【正文】 設(shè)備等組 成 電氣數(shù) 字控制系 統(tǒng) ，以 實(shí)現(xiàn)編 程 輸 入、人機(jī)交互、自 動(dòng) 化加工的控制方式 ，擴(kuò) 大加工能力， 減 少故障，提高效率，已成 為 企 業(yè)進(jìn) 行技 術(shù) 改 造的有效途 徑 。 論 文以 組 合機(jī)床的 數(shù) 控化改造 為 背景，概述了 組 合機(jī)床 數(shù) 控改造的 設(shè)計(jì)方案與 應(yīng) 用技 術(shù) ，并 對(duì) PLC 的發(fā) 展與 應(yīng) 用作了 簡要 介 紹 。用PLC 模塊、操控監(jiān)控設(shè)備等組成電氣數(shù)字控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)編程輸入、人機(jī)交互、自動(dòng)化加工的控制方式，擴(kuò)大加工能力，減少故障，提高效率，已成為企業(yè)進(jìn)行技術(shù) 改造的有效途徑。 銑 削平面的平面度可 達(dá) 毫米／ 1000 毫米，表面粗糙度可低 達(dá) ～ 微米； 鏜孔 精度可 達(dá)IT7～ 6 級(jí) ，孔距精度可 達(dá) ～ 微米。初期，各機(jī)床制造廠都有各自的通用部件 標(biāo) 準(zhǔn)。主要有 動(dòng) 力箱、切削 頭 和 動(dòng) 力滑臺(tái)。 輔 助部件有 潤 滑 裝 置、冷 卻裝 置和排屑 裝 置等。控制系 統(tǒng)有 通用的液 壓傳動(dòng)裝 置， 電氣柜 ，操 縱臺(tái)等。 （ 4） 在 組 合機(jī)床上加工 零件 時(shí) ，由于采 用專用夾 具、刀具和 導(dǎo) 向 裝 置等，加工 質(zhì) 量靠 工藝裝備 保 證 ， 對(duì)操 作工人水平要求不高。 機(jī)身、立柱、中 間 底座等是 組 合機(jī)床的支承部件， 起著機(jī) 床的基 礎(chǔ) 骨架作用。以該基準(zhǔn)件為核心，分別描述其它基準(zhǔn)件的位置關(guān)系，便可建立該產(chǎn)品各個(gè)零部件之間的位置約束關(guān)系模型。 圖 1 組合機(jī)床的裝配模型 6 面向?qū)ο蟮慕M合機(jī)床裝配模型的定義 面 向?qū)?象的技 術(shù) 是 計(jì) 算機(jī)分析和解 決問題的 一種新方法，它具有封 裝 、 繼承和重 載等特 性， 為產(chǎn) 品 裝配 模型的描述和定 義 提供了一 個(gè) 新思路。每種屬性又包含不同的子類，子類又有子類，形成一種類的層次關(guān)系。對(duì) 于機(jī)床整體而言，包含有各加工 單 元、工作臺(tái)或中 間 底座、 夾 具、 電氣 液 壓系統(tǒng) 和其它 輔 助 裝 置，以及它 們之間 的 裝配關(guān) 系 和約 束 關(guān) 系；而 對(duì) 于每一加工 單 元，則 又有各 個(gè) 通用和 專用部 件 組 成， 這 些部件又有自身的 裝配和約 束 關(guān) 系，每 個(gè) 部件又有多種零件 組 成， 從 而構(gòu)成了一 個(gè) 具有 層 次 結(jié) 構(gòu)的 裝配樹 。本文主要介紹了基于殼體類攻絲組合機(jī)床的 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。與相同功能的繼電器相比，具有很高的性能價(jià)格比。楞編程序控制器的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。 PLC 采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，平均無故障時(shí)間達(dá)到數(shù)萬小時(shí)以上，可以直接用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場， PLC 已被廣大用戶公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計(jì)時(shí)間比設(shè)計(jì)繼電器系統(tǒng)電路圖的時(shí)間要少得多。 梯形圖語言實(shí)際上是一種面向用戶的一種高級(jí)語言，可編程序控制器在執(zhí)行梯形圖的程序時(shí)，用解釋程序?qū)⑺胺g”成匯編語言后再去執(zhí)行。 PLC 的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 PLC 硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成 主要包括電源、中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊。 