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PLC在組合機床控制中的應用

一.可編程控制器的定義
  可編程控制器，簡稱PLC（Programmable logic Controller）,是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。”
二.PLC的特點
1 可靠性高，抗*力強
  高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了*的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均*時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均*工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有*的可靠性也就不奇怪了。
  2 配套齊全，功能完善，適用性強
  PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。
  3 易學易用，深受工程技術人員歡迎
  PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。
  4 系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造
  PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。
  5 體積小，重量輕，能耗低
    以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。
三.在組合機床自動線中，一般根據(jù)不同的加工精度要求設置三種滑臺
  目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。
1 開關量的邏輯控制
  這是PLCzui基本、zui廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。
2 模擬量控制
  在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。
3 運動控制 
  PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。
  4 過程控制
  過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。
  5 數(shù)據(jù)處理
  現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。
  6 通信及聯(lián)網(wǎng)
  PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
7 PLC控制的數(shù)控滑臺結構 
一般組合機床自動線中的數(shù)控滑臺采用步進電機驅動的開環(huán)伺服機構。采用PLC控制的數(shù)控滑臺由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器、步進電機驅動器、步進電機和伺服傳動機構等部分組成，

伺服傳動機構中的齒輪Z1、Z2應該采取消隙措施，避免產(chǎn)生反向死區(qū)或使加工精度下降；而絲杠傳動副則應該根據(jù)該單元的加工精度要求，確定是否選用滾珠絲杠副。采用滾珠絲杠副，具有傳動效率高、系統(tǒng)剛度好、傳動精度高、使用壽命長的優(yōu)點，但成本較高且不能自鎖。
8 控制系統(tǒng)的軟件結構
  軟件結構根據(jù)控制要求而設計，主要劃分為五大模塊：即步進電機控制模塊、定位控制模塊、數(shù)據(jù)撥盤輸入及數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)碼輸出顯示模塊、元件故障的自動檢測與報警模塊。

  由于整個軟件結構較為龐大，脈沖控制器產(chǎn)生0.1秒的控制脈沖，使移位寄存器移位，提供六拍時序脈沖，通過三相六拍環(huán)形分配器使三個輸出繼電器Y430、Y431、Y432按照單雙六拍的通電方式控制步進電機。為實現(xiàn)定位控制，采用不同的計數(shù)器分別控制粗定位行程和精定位行程，計數(shù)器的設定值依據(jù)行程而定。例如，設*或工作臺欲從A點移至C點，已知AC＝200mm，把AC劃分為AB與BC兩段，AB＝196mm，BC＝4mm，AB段為粗定位行程，采用0.1mm/步的脈沖當量快速移動，利用了6位計數(shù)器（C660/C661），而BC段為精定位行程，采用0.01mm/步的脈沖當量精確定位，利用了3位計數(shù)器C460，在粗定位結束進入精定位的同時，PLC自動接通電磁離合器輸出點Y433以實現(xiàn)變速機構的更換。
9 PLC控制系統(tǒng)的接地方法 

