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PLC在组合机床控制中的应用
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PLC 在组合机床控制中的应用一.可编程控制器的定义 可编程控制器,简称 PLC(Programmable logic Controller),是指以计算机技术为基础的新型 工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义: “PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算 操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运 算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各 种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一 个整体,易于扩展其功能的原则而设计。” 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。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格 的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。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。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障 工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说,使用 PLC 构成控制系统,和同等规模的继电接 触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。此 外,PLC 带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中, 应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得 故障自诊断保护。这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 2 配套齐全,功能完善,适用性强 PLC 发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工 业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代 PLC 大多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, PLC 渗透到了位置控制、 使 温度控制、 CNC 等各种工业控制中。 加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展, 使用 PLC 组成 各种控制系统变得非常容易。 3 易学易用,深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。它接口容易,编程语言易于 为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、 不懂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方便之门。 4 系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造 的周期大为缩短, 同时维护也变得容易起来。 更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产 过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 5 体积小,重量轻,能耗低 以超小型 PLC 为例,新近出产的品种底部尺寸小于 100mm,重量小于 150g,功耗仅数瓦。 由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。 三.在组合机床自动线中,一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台 目前,PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻 纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。 1 开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控 制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订 书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 2 模拟量控制 在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟 量。为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间 的 A/D 转换及 D/A 转换。 PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模块, 使可编程控制器用 于模拟量控制。 3 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说,早期直接用于开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构, 现在一般使用专用的运动控制模块。 如可驱动步进电机或 伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功 能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4 过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机,PLC 能编 制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调 节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块,目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般 是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛 的应用。 5 数据处理 现代 PLC 具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算) 、数据传送、数据转换、排序、 查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中 的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们 打印制表。数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控 制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6 通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展,工厂 自动化网络发展得很快,各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能,纷纷推出各自的网络系 统。新近生产的 PLC 都具有通信接口,通信非常方便。 7 PLC 控制的数控滑台结构 一般组合机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用 PLC 控制的数 控滑台由可编程控制器、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部 分组成, 伺服传动机构中的齿轮 Z1、Z2 应该采取消隙措施,避免产生反向死区或使加工精度下降; 而丝杠传动副则应该根据该单元的加工精度要求, 确定是否选用滚珠丝杠副。 采用滚珠丝杠 副,具有传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优点,但成本较高且不能自 锁。 8 控制系统的软件结构 软件结构根据控制要求而设计, 主要划分为五大模块: 即步进电机控制模块、 定位控制模块、 数据拨盘输入及数据传输模块、数码输出显示模块、元件故障的自动检测与报警模块。 由于整个软件结构较为庞大,脉冲控制器产生 0.1 秒的控制脉冲,使移位寄存器移位,提供 六拍时序脉冲,通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器 Y430、Y431、Y432 按照单双 六拍的通电方式控制步进电机。 为实现定位控制, 采用不同的计数器分别控制粗定位行程和 精定位行程,计数器的设定值依据行程而定。例如,设刀具或工作台欲从 A 点移至 C 点, 已知 AC=200mm,把 AC 划分为 AB 与 BC 两段,AB=196mm,BC=4mm,AB 段为粗定 位行程,采用 0.1mm/步的脉冲当量快速移动,利用了 6 位计数器(C660/C661) ,而 BC 段 为精定位行程,采用 0.01mm/步的脉冲当量精确定位,利用了 3 位计数器 C460,在粗定位 结束进入精定位的同时,PLC 自动接通电磁离合器输出点 Y433 以实现变速机构的更换。 