當(dāng) PLC 開始上電運(yùn)行時(shí)，首先清除 I/O 映像區(qū)的內(nèi)容，然后進(jìn)行自診斷，確認(rèn)正常后開始掃描。 PLC 的組成 CPU 是 PLC 的核心部分。即用戶通過編程器輸入的用戶程序。 PLC 提供了各種操作電平與驅(qū)動(dòng)能力的 I/O 模塊，以及各種用途的 I/O 組件供用戶選用：輸入 /輸出電平轉(zhuǎn)換 、 電氣隔離 、串 /并行轉(zhuǎn)換 、 數(shù)據(jù)傳送 、 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換 、 誤碼校驗(yàn) 、其他功能模塊 ?？煞譃?簡單型 ，即 只能聯(lián)機(jī)編程；只能用指令清單編程 。例如 通過鍵盤和顯示器去檢測(cè) PLC 內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù) ，或者 通過通訊端口與 CPU 聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)與 PLC 的人機(jī)對(duì)話 。 ： 內(nèi)部 電源： 開關(guān)穩(wěn)壓電源，供內(nèi)部電路使用；大多數(shù)機(jī)型還可以向外提供DC24V 穩(wěn)壓電源，為現(xiàn)場的開關(guān)信號(hào)、外部傳感器供電。下面對(duì)這些表達(dá)方法作簡要說明。在 PLC 中，它是用得最多的一種程序表達(dá)方式。對(duì)每一種邏輯功能都使用一個(gè)運(yùn)算方塊，其運(yùn)算功能由方塊內(nèi)的符號(hào)確定。 高級(jí)語言 大型 PLC 中，為了進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、完成 PID 調(diào)節(jié)等較為復(fù)雜的控制。其工作過程分三個(gè)階段進(jìn)行，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。接著進(jìn)入程序處理階段，在程序執(zhí)行階段或其它階段，即使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映象寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變，輸入狀態(tài)的變化只有在下一個(gè)掃描周期的輸入處理階段才能被采樣到。當(dāng)指令中涉及到輸入、輸出狀態(tài)時(shí)， PLC 從輸入映像寄存器和元件映象寄存器中讀出，根據(jù)用戶程序進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果再存入元件映象寄存器中。 因此， PLC 在一個(gè)掃描周期內(nèi)，對(duì)輸入狀態(tài)的采樣只在輸入采樣階段進(jìn)行。在一個(gè)掃描周期內(nèi)，只在輸出刷新階段才將輸出狀態(tài)從輸出映象寄存器中輸出，對(duì)輸出接口進(jìn)行刷新。 而對(duì)于大中型 PLC，其 I/O 點(diǎn)數(shù)較多，控制功能強(qiáng)，用戶程序較長，為提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，可以采用定期采樣 、定期輸出方式，或中斷輸入、輸出方式以及采用智能 I/O 接口等多種方式。 PLC 機(jī)型 一般來說， PLC 在可靠性上是沒有問題的，機(jī)型的選擇主要是考慮在 功能上滿足系統(tǒng)的要求。 分配 I/O 地址時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： (1)把所有按鈕、行程開關(guān)等集中配置，按順序分配 I/O 地址； (2)每 個(gè) I/O 設(shè)備占用一個(gè) I/O 地址； (3)同一類別的 I/O 設(shè)備點(diǎn)應(yīng)盡量安排在同一區(qū)； (4)彼此有關(guān)的輸出器件，如電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，其輸出地址應(yīng)連續(xù)分配。 (3)繪制 PLC 及 I/O 設(shè)備的供電系統(tǒng)圖。 PLC 類型選擇及模塊選擇 PLC 類型的選擇 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的水平將直接影響控制系統(tǒng)的性能、設(shè)備的可靠性。