数控系统中PLC的类型及信息交换技术

对于不同的数控系统，所交换的信息内容、数量各有区别，但基本思路和作用是一样的。对于不带PLC的数控系统产品，其信息交换主要以开关量为主，并通过CNC与PLC之间的硬件I/O连接来实现。

1.外置式PLC的信息交换

下面以FAGOR 8025/8030在CK6150数控车床上的应用为例，对外置式PLC的应用作介绍。

（1）CK6150型数控机床结构及控制要求

1）机床结构CK6150型数控车床传动系统如图7-58所示。该数控车床的主轴由7.5kW双速交流异步电动机M2驱动，手动三挡变速，电磁离合器YA1、YA2自动两挡变速，共有12挡速度；在主轴的尾端装有主轴编码器G1，用于速度测量和螺纹加工。进给运动采用1FT-5064型交流伺服电动机M6、M7驱动，SQ1～SQ6分别为X轴和Y轴的正、负向限位开关和参考点开关。该机床采用四工位刀架，M4为刀架电动机，T1～T4为四个刀位检测开关。M1为液压泵电动机，M3为切削液水泵电动机，M5为润滑泵电动机。

图7-58 CK6150型数控车床传动系统示意图

此外，CK6150型数控车床卡盘的卡紧与松开、尾座套筒的伸出与退回都是由液压系统驱动的。图7-59所示是CK6150数控车床液压系统原理图。

2）控制要求 液压起动/停止由按钮SB3、SB2控制，NC起动/停止由按钮SB5、SB4控制。SA1为照明开关，SB1为外部急停按钮。当有紧急情况发生时，按下急停按钮SB1，切断控制回路电源。机床控制面板如图7-60所示。

CK6150型数控车床的主轴采用分挡变速，三个手动挡与四个自动挡组成12挡变速，四个自动挡由MDI按键或零件程序中的S1、S2、S3、S4指令指定，主轴起动/停止受M03/M05指令控制。

液压卡盘的松开、夹紧由脚踏开关SQ1控制。液压尾座可点动伸出（点动左SB7）、连续伸出（连续左SB6）和连续退回（连续右SB8）。

切削液的开关由旋钮SA2和程序中的M08（开）、M09（关）共同控制。导轨润滑采用定时控制，每30min一次，每次10s。

刀架的位置由MDI按键或程序中的T1、T2、T3、T4指令指定。

进给运动可点动进给，也可连续自动进给，由CNC装置控制。如果超过正负向限位，则产生急停报警，按住超程解除按钮SB9后才可再进行点动。

图7-59 CK6150型数控车床液压系统原理图

图7-60 CK6150型数控机床控制面板图

（2）控制电路工作原理

由于CK6150型数控车床采用不含PLC的FAGOR 8025数控系统，因此需要独立配置可编程序逻辑控制器来完成辅助功能的控制。系统采用了SIMATIC S7-200型可编程序逻辑控制器和SIMATIC 611A伺服驱动，其基本工作原理如下。

1）主电路 在图7-61所示的主回路中，三相交流电源通过自动空气开关QF1引入，经过自动空气开关QF2～QF6分配给M1～M5交流异步电动机回路。自动空气开关具有短路保护功能，并起到一定的过载保护功能。

图7-61 CK6150型数控车床主电路原理图

KM1为液压电动机M1的起动和停止控制接触器，KM2、KM3、KM4为主轴电动机M2的高速、低速控制接触器。当KM2吸合KM3、KM4断开时，电动机M2定子绕组三角形接法，4极低速运行；当KM3、KM4吸合KM2断开时，电动机M2定子绕组呈双星形接法，2极高速运行。KM5为冷却泵电动机M3的起动和停止控制接触器，KM6、KM7为刀架电动机M4的正传和反转控制接触器，KM8为润滑泵电动机M5的起动和停止控制接触器。FR1、FR2、FR3分别为M1、M2和M3电动机的过载保护热继电器，由于刀架电动机和润滑电动机的工作时间很短，所以不需要加过载保护。为了提高系统的抗干扰能力，在总电源回路和主轴电动机回路中设置了阻容吸收电路FV1～FV6。

