內(nèi)部電路和外部I/O電路，I/O模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)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(shè)備。編程器將用戶所希望的功能通過(guò)編程語(yǔ)言送到PLC的用戶程序存儲(chǔ)器中。編程器不僅能對(duì)程序進(jìn)行寫入、讀出、修改，還能對(duì)PLC的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)也是用戶與PLC之間進(jìn)行人機(jī)對(duì)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(jià)格便宜，一般用來(lái)給小型PLC編程，或者用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)。

使用編程軟件可以在計(jì)算機(jī)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(yǔ)言的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供DC5V，正負(fù)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(guān)）提供24V直流電源，驅(qū)動(dòng)PLC負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。

PLC在數(shù)控機(jī)床中的發(fā)展方向

1、國(guó)內(nèi)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(gè)品種。全球PLC發(fā)運(yùn)件數(shù)1998年為1456萬(wàn)件，1999年為1620萬(wàn)件，2000年達(dá)到1778萬(wàn)件。在1995年發(fā)運(yùn)的PLC中，按最終用戶分：汽車占23％，糧食加工占16.4%，化學(xué)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(dòng)化裝置及過(guò)程控制系統(tǒng)最大市場(chǎng)份額的產(chǎn)品。2000年P(guān)LC的銷售額在控制市場(chǎng)份額中超過(guò)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(guó)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(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，而且還有出口。國(guó)內(nèi)PLC形成產(chǎn)品化的生產(chǎn)企業(yè)約30多家，但是國(guó)內(nèi)產(chǎn)品市場(chǎng)占有率不超過(guò)10％，另一方面，國(guó)產(chǎn)PLC許多仍停留在全套引進(jìn)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(gè)水平上是絕對(duì)不可取的。當(dāng)然，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在價(jià)格上占有明顯的優(yōu)勢(shì)?？傮w來(lái)說(shuō)，國(guó)產(chǎn)PLC的發(fā)展有一定的基礎(chǔ)。但從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上看，我國(guó)自主研制及引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的PLC大都屬于中低檔產(chǎn)品，至今沒(méi)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(shì)

自60年代未引入PLC技術(shù)以來(lái)，PLC由最初的只能處理丌關(guān)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(shù)相結(jié)合，利用其不同的性能和特點(diǎn)，相互滲透和融合、集成以及網(wǎng)絡(luò)化，構(gòu)成各種新型的自動(dòng)控制系統(tǒng)，以滿足各種自動(dòng)控制的要求?？傮w來(lái)講，PLC的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）微型、小型PLC功能明顯增強(qiáng)

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(gè)24VDC輸入，6個(gè)繼電器輸出），其尺寸僅為58mmx89mm，僅大于信用卡幾個(gè)毫米，而功能卻有所增強(qiáng)，使PLC的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大到遠(yuǎn)離工業(yè)控制的其它行業(yè)，如快餐廳、醫(yī)院手術(shù)室、旋轉(zhuǎn)門和車輛等，甚至引入家庭住宅、娛樂(lè)場(chǎng)所和商業(yè)部門。

（2）向開放型轉(zhuǎn)變，編程語(yǔ)言多樣化

傳統(tǒng)PLC存在嚴(yán)重的缺點(diǎn)，主要是PLC的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)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(luò)及協(xié)議，編程雖多為梯形圖，但各公司的組態(tài)、尋址、語(yǔ)文結(jié)構(gòu)不一致，使各種PLC互不兼容。國(guó)際電工協(xié)會(huì)（IEC）在1993年頒布了《可編程序控制器的編程軟件標(biāo)準(zhǔn)》，為各PLC廠家編程的標(biāo)準(zhǔn)化鋪平了道路。我國(guó)也在1995按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制定了可編程控制器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。《可編程序控制器的編程軟件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了5種編程語(yǔ)言（我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)文本（ST）和指令表（IL德、曰）。為適合不同應(yīng)用場(chǎng)合和不同國(guó)家應(yīng)用習(xí)慣的要求，允許在同一個(gè)PLC程序中使用多種編程語(yǔ)言。