（1）由于PLC機柜和操作臺、配電柜等用電設備的金屬外殼及控制設備正常不帶電的金屬部分，由于各種原因（如腐蝕、絕緣破損等）而有可能帶危險電壓，所以應該進行保護接地，低于36V供電的設備，無特殊要求可不做接地保護。 
（2）PLC控制系統(tǒng)中的基準電位是各回路工作的參考電位，基準電位的連接線稱為系統(tǒng)地，通常是控制回路直流電源的零伏導線，系統(tǒng)接地的方式有浮地方式、直接接地方式和電容接地方式。 
（3）為防止靜電感應和磁場感應而設置的屏蔽接地端子應做屏蔽接地。其中信號回路接地和屏蔽接地又通稱為工作接地。 
一般以上接地方法的控制原則是：保護地和工作地不能混用，這是由于在每一段電源保護地線的兩點間會有數(shù)毫伏，甚至幾伏的電位差，這對低電平信號電路來說是一個非常嚴重的干擾。屏蔽地，當信號電路是單點接地時，低頻電纜的屏蔽層也應單點接地，如果電纜的屏蔽層接地點有一個以上時，將產(chǎn)生噪聲電流，形成噪聲干擾源。 
本系統(tǒng)采用的接地電阻都需要在規(guī)定的范圍內(nèi)，對于PLC組成的控制系統(tǒng)一般應小于4Ω，而且要有足夠的機械強度，事前都需要進行防腐處理。PLC組成的控制系統(tǒng)進行單獨設置接地系統(tǒng)，也可以利用現(xiàn)場條件進行“等電位聯(lián)結”進行接地設計。 
10 PLC控制梯形圖：
梯形圖是通過連線把PLC指令的梯形圖符號連接在一起的連通圖，用以表達所使用的PLC指令及其前后順序，它與電氣原理圖很相似。它的連線有兩種：一為母線，另一為內(nèi)部橫豎線。內(nèi)部橫豎線把一個個梯形圖符號指令連成一個指令組，這個指令組一般總是從裝載（LD）指令開始，必要時再繼以若干個輸入指令（含LD指令），以建立邏輯條件。zui后為輸出類指令，實現(xiàn)輸出控制，或為數(shù)據(jù)控制、流程控制、通訊處理、監(jiān)控工作等指令，以進行相應的工作。母線是用來連接指令組的。下圖是三菱公司的FX2N系列產(chǎn)品的zui簡單的梯形圖例：


    它有兩組，*組用以實現(xiàn)啟動、停止控制。第二組僅一個END指令，用以 結束程序。     
  11 梯形圖與助記符的對應關系：
助記符指令與梯形圖指令有嚴格的對應關系，而梯形圖的連線又可把指令的順序予以體現(xiàn)。一般講，其順序為：先輸入，后輸出（含其他處理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形圖就可將其翻譯成助記符程序。上圖的助記符程序為：
       地址      指令      變量
        0000       LD       X000
        0001       OR       X010
        0002       AND NOT     X001
        0003       OUT       Y000
0004       END     
反之根據(jù)助記符，也可畫出與其對應的梯形圖。
  12 梯形圖與電氣原理圖的關系：
如果僅考慮邏輯控制，梯形圖與電氣原理圖也可建立起一定的對應關系。如梯形圖的輸出（OUT）指令，對應于繼電器的線圈，而輸入指令（如LD，AND，OR）對應于接點，互鎖指令（IL、ILC）可看成總開關，等等。這樣，原有的繼電控制邏輯，經(jīng)轉換即可變成梯形圖，再進一步轉換，即可變成語句表程序。
    有了這個對應關系，用PLC程序代表繼電邏輯是很容易的。這也是PLC技術對傳統(tǒng)繼電控制技術的繼承。
四、數(shù)控滑臺的PLC控制方法 
數(shù)控滑臺的控制因素主要有三個：
1 行程控制 
一般液壓滑臺和機械滑臺的行程控制是利用位置或壓力傳感器（行程開關/死擋鐵）來實現(xiàn)；而數(shù)控滑臺的行程則采用數(shù)字控制來實現(xiàn)。由數(shù)控滑臺的結構可知，滑臺的行程正比于步進電機的總轉角，因此只要控制步進電機的總轉角即可。由步進電機的工作原理和特性可知步進電機的總轉角正比于所輸入的控制脈沖個數(shù)；因此可以根據(jù)伺服機構的位移量確定PLC輸出的脈沖個數(shù)：
n= DL/d （1）
式中 DL——伺服機構的位移量（mm）
d ——伺服機構的脈沖當量（mm/脈沖）
2 進給速度控制 
伺服機構的進給速度取決于步進電機的轉速，而步進電機的轉速取決于輸入的脈沖頻率;因此可以根據(jù)該工序要求的進給速度,確定其PLC輸出的脈沖頻率:
     f=Vf/60d (Hz) (2) 
     式中 Vf——伺服機構的進給速度(mm/min)
3 進給方向控制 
   進給方向控制即步進電機的轉向控制。步進電機的轉向可以通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變其轉向;如三相步進電機通電順序為A-AB-B-BC-C-CA-A…時步進電機正轉;當繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A…順序通電時步進電機反轉。因此可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序來實現(xiàn)，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進電機繞組的通電順序實現(xiàn)。