图7-62 FAGOR 8025/8030数控系统外形结构

图7-63 FAGOR 8025/8030数控系统后面板布局

2）CNC接口和控制电路 如图7-62所示为FAGOR 8025/8030数控系统的外形结构。图7-63所示为其背部接口面板的布局。系统采用交流220V电源供电，靠后备锂电池保存机床参数等信息。该系统有两个I/O连接器、五个编码器输入插座、一个电子手轮输入插座、两个串行通信接口。

I/O连接器I/O1、I/O2用来向伺服驱动装置提供模拟电压给定信号；向外部独立型PLC输出辅助功能信号，接受外部PLC送来的同步信号等。

A1～A4端口为四个位置反馈旋转编码器输入15针插座，其中A1用于X轴反馈、A2用于刀具或第4轴反馈、A3用于Z轴反馈、A4用于C轴或第3轴反馈。A5为主轴编码器输入插座，用于主轴转速反馈和螺纹加工。A6为电子手轮输入插座。

如图7-64所示为CNC接口和控制电路原理图。伺服驱动器采用三相交流380V电源供电，三相电源经过自动空气开关QF7引入；FAGOR 8025数控系统采用单相交流220V电源供电，电源经过自动空气开关QF8引入；控制回路采用单相交流110V电源供电，380V电源经过自动空气开关QF9引入后，经过变压器T1和自动空气开关QF10向控制回路供电。KM9为FAGOR 8025数控系统、S7-200可编程序逻辑控制器和直流24V开关电源的电源控制接触器。

图7-64 CK6150型数控车床CNC接口和控制电路原理图

在系统上电后，按下液压起动按钮SB3，接触器KM1吸合并自锁，液压泵电动机得电运转，液压泵开始工作。这时，按下NC起动按钮SB5，接触器KM9吸合并自锁，伺服驱动器、FAGOR 8025数控系统、S7-200可编程序逻辑控制器和直流24V开关电源同时得电，FAGOR 8025数控系统开始自检。

在系统上电后，按下液压起动按钮SB3，接触器KM1吸合并自锁，液压泵电动机得电运转，液压泵开始工作。这时，按下NC起动按钮SB5，接触器KM9吸合并自锁，伺服驱动器、FAGOR 8025数控系统、S7-200可编程序逻辑控制器和直流24V开关电源同时得电，FAGOR 8025数控系统开始自检。

FAGOR 8025数控系统自检结束后，在没有外部急停报警的情况下，从I/O1口输出X轴、Z轴伺服使能信号，通过继电器KA1、KA2转接后，分别接通SI-MATIC 611A伺服驱动电源的X331、X332的65、9端，伺服驱动器开始工作。当手动方式点动或者自动执行程序进给时，如果来自PLC的进给保持信号无效，则数控系统通过I/O1口输出0～±10V模拟给定信号到SIMODRIVE 611A伺服驱动器的X331、X332的56、14端，伺服驱动器开始工作，驱动伺服电动机M6、M7运转。在伺服电动机上同轴安装这两个传感器，一个是转子位置和速度测量传感器T，另一个是用于位置测量反馈的旋转编码器G。两个伺服电动机的转子位置和速度反馈信号分别接到伺服驱动器的X311、X313上，旋转编码器输出的位置测量反馈信号接到FAGOR 8025数控系统的A1、A3接口。

在伺服驱动器上电后，也要进行自检，如果自检正常，则输出一个伺服准备好开关信号给PLC的I2.0。在工作过程中，SIMODRIVE 611A具有电动机过热、过载保护功能，一旦检测到电动机过热，过热保护继电器动作，向PLC的I2.1口发出伺服热保护信号，产生急停报警。

其他像主轴起/停、换挡、换刀等辅助动作，由FAGOR 8025数控系统通过I/O1、I/O2接口，将工作方式、辅助控制命令等信号送到PLC处理控制。有些辅助动作的处理控制结果还要由PLC送回数控系统的I/O1接口，通过进给保持信号同步程序的执行。

