PLC在数控系统中的应用分析

段恩甜 ，赵 金

（迪恩机床（中国）有限公司，山东 烟台 264006）

PLC是以单片机为基础，与计算机和网络通信技术相结合的新型控制技术，具有稳定性好、架构模块化、程序简化、接口丰富、操作简便、能耗低、安全系数高等优点[1]。近年来，大部分数控机床生产厂家在机床技术升级时放弃了旧式的继电器和开关按键控制，转而采用PLC控制技术[2]。PLC优化了数控机床的技术性能，降低了工业控制设备的维修频率，提高了产品的加工效率和稳定性，在工业生产中获得了良好的经济效益。本研究从PLC控制系统的原理、作用及应用等角度展开了阐述，以期能为相关企业及技术人员提供有益的借鉴。

1 PLC的工作原理

PLC主要负责对数控机床系统中的各种电气开关进行逻辑切换以及对刀具的轨迹进行逻辑控制。数控系统主要负责数控机床加工参数的配置、加工线程之间的管理和调度以及加工轨迹的运动控制。PLC与数控系统在数控机床的工作中互为补充，通过对切换信息进行调度，以达到对机床的逻辑控制作用，从而保证机床的正常工作。PLC软件的工作模式是以扫描的形式进行的，PLC的工作流程包括采样输入、程序执行、信号输出三个阶段[3]。

1）采样输入阶段。PLC以扫描方式读取各种现场外部输入信号，经过输入模板的整合后，把输入信号存储到输入映像区中[4]。

2）程序执行阶段。PLC通过依次执行用户程序（即梯形图或者指令码）中的逻辑运算，然后按照由上到下、从左到右的顺序将加工后的数据存入输出映像区，以备以后的系统调用，也可以直接用作机床的控制输出。

3）信号输出阶段。当用户程序执行完毕后，CPU根据输出映像区中的数据刷新输出锁存回路，进行扫描和输出。数据寄存器将状态数据从输出图像中抽取出来，并传递给输出模板进行转化，然后将其转化为相应的执行文档，再由输出回路驱动相应的外设[5]。PLC的工作过程如图1所示。

图1 PLC的工作过程图

2 PLC在数控系统中的作用

数控机床的控制器分为数字控制系统和程序控制系统[6]。其中，数字控制系统完成对电机进给运动方向的控制；程序控制系统完成对电机控制部件开关量的控制。PLC是数字控制系统和机器主体的连接，它与机床主机建立了信息交流，并共同完成复杂的程序控制。机床主机、CNC与PLC之间的各种信号流转过程，如图2所示。

图2 机床、CNC与PLC之间的各种信号流转图

分析图中的每个信号，具体描述如下：

1）机床到PLC的信号X，它是从机床一侧发出的代表不同的输入状况的信号，通过一个输入/输出界面传送到PLC，它包括一个开关信号、一个按钮信号和一个状态探测信号。

2）PLC到CNC的信号G，是PLC和CNC之间的连接信号，CNC用来接受PLC的请求，其中一些是一个子程序。例如，PLC向CNC发出的一个停止主轴马达的紧急停止信号以及其他的主轴功能终止信号等，用以通知CNC目前的工作状况已经完成，要求进行其他的工作。

3）CNC到PLC的信号F，是CNC向PLC发送的信号，以表明CNC中的某些操作状况，如CNC向PLC输送的警报信号以及系统准备结束的信号等。

4）由PLC发给机床的信息Y，是由PLC对CNC的F信息进行的反应，并实现了诸如电磁阀、信号灯以及电机正/反向继电器之类的开关，以适应机床的操作要求。

3 PLC在数控机床控制中的实际应用

3.1 在数控机床上的应用形式

目前，常见的PLC技术主要是采用独立式和嵌入式，其中，独立式PLC技术具有广阔的使用前景[6]，其可以让用户根据需要的函数选取最适合的PLC技术，从而达到对数控设备的最优控制；嵌入式PLC技术是一种集成PLC技术，其将NC技术与PLC技术相结合，可以有效地将PLC技术和NC技术进行数据通信，从而加快以内部总线为核心的数据传输速率，极大地提高了信息的传播速度。此外，采用PLC技术与NC技术实现CPU独立运行或共用CPU，可以使整个数控系统运行得更加平稳[7]。

3.2 在数据交换中的应用

利用PLC技术可以实现数控机床和PLC、CNC之间的数据交换，进而精确控制数控机床中的各种电气设备。为确保交流的稳定性和通用性，数控机床针对不同的模块采用了不同的接口，有效地提高了数据的交换效率，实现了可编程控制的终极目标[8]。同时，基于界面的沟通模式，相关人员可以根据自己的实际需要，进行定制化的设置，从而全面提升数控系统的应用价值。

3.3 在功能模块中的应用

将PLC技术应用于数控机床的各个功能模块上，既可以完成对数控机床的控制，又可以实现对数控机床的输入输出信号的控制[9]。CNC实质上是一种自动控制的机器，可以通过控制面板来完成对系统和机器的控制。将PLC技术用于数控加工，并利用计算机程序进行控制，即可对各功能模块进行控制。该方法可以极大地减少信号的损失，从而使数控机床的控制系统更加稳定、可靠。另外，利用PLC技术可以把对应的指令转换成机器语言，并把机器语言传送到CNC机床，保证其能根据指令准确工作，从而达到精确有效控制的目的。

4 结语

综上所述，PLC实现数控机床的电气控制是一种非常有效的方法[10]。在实际使用中，其控制技术灵活、效率高，能很好地适应数控机床的监控要求。若要进行某些比较繁复的加工作业，则可以通过调整控制策略来提升其开发与设计的效率，既可以减少生产费用，又可以改善其品质。随着PLC编程与程序设计的规范化、高级化，其应用范围也越来越广，使得控制中心的控制系统更加灵活、可靠。PLC作为一种通用的现代CNC控制器，已经在工业生产制造中获得了广泛的应用，并取得了可观的经济效益。