PLC在组合机床控制中的应用
一、可编程控制器的定义
可编程逻辑控制器(PLC)是基于计算机技术的新型工业控制设备。在1987年国际电气委员会发布的PLC标准草案中，PLC是这样定义的:“PLC是专门为工业环境中的数字操作而设计的电子装置。它使用可编程存储器来存储用于执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算的指令，并且可以通过数字或模拟输入和输出来控制各种类型的机器或生产过程。PLC及其相关外围设备应按照易于与工业控制系统集成和易于功能扩展的原则进行设计。”
二、PLC的特点
1可靠性高，抗干扰能力强。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。由于PLC采用现代大规模集成电路技术和严格的生产工艺，其内部电路采用先进的抗干扰技术，可靠性高。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。部分采用冗余CPU的PLC平均无故障工作时间更长。至于PLC的外部电路，与同规模的继电器接触器系统相比，电气接线和开关触点减少到数百个甚至数千个，故障大大减少。此外，PLC具有硬件故障自检功能，当出现故障时能及时发出报警信息。在应用软件中，用户还可以编写外围设备的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路和设备也能获得故障自诊断保护。这样整个系统可靠性高也就不足为奇了。
2成套，功能完善，适用性强。
今天，PLC已经发展成为大、中、小规模的系列产品。可用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能，大多数现代PLC还具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来，PLC的功能单元大量涌现，使得PLC渗透到位置控制、温度控制、数控等各种工业控制中。再加上PLC通讯能力的增强和人机界面技术的发展，用PLC组成各种控制系统是非常容易的。
易学易用，受到工程技术人员的欢迎。
PLC作为通用工业控制计算机，是工矿企业的工业控制设备。其界面简单，编程语言容易被工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号和表达方式与继电器电路图相当接近，只需少量PLC的开关逻辑控制指令就能方便地实现继电器电路的功能。它为不熟悉电子电路、计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了大门。
4.系统的设计和建设工作量小，易于维护和改造。
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备的外部接线，缩短了控制系统的设计和建设周期，维护更容易。更重要的是，同样的设备通过改变程序来改变生产过程是可能的。这非常适合多品种小批量生产的场合。
体积小、重量轻、能耗低
以超小型PLC为例，新生产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗只有几瓦。由于体积小，易于安装在机械中，是实现机电一体化的理想控制装置。
3.在组合机床的自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台。
目前，PLC已广泛应用于国内外钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、纺织、交通、环保、文化娱乐等行业，其用法大致可归纳为以下几类。
1开关量的逻辑控制
这是PLC最基本也是最广泛的应用领域。它代替传统的继电器电路实现逻辑控制和顺序控制。可用于单机控制、多机群控和自动化生产线。如注塑机、印刷机、订书机、组合机床、磨床、包装生产线、电镀生产线等。
2模拟控制
在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位、速度等，都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，需要实现模拟量和数字量之间的A/D转换和D/A转换。PLC厂商都生产匹配的A/D和D/A转换模块，这样就可以用可编程控制器进行模拟控制。
3运动控制
PLC可用于控制圆周运动或直线运动。从控制机构的配置来看，早期是用I/O模块直接连接位置传感器和执行器，现在一般是用专用的运动控制模块。例如可以驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界各大PLC厂商的产品几乎都具有运动控制功能，广泛应用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4过程控制
过程控制是指温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。PLC作为工业控制计算机，可以编制各种控制算法，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中广泛使用的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前很多小型PLC也有这个功能模块。一般PID处理是运行一个特殊的PID子程序。过程控制广泛应用于冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。