對(duì)于系統(tǒng)方案要求有分布式系統(tǒng)、遠(yuǎn)程 I/O 系統(tǒng)，還需要考慮網(wǎng)絡(luò)化通訊的要求。對(duì)于系統(tǒng)規(guī)模較大網(wǎng)絡(luò)通訊功能要求高、開放性的分布式控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程 I/O 系統(tǒng)，歐美生產(chǎn)的 PLC 在網(wǎng)絡(luò)通訊功能上更有優(yōu)勢(shì)。在一般情況下， PLC 的 I/O 點(diǎn)應(yīng)該有適當(dāng)?shù)挠嗔?。程序容量是存?chǔ)器中用戶程序所使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此存儲(chǔ)器容量應(yīng)大于程序容量。 PLC 系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要形式有下列幾種形式： (1)PC 為主站，多臺(tái)同型號(hào) PLC 為從站，組成簡易 PLC 網(wǎng)絡(luò)； (2)1 臺(tái) PLC 為主站，其他同型號(hào) PLC 為從站，構(gòu)成主從式 PLC 網(wǎng)絡(luò)； (3)PLC 網(wǎng)絡(luò)通過特定網(wǎng)絡(luò)接口連接到大型 DCS 中作為 DCS 的子網(wǎng)； (4)專用 PLC 網(wǎng)絡(luò) (各廠商的專用 PLC 通信網(wǎng)絡(luò) )。 模塊型 PLC 提供多種 I/O 模塊可以在 PLC 基板上插接，方便用戶根據(jù)需要合 17 理地選擇和配置控制系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)數(shù)。 表 1 FX2N系列的基本單元 型號(hào) 輸入點(diǎn)數(shù) 輸出點(diǎn)數(shù) 擴(kuò)展模塊可用點(diǎn)數(shù) 繼電器輸出 晶閘管輸出 晶體管輸出 FX2N16MR001 FX2N16MS FX2N16MT 8 8 24～ 32 FX2N32MR001 FX2N32MS FX2N32MT 16 16 24～ 32 FX2N48MR001 FX2N48MS FX2N48MT 24 24 48～ 64 FX2N64MR001 FX2N64MS FX2N64MT 32 32 48～ 64 FX2N80MR001 FX2N80MS FX2N80MT 40 40 48～ 64 FX2N128MR001 FX2N128MT 64 64 48～ 64 PLC 擴(kuò)展模塊的選擇 模擬量輸入模塊主要用于連接傳感器或者變送器并接受其電壓信號(hào)或者電流信號(hào)。 18 選擇模擬量輸入、模擬量輸出模塊的主要指標(biāo)為模擬量的范圍、分辨率、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度、數(shù)字位數(shù)及數(shù)字量存儲(chǔ)格式。本控制系統(tǒng)主要是順序控制，功能較為普通，對(duì)特殊功能擴(kuò)展模塊沒有太大需求。 FX2N 列的PLC 的等效編程元件包括輸入繼電器 X、輸出繼電器 Y、定時(shí)器 T、計(jì)數(shù)器 C、輔助繼電器 M、狀態(tài)繼電器 S、數(shù)據(jù)寄存器 D、變址寄存器 V/Z、指針、常數(shù)等。 梯形圖語言（ LD） 梯形圖語言是 PLC 程序設(shè)計(jì)中最常用的編程語言。 梯形圖編程語言與原有的繼電器控制的不同點(diǎn)是，梯形圖中的能流不是實(shí)際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實(shí)際存在的繼電器，應(yīng)用時(shí)，需要與原有繼電器控制的概念區(qū)別對(duì)待。圖 3 就是與圖 2PLC 梯形圖對(duì)應(yīng)的指令表。采用功能模塊圖的形式來表示模塊所具有的功能，不同的功能模塊有不同的功能。每一步代表一個(gè)控制功能任務(wù)，用方框表示。圖 5 是一個(gè)簡單的功能流程編程語言的示意圖。在大中型的 PLC 系統(tǒng)中，常采用結(jié)構(gòu)化文本來描述控制系統(tǒng)中各個(gè)變量的關(guān)系。 結(jié)構(gòu)化文本編程語言的特點(diǎn)：采用高級(jí)語言進(jìn)行編程，可以完成較復(fù)雜的控制運(yùn)算；需要有一定的計(jì)算機(jī)高級(jí)語言的知識(shí)和編程技巧，對(duì)工程設(shè)計(jì)人員要求較高。 