3）PLC接口电路 在图7-65所示的PLC接口电路中，由SIEMENS S7-200系列CPU 226主单元（直流24V输入/16输出）和EM221（8输入）直流24V输入扩展单元、EM222（8出）继电器输出扩展单元组成56点可编程序逻辑控制器。

切削液开关SA2、尾座操作按钮SB6～SB8、超程解除按钮SB9分别接至PLC的I0.0～I0.4输入端，用于手动操作。液压电动机控制接触器辅助触点KM1、主轴电动机控制接触器辅助触点KM2、KM3分别接至PLC的I0.5～I0.7输入端，用于联锁控制。四个刀位检测开关T1～T4分别接至PLC的I1.0～I1.3输入端，用于换刀控制。X轴、Z轴正负向限位开关SQ1、SQ2、SQ4、SQ5分别接至PLC的I1.4、I1.5输入端，用于超程报警。伺服准备好信号和电动机过热信号分别接至PLC的I2.0、I2.1输入端，用于急停报警。来自FAGOR 8025数控系统的MST选通信号、工作方式（JOG）信号、NC急停信号和复位信号、辅助功能编码（MST01～MST20）信号分别接至PLC的I2.2～I2.7、I3.0～I3.5输入端，用于辅助功能控制。各输入接点的公共端1M～4M均与24V开关电源的输出负极M相连。

图7-65 CK6150型数控车床PLC控制电路原理图

可编程序逻辑控制器的继电器输出Q0.0～Q0.7的公共端COM1与控制电路的6号线相连，当液压泵电动机起动后，控制回路的交流110V电源加到COM1端，通过PLC的继电器输出Q0.0～Q0.5分别控制接触器线圈KM2～KM8的通/断电，从而控制主轴电动机高速/低速、切削液电动机起动/停止、刀架正转/反转、润滑电动机起动/停止。PLC的继电器输出Q1.0～Q1.7的公共端COM2和Q2.0～Q2.7的公共端COM3与24V开关电源的正极输出L+相连。PLC的继电器输出Q1.0～Q1.6分别控制24V直流电磁阀YV1～YV4和电磁铁YA1～YA3的通/断电，从而控制卡盘的夹紧/松开、尾座的伸出/退回、主轴高速挡/低速挡和主轴的制动。PLC的继电器输出Q2.0～Q2.4分别控制24V指示灯HL2～HL6的通/断电，分别用于急停报警、卡盘夹紧、X轴超程、Z轴超程和尾座顶紧的指示。PLC的继电器输出Q2.5与FAGOR 8025数控系统I/O1口的14端相连，用于将外部急停报警信号送给数控系统；PLC的继电器输出Q2.6与FAGOR 8025数控系统I/O1口的15端相连，用于将进给保持信号送给数控系统，同步零件程序的执行。

（3）PLC程序分析

由于CK6150数控机床的辅助控制逻辑较为复杂，单纯用接触器-继电器控制逻辑实现比较困难，因此，采用了独立于CNC之外的S7-200可编程序逻辑控制器来完成辅助控制功能。遵循结构化程序设计原则，PLC程序采用“主程序-子程序”结构，以方便PLC程序的设计和调试。

1）PLC主程序 如图7-66所示为CK6150数控车床的PLC控制主程序梯形图。在PLC主程序中，首先把CNC送到IB3口的MST代码（BCD码）与63（3FH）相“与”，屏蔽掉I3.6、I3.7，并在M选通、S选通、T选通信号的作用下，分别将M代码转存到MB1，S代码转存到MB2，T代码转存到MB3；然后，

图7-66 数控车床PLC控制主程序梯形图

无条件（SM0.0）调用主轴控制子程序、液压卡盘和液压尾座控制子程序、冷却和润滑控制子程序、换刀控制子程序、急停和进给保持控制子程序。

2）主要子程序

①液压卡盘和液压尾座控制子程序，其梯形图如图7-67所示。这两种动作的控制都是在手动JOG（I2.5）方式下进行的。

图7-67 液压卡盘、尾座控制PLC子程序梯形图

液压卡盘的夹紧和松开是由一个脚踏开关SQ7控制的，第一次踩踏时夹紧，第二次踩踏时松开。因此，将这个开关的闭合信号转换成脉冲信号M0.3，然后用M0.3脉冲去置位Q1.0、复位Q1.1，或者复位Q1.0、置位Q1.1。