（3）向集成化、通訊化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展

由于控制內(nèi)容的復(fù)雜化和高難度化，使PLC向集成化方向發(fā)展，并強(qiáng)化了通訊能力和網(wǎng)絡(luò)化。網(wǎng)絡(luò)化和強(qiáng)化通信能力是PLC的重要發(fā)展方向。尤其是以PC為基礎(chǔ)的控制產(chǎn)品增長(zhǎng)率最快。PLC與PC集成，即將計(jì)算機(jī)、PLC及操作人員的人一機(jī)接口結(jié)合在一起，使PLC能利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，而計(jì)算機(jī)能和PLC的模塊交互存取數(shù)據(jù)。以PC機(jī)為基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)，用戶可以根據(jù)需要選擇各類、各廠家的PLC或I/O設(shè)備進(jìn)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(jìn)展——軟PLC

計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了自動(dòng)控制技術(shù)又耿得了一系列新的進(jìn)展。目前有許多工業(yè)用自動(dòng)控制產(chǎn)品、機(jī)電一體化產(chǎn)品開始轉(zhuǎn)向以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)的控制方式。德國(guó)工業(yè)界最新推出了以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)的SOFTPLC，可以說(shuō)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(shí)際利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的功能。SOFTPLC最大的優(yōu)勢(shì)是具備柔性擴(kuò)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(shí)與硬件的連接也十分方便。有很多的I／O卡可以直接內(nèi)連接到SOFTPLC計(jì)算機(jī)總線上。從而在軟、硬件兩方面可以達(dá)到工控機(jī)和PLC性能的完美結(jié)合，方便了性能擴(kuò)展和人機(jī)交流，是PLC未來(lái)的一大發(fā)展趨勢(shì)。

PLC在數(shù)控機(jī)床中的作用

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

相對(duì)于PLC，機(jī)床和CNC就是外部，PLC與機(jī)床以及CNC之間的信息交換，對(duì)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(gè)部分：

（1）機(jī)床側(cè)至PLC：機(jī)床側(cè)的開關(guān)量信號(hào)通過(guò)I/O單元接口輸入到PLC中，除極少數(shù)信號(hào)外，絕大多數(shù)信號(hào)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(jī)床生產(chǎn)廠家可以方便的根據(jù)機(jī)床的功能和配置，對(duì)PLC程序和地址分配進(jìn)行修改。

（2）PLC至機(jī)床：PLC的控制信號(hào)通過(guò)PLC的輸出接口送到機(jī)床側(cè)，所有輸出信號(hào)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(hào)含義和地址（開關(guān)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(guò)CNC譯碼后直接送入PLC相應(yīng)的寄存器中。

（4）PLC至CNC：PLC送至CNC的信息也由開關(guān)量信號(hào)或寄存器完成，所有PLC送至CNC的信號(hào)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(jī)床中的某些控制功能

（1）對(duì)操作面板的控制。操作面板分為系統(tǒng)操作面板和機(jī)床操作面板。系統(tǒng)操作面板的控制信號(hào)先是進(jìn)入CNC，再由CNC送到PLC，來(lái)控制數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行。而機(jī)床操作面板控制信號(hào)，是直接進(jìn)入PLC，從而控制機(jī)床的運(yùn)行。（2）控制機(jī)床外部開關(guān)輸入信號(hào)。機(jī)床側(cè)的開關(guān)信號(hào)輸入到PLC，進(jìn)行邏輯運(yùn)算。這些開關(guān)信號(hào)，包括很多檢測(cè)元件信號(hào)。

（3）對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行控制：PLC輸出信號(hào)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(duì)象。

（4）功能實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)給出T指令到PLC，經(jīng)過(guò)譯碼，會(huì)在數(shù)據(jù)表內(nèi)檢索，找到T代碼指定的刀號(hào)，并與主軸刀號(hào)來(lái)比較。如果不符合，會(huì)發(fā)出換刀指令，刀具換刀，換刀完成后，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出完成信號(hào)。

（5）M功能實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)給出M指令到PLC，經(jīng)過(guò)譯碼，輸出控制信號(hào)，控制主軸正反轉(zhuǎn)和啟動(dòng)停止等等。M指令完成，系統(tǒng)發(fā)出完成信號(hào)。

PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床中所應(yīng)用PLC可分為兩類：一類是專為實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床順序控制而設(shè)計(jì)制造的內(nèi)裝型PLC；另一類是I/O信號(hào)接口技術(shù)規(guī)范、I/O點(diǎn)數(shù)、程序存儲(chǔ)容量以及運(yùn)算和控制功能等均能滿足數(shù)控機(jī)床控制要求的獨(dú)立型PLC。

