开放式数控系统PLC逻辑控制

    进入20世纪90年代，开方式、全功能、高效化成为翻控技术的主要发展趋势口人们比以往更加注重数控系统的灵活应用树和可扩展性，注重不同生产厂家户品间的互换性。在该类数控系统中常将PLC逻辑控制单元与CNC拭制装置集成为一体，通过内部信。通道相互交换控制要求，从而充分发挥各自的控制作用，进一步提高整个控制系统豹协调性和白动化程度。因此在开放数控系统中，PLC逻辑控制单元所起的作用更加突出，其功能日益完备，而其构成手段则日益简洁，数控机床在加工过程中所需的各种操作，比如卞抽变速、松夹上件、开车停车、月具选择冷却液供给、越程报警、程序段跳跃和进给速度调整等，都是通过PLC逻辑控制系统来实现的。

　　本文以英特马达开放式数控系统为依托，基于计算机和工业总线，配置了能够与开放数控系统紧密集成的PLC逻辑控制系统平台，井构建了三坐标数榨铣床外围操作控制所需的电气系统。在此基础上，开展了逻辑控制单元与CNC控制单元问的信息交互方式、逻辑控制程序设计方法以及数控机床伺服系统动态特性的仿真分析等一系列研究内容。

　　基于开放式数控体系的PLC逻辑控制单元硬件配置

　　本研究的实验平台采用德国INDRAMAT开放式数控系统MTC 200，通过ISA总线底板，将CPU模板，PLC模板和CNC模板的功能集于一体口PLC模板和CNC模板可通过公用存储器交换各自所需的控制信息.这样，PLC和CNC控制程序便可彼此相互理，解协调工作。该系统的PLC模板可通过Inter Bus总线与外界的I/O接口端子iRECCR)连接，从而可方便的对外部I/O设备进行监控。而该系统的CNC模块，则采用SERCOS总线总线标准，通过光缆及环形链接方式与外部伺服驱动器相连口在PLC模板信号的控制下，该系统的CNC模块将依据不同情况、按照特定的数控程序，控制伺服驱动器完成用户需要的动作。本系统采用的I/O接口端子(RECOR)由二部分组成:一个interBus总线接口单元.一个32位输八信号接n单元和一个32位输出接口单元，这二部分通过内总线底板相互连接。当外部驱动器在接到由CNC发布来的位置，速度及加速度指令控制信号后，将其转换为强电相位信号，通过驱动器与电动机之间的连接电缆，驱动电动机运转，电动机则通过滚珠丝杠等机械传功装置与机床工作台相连接，从而驱动机床工作台实现规定义的运动。

　　依据三坐标数控铣床的功能要求，本研究将如下一些开关量功能信号，分别从机床的各种开关、按钮、继电器和传感器等电气部件的引出端，接人I/O接口端子的输入、输出端口，开放式数控系统中PLC单元的主要功能，就在于通过对其输入端的各种输入信号进行逻辑分析后，产生两类符合逻辑要求的输出控制信号:第一类输出信号称为直接输出控制信号，它是通过接口端了的输出口的引出线直接拄制机床的逻辑开关部什;第二类输出信R则称为软通道信号，它不是通过引线连接，而是通过公共存储器的特定标志位，与CNC交互信息，指导C执行用户要求的动作。关于PLC的第二类输出信号将在下一节进行介绍。

　　附表给除了I/O端口引脚信号功能定义，该表对于实现机床电器控制功能，指导机床电器线路设计以及编制PLC逻辑控制程序。均具有重要价值。

　　PLC与CNC的信息交互

　　本研究的试验平台是建立在开放式数控系统的基础上的、其数控装置中的PLC能模板与CNC功能模板是通过ISA总线相互连接的，‘已们之间的信怠交互是通过公用存储器中设置的标占位来实现的，通过这些标志为:CNC单元将当前执行到的辅助功能代码(如冷却液井起、润滑泵起动、安全状态信信等内容)及时通知给YLC单兀，以便PLC及时做出电器控制;与此同时PLC单元也要将当前用户操作信(比如手动状态、自动状态和点动工作台等动作)及时通知给CNC单元，以便CNC单兀作相应的功能调整和运动控制口通过PLC功能模板与CNC功能模板间的信息交互，大大简化了机床电器控制的设计步骤和安装调试过程，并极大地提高了数控机床的安全可靠程度。