液压尾座的伸出和退回由按钮SB6（I0.1）、SB7（I0.2）和SB8（I0.3）控制的。按下连续左按钮I0.1，尾座伸出Q1.0有效并自锁，同时解除Q1.1，尾座连续伸出。按下点动左按钮I0.2，尾座伸出Q1.0有效，同时解除Q1.1，尾座伸出；放开I0.2后，尾座伸出Q1.0解除，尾座停止。按下连续右按钮I0.3，尾座退回Q1.1有效并自锁，同时解除Q1.0，尾座连续退回。

图7-68 冷却和润滑控制PLC子程序梯形图

②冷却和润滑控制子程序，其梯形图如图7-68所示。

切削液的开/关由手动旋钮SA2（I0.0）和M功能指令M08、M09共同控制。自动方式（I2.5=0）时，在M选通信号的作用下，判断MB1的值，如果等于08则置位M0.2，如果等于09则复位M0.2；手动旋钮SA2闭合（I0.0=1）或者M0.2=1时，开启Q0.2。

润滑泵的起动/停止由定时器T37（10s）、T38（30min）控制，在无急停报警的情况下，每30min润滑一次，每次10s。

③换刀控制子程序，其梯形图如图7-69所示。在这个梯形图中，用字节传送指令将当前刀位开关信号（I1.0～I1.3）转换成当前刀号代码（1～4），并存放到MB4中。当执行换刀指令时，在T选通信号的作用下，将指令刀号MB5与当前刀号MB4进行比较，如果不相等则置位Q0.3、复位Q0.4，刀架电动机正转，刀架开始旋转；当转到预定的刀位时，当前刀号MB4与指令刀号MB3相等，复位Q0.3，刀架停止正转；在Q0.3闭合脉冲的作用下，置位Q0.4，刀架电动机开始反转，刀架下降锁紧；定时器T40延时4s后，复位Q0.4，换刀动作结束。

图7-69 换刀控制PLC子程序梯形图

④主轴控制子程序，其梯形图如图7-70所示。首先执行S指令，指定速度

图7-70 主轴控制PLC子程序梯形图

挡，然后执行M03指令，置位M0.1，根据S指令代码MB2不同，产生相应的输出组合（Q0.0、Q0.1、Q1.4、Q1.5），从而起动主轴按预定的转速运转。当执行M05、M30（MB1=48）指令或者NC复位急停时，复位M0.1，主轴停止并接通制动电磁铁（Q1.6）制动；制动2s后，定时器T41动作，释放制动电磁铁。

⑤急停、进给保持控制子程序，其梯形图如图7-71所示。急停和进给保持是PLC送给CNC的辅助控制反馈、同步信号，用来反馈辅助控制信息，同步NC程

图7-71 急停、进给保持控制PLC程序梯形图

序的执行。当出现X轴越限、Z轴越限、液压泵过载、主轴过载或者伺服电动机过热时，发出急停控制信号Q2.5，通知CNC进行急停处理。

在换刀（Q0.3=1或Q0.4=1）期间，或者在自动工作方式而主轴还没有起动的情况下，向CNC发进给保持信号（Q2.6），使CNC锁定进给，保证机床安全。

通过对上述应用实例分析，可以清楚地看出独立型PLC与CNC装置之间、PLC与机床侧的开关量之间的I/O连接关系；并通过PLC程序设计，使CNC装置、PLC和数控机床三者紧密结合在了一起，形成一个有机整体，从而控制数控机床有条不紊地工作。

2.内置式PLC信息交换的实现

对于内装PLC的数控系统产品，不仅可通过开关量交换信息，而且可以通过内部寄存器、内部标志位等交换信息，在CNC与PLC之间无需硬件I/O连接，数据处理能力强，可靠性高，是数控系统发展的方向。

