PLC在數控系統中的應用分析

段恩甜 ，趙 金

（迪恩機床（中國）有限公司，山東 煙臺 264006）

PLC是以單片機為基礎，與計算機和網絡通信技術相結合的新型控制技術，具有穩定性好、架構模塊化、程序簡化、接口豐富、操作簡便、能耗低、安全系數高等優點[1]。近年來，大部分數控機床生產廠家在機床技術升級時放棄了舊式的繼電器和開關按鍵控制，轉而采用PLC控制技術[2]。PLC優化了數控機床的技術性能，降低了工業控制設備的維修頻率，提高了產品的加工效率和穩定性，在工業生產中獲得了良好的經濟效益。本研究從PLC控制系統的原理、作用及應用等角度展開了闡述，以期能為相關企業及技術人員提供有益的借鑒。

1 PLC的工作原理

PLC主要負責對數控機床系統中的各種電氣開關進行邏輯切換以及對刀具的軌跡進行邏輯控制。數控系統主要負責數控機床加工參數的配置、加工線程之間的管理和調度以及加工軌跡的運動控制。PLC與數控系統在數控機床的工作中互為補充，通過對切換信息進行調度，以達到對機床的邏輯控制作用，從而保證機床的正常工作。PLC軟件的工作模式是以掃描的形式進行的，PLC的工作流程包括采樣輸入、程序執行、信號輸出三個階段[3]。

1）采樣輸入階段。PLC以掃描方式讀取各種現場外部輸入信號，經過輸入模板的整合后，把輸入信號存儲到輸入映像區中[4]。

2）程序執行階段。PLC通過依次執行用戶程序（即梯形圖或者指令碼）中的邏輯運算，然后按照由上到下、從左到右的順序將加工后的數據存入輸出映像區，以備以后的系統調用，也可以直接用作機床的控制輸出。

3）信號輸出階段。當用戶程序執行完畢后，CPU根據輸出映像區中的數據刷新輸出鎖存回路，進行掃描和輸出。數據寄存器將狀態數據從輸出圖像中抽取出來，并傳遞給輸出模板進行轉化，然后將其轉化為相應的執行文檔，再由輸出回路驅動相應的外設[5]。PLC的工作過程如圖1所示。

圖1 PLC的工作過程圖

2 PLC在數控系統中的作用

數控機床的控制器分為數字控制系統和程序控制系統[6]。其中，數字控制系統完成對電機進給運動方向的控制；程序控制系統完成對電機控制部件開關量的控制。PLC是數字控制系統和機器主體的連接，它與機床主機建立了信息交流，并共同完成復雜的程序控制。機床主機、CNC與PLC之間的各種信號流轉過程，如圖2所示。

圖2 機床、CNC與PLC之間的各種信號流轉圖

分析圖中的每個信號，具體描述如下：

1）機床到PLC的信號X，它是從機床一側發出的代表不同的輸入狀況的信號，通過一個輸入/輸出界面傳送到PLC，它包括一個開關信號、一個按鈕信號和一個狀態探測信號。

2）PLC到CNC的信號G，是PLC和CNC之間的連接信號，CNC用來接受PLC的請求，其中一些是一個子程序。例如，PLC向CNC發出的一個停止主軸馬達的緊急停止信號以及其他的主軸功能終止信號等，用以通知CNC目前的工作狀況已經完成，要求進行其他的工作。

3）CNC到PLC的信號F，是CNC向PLC發送的信號，以表明CNC中的某些操作狀況，如CNC向PLC輸送的警報信號以及系統準備結束的信號等。

4）由PLC發給機床的信息Y，是由PLC對CNC的F信息進行的反應，并實現了諸如電磁閥、信號燈以及電機正/反向繼電器之類的開關，以適應機床的操作要求。

3 PLC在數控機床控制中的實際應用

3.1 在數控機床上的應用形式

目前，常見的PLC技術主要是采用獨立式和嵌入式，其中，獨立式PLC技術具有廣闊的使用前景[6]，其可以讓用戶根據需要的函數選取最適合的PLC技術，從而達到對數控設備的最優控制；嵌入式PLC技術是一種集成PLC技術，其將NC技術與PLC技術相結合，可以有效地將PLC技術和NC技術進行數據通信，從而加快以內部總線為核心的數據傳輸速率，極大地提高了信息的傳播速度。此外，采用PLC技術與NC技術實現CPU獨立運行或共用CPU，可以使整個數控系統運行得更加平穩[7]。

3.2 在數據交換中的應用

利用PLC技術可以實現數控機床和PLC、CNC之間的數據交換，進而精確控制數控機床中的各種電氣設備。為確保交流的穩定性和通用性，數控機床針對不同的模塊采用了不同的接口，有效地提高了數據的交換效率，實現了可編程控制的終極目標[8]。同時，基于界面的溝通模式，相關人員可以根據自己的實際需要，進行定制化的設置，從而全面提升數控系統的應用價值。

3.3 在功能模塊中的應用

將PLC技術應用于數控機床的各個功能模塊上，既可以完成對數控機床的控制，又可以實現對數控機床的輸入輸出信號的控制[9]。CNC實質上是一種自動控制的機器，可以通過控制面板來完成對系統和機器的控制。將PLC技術用于數控加工，并利用計算機程序進行控制，即可對各功能模塊進行控制。該方法可以極大地減少信號的損失，從而使數控機床的控制系統更加穩定、可靠。另外，利用PLC技術可以把對應的指令轉換成機器語言，并把機器語言傳送到CNC機床，保證其能根據指令準確工作，從而達到精確有效控制的目的。

4 結語

綜上所述，PLC實現數控機床的電氣控制是一種非常有效的方法[10]。在實際使用中，其控制技術靈活、效率高，能很好地適應數控機床的監控要求。若要進行某些比較繁復的加工作業，則可以通過調整控制策略來提升其開發與設計的效率，既可以減少生產費用，又可以改善其品質。隨著PLC編程與程序設計的規范化、高級化，其應用范圍也越來越廣，使得控制中心的控制系統更加靈活、可靠。PLC作為一種通用的現代CNC控制器，已經在工業生產制造中獲得了廣泛的應用，并取得了可觀的經濟效益。