第二章 典型数控系统的PLC程序编写与调试
概述
可编程控制器简称PLC，它是在电气控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。 一、PLC的特点
PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多独特的优点，能较好地解决工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其主要优点有:
1. 可靠性高、抗干扰能力强
可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。PLC的平均无故障时间可达几十万小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施。
(1)硬件方面 I/O通道才用光电隔离，有效的抑制了外部干扰源对PLC的影响；对供电电源采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU 等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。
(2)软件方面 PLC采用扫描工作方式，减少了由于外界干扰导致的故障; 在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断：当外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常后，便恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。
2. 编程简单、使用方便
日前，大多数PLC采用的编程语言时梯形图语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。梯形图语言的电路符号和表达式与电气线路图相近，形象、直观，很容易让广大工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。同时， PLC编程器的操作和使用也很简单。这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。
3.功能完善，通用性强
现代PLC不仅具有逻辑运算功、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有 A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网等许多功能。
4.设计安装简单、维护方便
由于PLC软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大大减少。PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小；而且 PLC具有很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC上的指示灯或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。
5.体积小、质量轻、能耗低
由于PLC采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备。 二、PLC的分类
PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同，通常根据其结构形式不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行分类。
1.按结构的形式分类
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根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。
(1)整体式PLC整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一 个机箱内，具有结构紧凑、体积小，价格低等特点O微型PLC一般采用这种整体 式结构。
(2)模块式PLC模块式PLC是将PLC各组成部分，分别制作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块(有的含在CPU模块中)以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。这种PLC的最大特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。
2.按功能分类
根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。 3.按I/O点数分类
根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。
(1)小型PLC I/O点数为256点以下的为小型PLC。其中，I/O点数小于645 点的为超小型或微型PLC. (2)中型PLC I/O点数为256点以上， 2048点以下的为中型PLC。 (3)大型PLC I/O点数为2048点以上的为大型PLC。 数控机床中的PLC通常有两种形式:内装式和独立式。
内装式PLC也称集成式PLC，采用这种方式的数控系统，在设计之初就将 NC和PLC结合起来考虑，NC和PLC之间的信号传递是在内部总线的基础上进行的，因而有较高的交换速度和较宽的信息通道。NC和PLC可以共用一个CPU， 好可以是单独的CPU。这种结构从软件硬件整体上考虑， PLC和NC之间没有多余的导线连接，增加了系统的可靠性，而且NC和PLC之间J易实现许多高级功能， PLC中的信息也能通过CNC的显示器显示，这种方式对于系统的使用具有较大的优势。高档次的数控系统一般都采用这种形式的PLC。
独立式PLC也称外装式PLC，它独立于NC装置，具有独立完成控制的功能。 在采用这种应用方式时，用户可根据自己的特点，选用不同的PLC专业厂商的产品，并且可以更为方便地对控制规模进行调整。
三、PLC的硬件组成
PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等部分组成。其中， CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入输出设备与CPU之间的借口电路，通信接口用于与编程器、 上位计算机等外设连接。下面对PLC主要组成各部分进行简单介绍。 1.中央处理单元（CPU) 在PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面: (1)接收从编程器输入的用户程序和数据。
(2)诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。
(3)通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器中。 (4)从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。
(5)根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。 2.存储器
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存储器主要有两种，一种是可读/可操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。
3.输入/输出单元
输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入接口可以检测到被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。
PLC的I/O接口所能接受的输入输出信号个数称为PLC输入/输出口（I/0）点数。当系统的I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。
4.通信接口 5.智能接口模块 6.编程装置 7电源 8其它外国设备
四、PLC的工作方式
PLC是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时执行多个操作，它只能按分时操作(串行工作)方式，每次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看， PLC外部出现的结果似乎是同时(并行)完成的。这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。
用扫描方式执行用户程序时，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的先后顺序，从上空下、从左至右，逐条执行，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。
整个扫描工作过程执行一遍所需的时间称为扫描周期。扫描周期与CPU运行速度、PLC硬件配置及用户程序长短有关，典型值为1～l OOms。
PLC在行程序的过程分为三个阶段：即幢入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。
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PLC的使用说明
一、PLC的内部软元件 地址符 X Y F G R S K D C 含义 MC→PLC的DI输入 PLC→MC的DO输山 CNC→PLC输入 PLC→CNC输出 PLC内部控制继电器 PLC内部特殊标志 PLC内部掉电保持继电器 数据表 计数器 寻址空间 XO-X255 YO-Y255 F0-Y255 G0-G511 RO-R999 SO-S19 KO-K19 DO-D4095 CO-C79 备注 允许位寻址，只读 允许位寻址 允许位寻址，只读 允许位寻址 允许位寻址 允许位寻址 允许位寻址 允许位寻址 0～9999（CTR） 0～32767（CTRC） 16ms～172800000s (TMR,TMRB) T L P 定时器 标号序号 子程序序号 TO-T79 LO-L9999 PO-P9999 1、输入继电器X X: 输入继电器X与输入端相连，它是专门用来接受机床外部开关信号的元件。PLC通过输入接口将外部输入信号状态(接通时为1，断开时为0)读入并存储在映像寄存器中。
输入继电器必须由外部信号驱动，不能用程序驱动，所以在程序中不可能出现其线圈，其触点的使用次数不限。 2、输出继电器Y 输出继电器Y用来将PLC内部信号输出传送给外部负载(用户输出设备〉。 输出继电器线圈是由PLC内部的程序驱动的，其线圈状态传送给输出单元，再由输出单元驱动外部负载。在输出单元中，每个硬件继电器都对应有唯一一对常开硬触点，但在梯形图中，每一个输出继电器的常开触点和常闭触点可以多次使用。 3、CNC→PLC的输入继电器F → CNC→PLC的输入继电器F属于数控系统的内部信号，使用时不能更改。 4、PLC→CNC的输出继电器G PLC→CNC的输入继电器G属于数控系统的内部信号，使用时不能更改。 5、辅助继电器(R)
辅助继电器是PLC中数量最多的一种继电器，一般的辅助继电器与继电器控制系统中的中间继电器相似。辅助继电器不能直接驱动负载，辅助继电器的常开与常闭触点在PLC内部编程时可无限次使用。每个辅助功能M代码在PLC程序都有对应的R地址。
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