（1）PLC在数控机床中的功能

1）操作面板的控制 操作面板的控制分为两个部分：一个是系统操作面板的控制，另一个是机床操作面板的控制。系统操作面板信息传递如图7-72a所示，系统操作面板输入的数控加工程序经过NC编译处理后，送至PLC和伺服系统，控制机床动作。机床控制面板的信息传递如图7-72b所示，机床操作面板的各种开关信号经PLC处理后，分别送CNC和数控机床。

图7-72 控制面板信息传递

a）系统操作面板信息传递 b）机床控制面板信息传递

2）机床外部开关输入信号 将机床侧的开关信号输入PLC，进行逻辑运算，运算的结果用于对机床的控制。

3）输出信号控制PLC将用于控制的信号经过接口以及外围电路中的继电器、接触器、电磁阀等输出给控制对象。

4）M、S、T功能的实现 辅助完成辅助功能、主轴转速调整及刀具交换等。

（2）SINUMERIK 802S/C base line系统PLC信息交换

1）系统端口定义 内部带PLC的SINUMERIK 802 S/C base line数控系统，其PLC是SIEMENS S7-200型PLC系统的一个的子集，支持大部分S7-200系统的编程指令。其背部接口X100～X105共48点，PLC外部数字输入端，如表7-3所示。其输出接口X200～X201共16点，为PLC外部输出数字端口，如表7-4所示。

表7-3 数字输入接口引脚分配

表7-4 数字输出接口引脚分配

2）内部资源配置PLC支持位存取、字节存取、字存取、双字存取。PLC地址定义及范围如表7-5所示，地址区V的组成如图7-73所示。

表7-5 PLC地址定义及范围

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（续）

该系统内部与PLC有关的信号流向及与外部的连接如图7-74所示。其中，MMC为系统人机交互逻辑模块，主要用来处理通过系统显示器来交互操作的事件，如系统报警等；MSTT为机床控制面板（MCP）逻辑控制模块，主要用来处理与机床操作相关的信息的处理。

图7-73 地址区V的组成

图7-74 SINUMERIK 802S/C base line 中PLC与CNC装置的逻辑连接

3）CNC与PLC之间的信息交换 各逻辑模块间信息传递的物理量如附录A所示。

可以看出，在数控系统内部CNC和PLC之间交换的数据内容很多，也很复杂，主要是通过标志位进行信息的相互传递，信息内容涵盖了机床操作方式、功能等全部的开关量。

4）PLC程序的编辑调试工具PLC程序的编辑通常通过专门的软件Pro-gramming Tool PLC 802来完成。图7-75所示为Programming Tool PLC 802的操作编程界面。

使用编程工具软件Programming Tool PLC 802时，应注意以下几点：

①PLC与计算机的通信电缆必须按照RS232接口要求接线。

②在SINUMERIK 802S/C base line系统中选择联机波特率，其路径是：“诊断”→“调试”→“STEP 7连接”。

图7-75 Programming Tool PLC 802工作界面

③在SINUMERIK 802S/C base line系统中激活“STEP 7连接”。

④在Programming Tool PLC 802中，在“PLC”菜单下的“Type”项中选择“PLC Type”为“SINUMERIK 802S/C”，否则可能导致PLC运行错误。

⑤对于编译错误，可打开“编译诊断窗口”，查看哪个子程序中的哪个网络的第几行第几列有何错误。

⑥对于运行错误，可根据SINU-MERIK 802S/C base line系统屏幕上的报警信息进行诊断。

5）PLC程序结构

SINUMERIK 802S/C base line在出厂前已经内装了PLC实例应用程序，另外还在工具盒中提供了一个PLC子程序库。如果内装的实例程序不能满足机床控制的要求，则可以编写自己的PLC应用程序，否则直接调用实例程序，设定好相关参数即可。