1、內(nèi)裝型PLC

內(nèi)裝型PLC（或稱內(nèi)含型PLC、集成式PLC）從屬于CNC裝置，PLC與NC間的信號(hào)傳送在CNC裝置內(nèi)部即可實(shí)現(xiàn)。PLC與機(jī)床（簡(jiǎn)稱MT）之間則通過(guò)CNCI/O接口電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳送。如圖2-1所示為具有內(nèi)裝型PLC的CNC機(jī)床系統(tǒng)框圖。

內(nèi)裝型PLC有如下特點(diǎn)：

（1）內(nèi)裝型PLC實(shí)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(nèi)裝型PLC的性能指標(biāo)（如：I/O點(diǎn)數(shù)，程序最大步數(shù)，每步執(zhí)行時(shí)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(jī)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(shè)計(jì)、制造的。因此，系統(tǒng)硬件和軟件整體結(jié)構(gòu)十分緊湊，且PLC所具有的功能針對(duì)性強(qiáng)，技術(shù)指標(biāo)亦較合理、實(shí)用，尤其適用于單機(jī)數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合。

（3）在系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)上，內(nèi)裝型PLC可與CNC系統(tǒng)共用CPU，也可以單獨(dú)使用一個(gè)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(dú)制成一塊附加板，當(dāng)CNC裝置需要附加PLC功能時(shí)，再將此附加板插裝到CNC裝置上，內(nèi)裝PLC一般不單獨(dú)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(nèi)裝型PLC結(jié)構(gòu)，CNC系統(tǒng)可以具有某些高級(jí)的控制功能。如：梯形圖編輯和傳送功能，在CNC系統(tǒng)內(nèi)部直接處理NC窗口的大量信息等。國(guó)內(nèi)常見(jiàn)外國(guó)公司生產(chǎn)的帶有內(nèi)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(dú)立型PLC

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

獨(dú)立型PLC有如下特點(diǎn)：

（1）獨(dú)立型PLC具有如下基本的功能結(jié)構(gòu)：CPU及其控制電路、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶程序存儲(chǔ)器、I/O接口電路、與編程機(jī)等外部設(shè)備通信的接口和電源等。

（2）獨(dú)立型PLC一般采用積木式模塊化結(jié)構(gòu)或籠式插板式結(jié)構(gòu)，各功能電路多做成獨(dú)立的模塊或印制電路板，具有安裝方便，功能易于擴(kuò)展和變更等優(yōu)點(diǎn)。例如，可采用通信模塊與外部I/O設(shè)備、編程設(shè)備、上位機(jī)、下位機(jī)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；采用D/A模塊可以對(duì)外部伺服裝置直接進(jìn)行控制；采用計(jì)數(shù)模塊可以對(duì)加工工件數(shù)量、刀具使用次數(shù)、回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)分度數(shù)等進(jìn)行檢測(cè)和控制，采用定位模塊可以直接對(duì)諸如刀庫(kù)、轉(zhuǎn)臺(tái)、直線運(yùn)動(dòng)軸等機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件或裝置進(jìn)行控制。

（3）獨(dú)立型PLC的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)可以通過(guò)I/O模塊或插板的增減靈活配置。有的獨(dú)立型PLC還可通過(guò)多個(gè)遠(yuǎn)程終端連接器構(gòu)成有大量輸入/輸出點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)大范圍的集中控制。

在獨(dú)立型PLC中，那些專為用于FMS、FA而開發(fā)的獨(dú)立型PLC具有強(qiáng)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(dòng)化生產(chǎn)制造系統(tǒng)重要的控制裝置。獨(dú)立型PLC也用于單機(jī)控制。國(guó)外有些數(shù)控機(jī)床制造廠家，或是為了展示自己長(zhǎng)期形成的技術(shù)特色，或是為了對(duì)某些技術(shù)絕竅進(jìn)行保密，或純粹是因管理上的需要，在購(gòu)進(jìn)的CNC系統(tǒng)中，舍棄了PLC功能，而采用外購(gòu)或自行開發(fā)的獨(dú)立型PLC作控制器，這種情況在從日本、歐美引進(jìn)的數(shù)控機(jī)床中屢見(jiàn)不鮮。

國(guó)內(nèi)已引進(jìn)應(yīng)用的獨(dú)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。