　　PLC功能模板与CNC功能模板之间，主要交换以下四类信息；

　　1)PLC单元向CNC单元中的特定处理器发出的控制信,(5. F'xxC.*****；:其中Pxx表示标号为xx的处理器，C表PLC由PLC向CNC发出的控制信息。

　　2)由CNC单元向PLC单兀反馈的状态信息上Pxxs*****;只嘴.的S表示由CNC向PLC反馈的状态。

　　3)由PLC单元向CNC单元发出的轴控{急急AXXC.*****:其中AXX表不轴号为XX轴，C表示由PLC发出的控制信息。

　　4)CNC单元向PLC单元反馈的被控轴的状态信息AxxS*****:其中S代表由CNC反馈的被扛若轴的状态信息。

　以扛四类信息包含内齐极其丰富，可实现如红外门开起保护、上电保护，程序段跳跃、点动白动转换、伺服系统速度凋整、各种散障诊断等多种功能。设置并灵活运用这些信息，是实现高挡数控装备必不可少的重要内容。

　　PLC程序的编制

　　本试验平台中所组建的数控装置，可采用梯形图、功能块图和逻辑指令语言编制数控机床逻辑控制程序，这只种语言程序编制方式叮以相互转换，可大幅度的减少程序逻辑错误。在该平台的编程界面中，可实时监测到各种硬件输人信号的状态以及各程序语句的执行状态，使得程序调试、功能检查都极其方便，此外，本试验平台还可直接按程序流程方式编制程序，使得各模块逻辑关系层次清晰，脉络分明，图1为本研究开发的数控机床的逻辑控制程序的程序流程图。

　　根机床的实际功能要求，开发设计机床的操作面板和电器控制柜后。便可编制实现机床功能所需的逻辑控制程序，我们编制的数控机床逻辑控制程序，在英特马述数控机庆卜实际测试，圆满完成了上电控制、指示灯点亮，报警急停。手动自动控制，上下刀控制等功能，达到了预期效果。

　　伺服系统动态特性仿真

　　在开放式数控系统的构建过程中，伺服系统的参数设置与优化，直接影响到数控系统的精度和性能。因此对研制开发的英特马达数控机床的伺服系统开展了动态特性的建模研究。并利用MATLAB进行了仿真分析，依据本分析所获得的参数，指导实际数控系统的参数设置，并制定PLC程序内部的调速环节。

　　我们开发的数控机床是半闭环位置伺服系统，在依次建立数控机床的伺服电动机、比例放大环节调节器环节、传动环节等的动力学模型后，得出的半闭环位置伺服系统的整体数学模型如图2所示。

　　经参数调整和优化，可以使机末在很短时间内达到稳态输出值，井且没有超调量，从而达到机床控制参数的优化目的。

　　在开放式数控系统中，PLC与CNC实现了紧密集成、合理运用公用存储器，实现它们之间的信息交互。对提高机床性能、简化机床电器设计具有重要意义。PLC接口端子信号定义表，对机机床电器接线安装、PLC逻辑程序。先将其精心设计完成，从而会给后续设计带来巨大的方便。通过对机床伺服系统进行动态建模与分析，可对机床控制参数的优化设置。面向国际前沿，采购优质，先进的零部件，组装自己的数控产品，是我国加入世贸组织后，民族机电产品赢得世界市场竞争的一条捷径。本文方法和技术手段，均在我们自行研制的开放式数控机床上得到实验验证。