机床操作面板各键定义如图7-76所示，输入信号端口说明如表7-6所示，输出信号端口说明如表7-7所示。

图7-76 机床操作面板各键定义

表7-6 输入信号端口

表7-7 输出信号端口

在此实例PLC程序中，主要采用主程序调用子程序的模块化编程原理，主要完成以下功能。

①PLC初始化：

激活测量系统1；

通道和轴接口的进给倍率生效；

参数有效性检测（在子程序31中实现）。

②急停处理：

急停按钮处理；

611U电源模块上电与下电时序控制（T48，T63，T64）；

611U电源模块的状态监控（T72为驱动器就绪，T52为通用变压器报警）（这两个状态反馈信号也可以激活急停）。

③信号处理：

操作方式选择；

NC起动、停止、复位；

主轴手动操作（主轴正转、反转和停止）；

点动键处理（根据PLC参数）；

由HMI接口选择手轮（SBR39、HMI、HW）。

④坐标轴控制：

各个坐标轴的使能控制（包括主轴）；

硬限位处理（单或双开关逻辑）或超程链；

参考点开关监控；

步进驱动器的旋转监控；

进给电动机抱闸释放。

⑤接触器控制的主轴：

主轴使能；

主轴手动操作（手动方式下正转、反转和停止）；

在自动或MDA方式下，可直接编程M03和M04，PLC自动在M03和M04之间加入制动输出；

外部主轴制动控制。

⑥模拟主轴：

单极性模拟主轴（0～10V）和双极性模拟主轴（±10V）；

单极性主轴的正使能由Q0.0，负使能由Q0.1引出；

双极性主轴使能由系统的X7（Pin 17和Pin 50）引出；

主轴手动操作（手动方式下正转、反转和停止）；

主轴程序控制（自动和MDA方式）。

⑦车床刀架控制：

适用于4或6工位霍尔元件简易刀架；

刀架锁紧监控（锁紧时间由PLC机床参数设定）；

刀架刀位反馈监控；

换刀过程监控（如果在一定时间内没有找到目标刀具，自动停止）；

换刀时进给停止。

⑧切削液控制：

手动方式下，用户键K6起动或关闭切削液；

自动和MDA方式下，M07、M08起动切削液，M09关闭切削液；

切削液位和冷却电动机过载监控。

⑨导轨润滑：

用户键K5起动润滑一次；

定时定量润滑（根据PLC参数设定的间隔和润滑时间）。

⑩卡紧放松控制：

用于车床的卡盘卡紧和放松；

用于铣床的刀具卡紧和放松。

⑪伺服驱动器优化时刀具抱闸的释放控制：

组合键由PLC机床参数激活（只用于611U对带抱闸电动机的优化）；

组合键：

+→抱闸释放；

+→抱闸锁紧；

抱闸释放时可以产生PLC报警，以提示调试人员注意。

实例程序是为不同的机床接线而设计，即任何输入位既可以按常开连接也可以按常闭连接；DI16和DO16输入/输出可以通过子程序，按照PLC机床数据MD14512[0]～[3]和MD14512[4]～[7]进行滤波预处理。

输入/输出数据滤波预处理的基本原理如图7-77所示，表示了物理输入信号与内部缓存信号之间的关系。实用程序中，所有子程序均按常开逻辑设计，且M100.0表示输入位I0.0，M101.2表示I1.2，M102.3表示Q0.3，M103.4表示Q1.4，依此类推。子程序库中的所有子程序均独立于物理输入/输出。

在实例程序中，所有的输入点均按常开连接，即高电平有效。例如I0.7在实例程序中定义为“急停”，当I0.7为“1”时，PLC激活“急停”。如果实际应用中“急停”为常闭连接，则需要通过PLC参数MD14512[2]第7位，将输入I0.7设置为“常闭”逻辑。

（3）FANUC 0i-B/0i Mate-B系统PLC信息交换

FANUC系统CNC与PLC信息交换的内容相似，但是各数据位的地址不同，且其表示符号也不同。图7-78所示为FANUC 0i-B系统PLC信息交换地址分配图，详细内容请读者查阅相应的调试手册。

图7-77 输入/输出数据滤波预处理

图7-78 FANUC 0i-B系统PLC信息交换地址分配