比 如，SIMATIC STEP7 MicroWIN 。 梯形圖的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法師目前使用比較廣泛的一種設(shè)計(jì)方法，該方法的核心時(shí)候輸出線圈，這是因?yàn)?PLC 的動(dòng)作就是從線圈輸出的（可以稱為面向輸出線圈的梯形圖設(shè)計(jì)方法）。 （ 2）確定 PLC 的輸入信號(hào)和輸出負(fù)載，以及與它們對(duì)應(yīng)的梯形圖中的輸入位和輸出位的地址，畫出 PLC 的外部接線圖。 對(duì)于輸出的變化完全是按時(shí)間書序動(dòng)作的系統(tǒng)，可以用多個(gè)計(jì)時(shí)器的“接力賽”來實(shí)現(xiàn)其功能，此法稱之為時(shí)序設(shè)計(jì)法。 梯形圖。進(jìn)行狀態(tài)編程時(shí)，一般先繪出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，再轉(zhuǎn)換成狀態(tài)梯形圖（ STL）或指令表。與系統(tǒng)的初始狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的步稱為初始步 , 初始狀態(tài)一般是系統(tǒng)等待起動(dòng)命令的相對(duì)靜止的狀態(tài)。步處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí) , 相應(yīng)的動(dòng)作被執(zhí)行 。步活動(dòng)狀態(tài)習(xí)慣的進(jìn)展方向是從上到下或從左至右 , 在這兩個(gè)方向有向連線上的箭頭可以省略。使系統(tǒng)由當(dāng)前步進(jìn)入下一步的信號(hào)稱為轉(zhuǎn)換條件 , 轉(zhuǎn)換條件可能是外部輸入信號(hào) , 也可能是 PLC 內(nèi)部定時(shí)器、計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的 , 轉(zhuǎn)換條件還可以是若干個(gè)信號(hào)的與、或、非邏輯組合。步是根據(jù)輸出量 Y 的狀態(tài)劃分的 , M 與 Y 之間具有很簡單的“與”邏輯關(guān)系 , 輸出電路的設(shè)計(jì)極為簡單。狀態(tài)編程法的一般設(shè)計(jì)思想是：將一個(gè)復(fù)雜 的控制過程分解為若干個(gè)工作狀態(tài)，弄清各工作狀態(tài)的工作細(xì)節(jié)（狀態(tài)功能、轉(zhuǎn)移條件和轉(zhuǎn)移方向），再依據(jù)總的控制要求，將這些工作狀態(tài)聯(lián)系起來，就構(gòu)成了狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，簡稱為 SFC 圖。 ②建立 SFC 圖。在狀態(tài) S31 之前，有一個(gè)并行序列的合并，還有一個(gè)選擇序列的分支。圖中并行序列合并處的轉(zhuǎn)移有兩個(gè)前級(jí)狀態(tài) S25 和 S30，根據(jù)轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)的基本規(guī)則，當(dāng)它們均為活動(dòng)狀態(tài)并且轉(zhuǎn)移條件滿足時(shí)，將實(shí)現(xiàn)并行序列的合并。 （ 3）進(jìn)行螺釘孔加工和配線工程時(shí)，請(qǐng)不要讓切削落入 PLC 的通風(fēng)窗內(nèi)。 （ 6）安裝完成后，要取掉蒙在 PLC 通風(fēng)窗的防塵罩。 FX 系列 PLC 的外接電源端位于輸出端子板左上角的兩個(gè)接線端。 另外，在進(jìn)行電源接線時(shí)還要注意以下幾點(diǎn)： ① FX 系列 PLC 必須在所有外部設(shè)備通電后才能開始工作 。 ③ 當(dāng)電源瞬間掉電時(shí)間小于 10ms 時(shí)，不影響 PLC 的正常工作。在接地時(shí)要注意以下幾點(diǎn)： ① PLC 的接地線應(yīng)為專用接地線，其直徑應(yīng)在 2mm 以上。 FX 系列的控制單元輸入端子板為兩頭帶螺釘?shù)目刹鹦栋?，外部開關(guān)設(shè)備與 PLC 的之間的輸入信號(hào)均通過輸入端子進(jìn)行連接。 ④ 切勿將外接電源加到交流型 PLC 的內(nèi)藏式直流電源的輸出端子上。 ② 不能將輸出設(shè)備連接到帶“ . ”端子上。 ⑤ 若輸出端接感性負(fù)載時(shí)，需根