9 PLC 控制系统的接地方法 (1)由于 PLC 机柜和操作台、配电柜等用电设备的金属外壳及控制设备正常不带电的金属 部分, 由于各种原因(如腐蚀、绝缘破损等) 而有可能带危险电压,所以应该进行保护接地, 低于 36V 供电的设备,无特殊要求可不做接地保护。 (2) PLC 控制系统中的基准电位是各回路工作的参考电位, 基准电位的连接线称为系统地, 通常是控制回路直流电源的零伏导线, 系统接地的方式有浮地方式、 直接接地方式和电容接 地方式。 (3)为防止静电感应和磁场感应而设置的屏蔽接地端子应做屏蔽接地。其中信号回路接地 和屏蔽接地又通称为工作接地。 一般以上接地方法的控制原则是: 保护地和工作地不能混用, 这是由于在每一段电源保护地 线的两点间会有数毫伏, 甚至几伏的电位差, 这对低电平信号电路来说是一个非常严重的干 扰。屏蔽地,当信号电路是单点接地时,低频电缆的屏蔽层也应单点接地,如果电缆的屏蔽 层接地点有一个以上时,将产生噪声电流,形成噪声干扰源。 本系统采用的接地电阻都需要在规定的范围内,对于 PLC 组成的控制系统一般应小于 4 , 而且要有足够的机械强度,事前都需要进行防腐处理。PLC 组成的控制系统进行单独设置 接地系统,也可以利用现场条件进行“等电位联结”进行接地设计。 10 PLC 控制梯形图: 梯形图是通过连线把 PLC 指令的梯形图符号连接在一起的连通图,用以表达所使用的 PLC 指令及其前后顺序,它与电气原理图很相似。它的连线有两种:一为母线,另一为内部横竖 线。 内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组, 这个指令组一般总是从装载 (LD) 指令开始,必要时再继以若干个输入指令(含 LD 指令) ,以建立逻辑条件。最后为输出类 指令,实现输出控制,或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令,以进行相应 的工作。 母线是用来连接指令组的。 下图是三菱公司的 FX2N 系列产品的最简单的梯形图例:它有两组,第一组用以实现启动、停止控制。第二组仅一个 END 指令,用以 结束程序。 11 梯形图与助记符的对应关系: 助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系,而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。 一般讲,其顺序为:先输入,后输出(含其他处理) ;先上,后下;先左,后右。有了梯形 图就可将其翻译成助记符程序。上图的助记符程序为: 地址 指令 变量 0000 LD X000 0001 OR X010 0002 AND NOT X001 0003 OUT Y000 0004 END 反之根据助记符,也可画出与其对应的梯形图。 12 梯形图与电气原理图的关系: 如果仅考虑逻辑控制,梯形图与电气原理图也可建立起一定的对应关系。如梯形图的输出 (OUT)指令,对应于继电器的线圈,而输入指令(如 LD,AND,OR)对应于接点,互 锁指令(IL、ILC)可看成总开关,等等。这样,原有的继电控制逻辑,经转换即可变成梯 形图,再进一步转换,即可变成语句表程序。 有了这个对应关系,用 PLC 程序代表继电逻辑是很容易的。这也是 PLC 技术对传统继电控 制技术的继承。 四、数控滑台的 PLC 控制方法 数控滑台的控制因素主要有三个: 1 行程控制 一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器(行程开关/死挡铁)来实现; 而数控滑台的行程则采用数字控制来实现。 由数控滑台的结构可知, 滑台的行程正比于步进 电机的总转角, 因此只要控制步进电机的总转角即可。 由步进电机的工作原理和特性可知步 进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数;因此可以根据伺服机构的位移量确定 PLC 输出的脉冲个数: n= DL/d (1) 式中 DL——伺服机构的位移量(mm) d ——伺服机构的脉冲当量(mm/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,而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率;因 此可以根据该工序要求的进给速度,确定其 PLC 输出的脉冲频率: f=Vf/60d (Hz) (2) 式中 Vf——伺服机构的进给速度(mm/min) 3 进给方向控制 进给方向控制即步进电机的转向控制。 步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电 顺序来改变其转向;如三相步进电机通电顺序为 A-AB-B-BC-C-CA-A…时步进电机正转;当 绕组按 A-AC-C-CB-B-BA-A…顺序通电时步进电机反转。因此可以通过 PLC 输出的方向控 制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现, 或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电 机绕组的通电顺序实现。 五.PLC 的国内外状况 世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元器件 条件及计算机发展水平,早期的 PLC 主要由分立元件和中小规模集成电路组成,可以完成 简单的逻辑控制及定时、计数功能。20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入 可编程控制器,使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能,完成了真正具有计算机特征 的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用,可编程控制器采 用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言, 并将参加运算及处理的计算机存储元件 都以继电器命名。此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 20 世纪 70 年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程 控制器中, 使其功能发生了飞跃。 更高的运算速度、 超小型体积、 更可靠的工业抗干扰设计、 模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初, 可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。 这个时期可编程控制器发展的特点是大规 模、高速度、高性能、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 家日益增多,产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20 世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说, 这个时期发展了大型机和超小型机;从控制能力上来说,诞生了各种各样的特殊功能单元, 用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力来说,生产了各种 人机界面单元、通信单元,使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前,可 编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的 发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备 中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应 用。目前,我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系 列、杭州机床电器厂生产的 DKK 及 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 系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此 外,无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的 PLC 生产厂家。可 以预期,随着我国现代化进程的深入,PLC 在我国将有更广阔的应用天地。 六.PLC 未来展望 21 世纪,PLC 会有更大的发展。从技术上看,计算机技术的新成果会更多地应用于可编程 控制器的设计和制造上,会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现;从产品 规模上看,会进一步向超小型及超大型方向发展;从产品的配套性上看,产品的品种会更丰 富、 规格更齐全, 完美的人机界面、 完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求; 从市场上看, 各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破, 会出现少数几 个品牌垄断国际市场的局面,会出现国际通用的编程语言;从网络的发展情况来看,可编程 控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。 目 前的计算机集散控制系统 DCS(Distributed Control System)中已有大量的可编程控制器应 用。 伴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,将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
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