5数据处理
现代PLC具有数学运算(包括矩阵运算、函数运算和逻辑运算)、数据传输、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值进行比较，以完成某些控制操作，也可以通过使用通信功能传输到其他智能设备，或者打印并制成表格。数据处理一般用于大型控制系统，如无人驾驶柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品等行业的一些大型控制系统。
6通信和网络
PLC通信包括PLC之间的通信和PLC与其他智能设备之间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展迅速，各PLC厂商都非常重视PLC的通信功能，纷纷推出自己的网络系统。新生产的PLC都有通讯接口，通讯非常方便。
7 PLC控制的数控滑台结构
组合机床自动线中的数控滑台一般采用步进电机驱动的开环伺服机构。PLC控制的数控滑台由可编程控制器、环形脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构组成。
伺服驱动机构中的齿轮Z1和Z2应消除侧隙，以避免产生反向死区或降低加工精度。丝杠传动副应根据机组的加工精度要求确定是否选择滚珠丝杠副。使用滚珠丝杠副具有传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长等优点，但价格昂贵且不能自锁。
8控制系统的软件结构
软件结构根据控制要求进行设计，主要分为五个模块:步进电机控制模块、定位控制模块、数据拨码输入与数据传输模块、数字输出显示模块、元件故障自动检测与报警模块。
由于整个软件结构庞大，脉冲控制器产生0.1秒的控制脉冲，对移位寄存器进行移位，提供六拍时序脉冲。三个输出继电器Y430、Y431、Y432通过三相六拍环形分配器按单、双、六拍上电方式控制步进电机。为了实现定位控制，采用不同的计数器分别控制粗定位行程和精定位行程，计数器的设定值取决于行程。比如一个刀具或工作台要从A点移动到C点，已知AC = 200 mm，AC分为AB和BC，AB = 196 mm，BC = 4 mm，AB为粗定位行程，以0.1mm/ step的脉冲当量快速移动，使用6位计数器(C660/C6665438)用0.01mm/ step的脉冲当量进行精确定位在粗定位和精定位的同时，PLC自动接通电磁离合器的输出点Y433，实现传动机构的更换。
9 PLC控制系统的接地方法
(1)由于各种原因(如腐蚀、绝缘损坏等。)，PLC柜、操作台、配电柜等电气设备的金属外壳和控制设备正常不带电的金属部分可能带有危险电压，应进行保护接地。电源在36V以下的设备，除非有特殊要求，不需要接地保护。
(2)2)PLC控制系统中的参考电位是每个回路的参考电位。参考电位的连接线称为系统地，通常是控制回路DC电源的零伏导线。系统接地方式包括浮地、直接接地和电容接地。
(3)为防止静电感应和磁场感应，屏蔽接地端子应接地。其中信号回路接地和屏蔽接地又称为工作接地。
上述接地方式的控制原理一般是保护地和工作地不能混用，因为每段电源的保护地线两点之间会有几毫伏甚至几伏的电位差，这对低电平信号电路是非常严重的干扰。屏蔽接地:当信号电路单点接地时，低频电缆的屏蔽层也应单点接地。如果电缆的屏蔽层接地点不止一个，就会产生噪声电流，形成噪声干扰源。
本系统中使用的接地电阻需要在规定的范围内。对于由PLC组成的控制系统，一般应小于4ω，并应具有足够的机械强度，且需要事先进行防腐处理。由PLC组成的控制系统可以配置单独的接地系统，也可以根据现场条件采用“等电位联结”设计。
10 PLC控制梯形图:
梯形图是将PLC指令的梯形图符号通过导线连接在一起，表达所使用的PLC指令及其顺序的连通图，与电气原理图非常相似。连接有两种:一种是总线，一种是内部的横纵线。内部的水平线和垂直线将梯形图符号指令连接成一个指令组，该指令组通常以load (LD)指令开始，之后是几个输入指令(包括LD指令)，必要时用于建立逻辑条件。最后是实现输出控制的输出指令，或者是数据控制、流量控制、通信处理、监控等等的指令，从而进行相应的工作。总线用于连接命令组。下图是三菱FX2N系列产品最简单的梯形图例:
它有两组，第一组用于实现启动和停止控制。第二组只有一个结束指令来结束程序。
11梯形图与助记符的对应关系；
助记指令和梯形图指令有着严格的对应关系，梯形图的连接可以反映指令的顺序。一般来说，顺序是:先输入，后输出(包括其他处理)；先上，后下；先左转，然后右转。有了梯形图，它可以被翻译成助记程序。上面的助记程序是:
地址指令变量
0000 LD X000
0001或X010
0002，而不是X001
0000中的0003
0004结束
相反，根据助记符，也可以画出与之对应的梯形图。
12梯形图与电气原理图的关系；
如果只考虑逻辑控制，梯形图和电气原理图也可以建立一定的对应关系。比如梯形图的输出(out)指令对应继电器的线圈，而输入指令(如LD、AND、OR)对应触点，联锁指令(il、ILC)可视为总开关，等等。这样就可以将原来的继电器控制逻辑转化为梯形图，然后进一步转化为语句表程序。
有了这种对应，用PLC程序表示继电器逻辑就容易了。这也是PLC技术对传统继电器控制技术的继承。
四、数控滑台的PLC控制方法
数控滑台的主要控制因素有三个:
1行程控制
液压滑台和机械滑台的行程控制一般是通过位置或压力传感器(行程开关/死挡铁)来实现的；数控滑台的行程由数字控制实现。根据数控滑台的结构，滑台的行程与步进电机的总转角成正比，因此只需控制步进电机的总转角。根据步进电机的工作原理和特点，步进电机的总转角与输入控制脉冲数成正比。因此，PLC输出的脉冲数可以根据伺服机构的位移来确定:
n= DL/d (1)
其中dl-伺服机构的位移(mm)
D ——伺服机构的脉冲当量(毫米/脉冲)
2进给速度控制
伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速又取决于输入脉冲频率；因此，根据该过程所需的进给速度，可以确定其PLC输出的脉冲频率:
f=Vf/60d(赫兹)(2)
式中，Vf——伺服机构的进给速度(毫米/分钟)
3进给方向控制
进给方向控制是步进电机的转向控制。通过改变步进电机各绕组的通电顺序，可以改变步进电机的转向；比如三相步进电机的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A…时，步进电机正转；当绕组按照A-AC-C-CB-B-BA-A的顺序通电时...，步进电机反向旋转。所以可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件圆形分配器的输出顺序来实现，也可以通过编程改变输出脉冲顺序来改变步进电机绕组的通电顺序来实现。
动词 （verb的缩写）PLC的国内外现状
世界上公认的第一台PLC是美国数字设备公司(DEC)于1969年研制的。受当时元件条件和计算机发展水平的限制，早期的PLC主要由分立元件和中小型集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制、定时和计数功能。微处理器出现在20世纪70年代初。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了计算、数据传输和处理的功能，完成了具有真正计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器和接触器系统的工程师使用，可编程控制器采用类似继电器电路图的梯形图作为主要编程语言，所有参与运算和处理的计算机存储元件均以继电器命名。这时，PLC是微机技术和继电器常规控制理念相结合的产物。
70年代中后期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术全面引入可编程控制器，使其功能实现飞跃。更高的运算速度，超小的体积，更可靠的工业抗干扰设计，模拟运算，PID功能，高性价比奠定了其在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器已在先进工业国家广泛使用。这一时期可编程控制器的发展特点是大型化、高速化、高性能化和产品系列化。这个阶段的另一个特点是，世界上生产可编程控制器的国家越来越多，产量越来越大。这标志着可编程控制器已经进入成熟阶段。
20世纪末，可编程控制器的发展更适合现代工业的需要。在控制规模上，这一时期发展了大型机和超小型计算机；在控制能力上，诞生了多种特殊的功能单元，用于压力、温度、速度、位移等各种控制场合。就产品的匹配能力而言，已经产生了各种人机接口单元和通信单元，更容易匹配使用可编程控制器的工业控制设备。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工等领域的应用有了很大发展。
我国可编程控制器的引进、应用、开发和生产始于改革开放。最初，进口设备中大量使用可编程控制器。接下来，PLC在各企业生产设备和产品中的应用不断扩大。目前，中国已经能够生产中小型可编程控制器。上海吴栋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK和D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等产品已达到一定规模，并在工业产品中得到应用。此外，无锡华光公司和上海海岛公司等中外合资企业也是中国著名的PLC制造商。可以预计，随着中国现代化进程的深入，PLC在中国将有更广阔的应用领域。
不及物动词PLC的未来展望
21世纪，PLC将有更大的发展。在技术上，计算机技术的新成果将更多地应用于可编程控制器的设计和制造，出现运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种；从产品规模来看，将进一步向超小型、超大型方向发展；从产品兼容性来看，产品的品种和规格将更加丰富，完善的人机界面和完备的通讯设备将更好地满足各种工业控制场合的需求；从市场来看，每个国家生产多种产品的局面会随着国际竞争的加剧而被打破，会出现少数品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展来看，将可编程控制器与其他工业控制计算机联网，形成大型控制系统，是可编程控制器技术的发展方向。目前，大量可编程控制器已经应用于计算机DCS(分布式控制系统)中。随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业以外的许多领域发挥越来越重要的作用。
参考贡献