西门子模块6ES7231-7PD22-0XA8一级代理
一、PLC和NC的关系
PLC用于通用设备的自动控制，称为可编程控制器。PLC用于数控机床的外围辅助电气的控制，称为可编程序机床控制器。在很多数控系统中将其称之为PMC（programmable machine tool controller）。数控系统有两大部分，一是NC、二是PLC，这两者在数控机床所起的作用范围是不相同的。可以这样来划分NC和PLC的作用范围：
1、 实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规律的数字控制。这个任务是由NC来完成；
2、 机床辅助设备的控制是由PLC来完成。它是在数控机床运行过程中，根据CNC内部标志以及机床的各控制开关、检测元件、运行部件的状态，按照程序设定的控制逻辑对诸如刀库运动、换刀机构、冷却液等的运行进行控制。
在数控机床中这两种控制任务，是密不可分的，它们按照上面的原则进行了分工，也按照一定的方式进行连接。NC和PLC的接口方式遵循“ISSO 4336-1981（E）机床数字控制－数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范”的规定，接口分为四种类型：
1、与驱动命令有关的连接电路；
2、数控装置与测量系统和测量传感器间的连接电路；
3、电源及保护电路；
4、通断信号及代码信号连接电路；
从接口分类的标准来看，类、第二类连接电路传送的是数控装置与伺服单元、伺服电机、位置检测以及数据检测装置之间控制信息。第三类是由数控机床强电电路中的电源控制控制电路构成。通常由电源变压器、控制变压器、各种断路器、保护开关、继电器、接触器等等构成。为其他电机、电磁阀、电磁铁等执行元件供电。这些相对于数控系统来讲，属于强电回路。这些强电回路是不能够和控制系统的弱电回路，直接相连接的，只能够通过中间继电器等电子元器件转换成直流低压下工作的开关信号，才能够成为PLC或继电器逻辑控制电路的可接受的电信号。PLC或继电器逻辑控制来的控制信号，也必须经过中间继电器或转换电路变成能连接到强电线路的信号，再由强电回路驱动执行元件工作。第四类信号是数控装置向外部传送的输入输出控制信号。
二、PLC在数控机床中的应用
1、 PLC在数控机床中的应用形式
PLC在数控机床中应用，通常有两种形式：一种称为内装式；一种称为独立式。
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，有较高的较高交换速度和较宽的信息通道。它们可以共用一个CPU也可以是单独的CPU这种结构从软硬件整体上考虑, PLC 和NC 之间没有多余的导线连接, 增加了系统的可靠性, NC 和PLC 之间易实现许多功能。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。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，具有独立完成控制功能的PLC。在采用这种应用方式式，可根据用户自己的的特点，选用不同PLC厂商的产品，并且可以更为方便的对控制规模进行调整。
2、PLC与数控系统及数控机床间的信息交换
相对于PLC，机床和NC就是外部。PLC与机床以及NC之间的信息交换，对于PLC的功能发挥，是非常重要的。PLC与外部的信息交换，通常有四个部分：
（1）、机床侧至PLC：机床侧的开关量信号通过I/O单元接口输入到PLC中，除极少数信号外，绝大多数信号的含义及所配置的输入地址，均可由PLC程序编制者或者是程序使用者自行定义。数控机床生产厂家可以方便的根据机床的功能和配置，对PLC程序和地址分配进行修改。
（2）、PLC至机床：PLC的控制信号通过PLC的输出接口送到机床侧，所有输出信号的含义和输出地址也是由PLC程序编制者或者是使用者自行定义。
（3）、NC至PLC：CNC至PLC:CNC送至PLC的信息可由CNC 直接送入PLC的寄存器中,所有CNC送至PLC的信号含义和地址（开关量地址或寄存器地址） 均由CNC 厂家确定,PLC编程者只可使用不可改变和增删。如数控指令的M、S、T 功能,通过CNC译码后直接送入PLC相应的寄存器中。
（4） PLC至CNC : PLC 送至CNC 的信息也由开关量信号或寄存器完成,所有PLC送至CNC的信号地址与含义由CNC 厂家确定,PLC 编程者只可使用,不可改变和增删。
3、PLC在数控机床中的工作流程
PLC在数控机床中的工作流程，和通常的PLC工作流程基本上是一致的，分为以下几个步骤：
（1）、输入采样：输入采样，就是PLC以顺序扫描的方式读入所有输入端口的信号状态，并将此状态，读入到输入映象寄存器中。当然，在程序运行周期中这些信号状态是不会变化的，除非一个新的扫描周期的到来，并且原来端口信号状态已经改变，读到输入映象寄存器的信号状态才会发生变化。
（2）、程序执行：程序执行阶段系统会对程序进行特定顺序的扫描，并且读入输入映像寄存区、输出映像寄存区的读取相关数据，在进行相关运算后，将运算结果存入输出映像寄存区供输出和下次运行使用。
（3）、出刷新阶段：在所指令执行完成后，输出映像寄存区的所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过特定方式输出，驱动外部负载。
4、 PLC在数控机床中的控制功能
（1）、操作面板的控制。操作面板分为系统操作面板和机床操作面板。系统操作面板的控制信号先是进入NC，由NC送到PLC，控制数控机床的运行。机床操作面板控制信号，直接进入PLC，控制机床的运行。
（2）、机床外部开关输入信号。将机床侧的开关信号输入到送入PLC，进行逻辑运算。这些开关信号，包括很多检测元件信号（如：行程开关、接近开关、模式选择开关等等）
（3）、输出信号控制：PLC输出信号经外围控制电路中的继电器、接触器、电磁阀等输出给控制对象。
（4）、功能实现。系统送出T指令给PLC，经过译码，在数据表内检索，找到T代码指定的刀号，并与主轴刀号进行比较。如果不符，发出换刀指令，刀具换刀，换刀完成后，系统发出完成信号。
（5）、M功能实现。系统送出M指令给PLC，经过译码，输出控制信号，控制主轴正反转和启动停止等等。M指令完成，系统发出完成信号。
三、PLC与数控机床外围电路的关系
如前所述，PLC在数控机床中用来控制机床的强电回路（通过一些电器元件）。为了更好了解数控机床的PLC的控制功能，就有必要对PLC和外围电路的关系进行分析。
1、 PLC对外围电路的控制
数控机床通过PLC对机床的辅助设备进行控制，PLC对对外围电路的控制来实现对辅助设备的控制的。PLC接受NC的控制信号以及外部反馈信号，经过逻辑运算、处理将结果以信号的形式输出。输出信号从PLC的输出模块输出，有些信号经过中间继电器控制接触器控制具体的执行机构动作，从而实现对外围辅助机构的控制。有些信号不需要通过中间环节的处理直接用于控制外部设施，比如说，有些直接用低压电源驱动的设备（如：面板上的指示灯）。也就是说每一个外部设备（使用PLC控制的）都是由PLC的一路控制信号来控制的，也就是说每一个外部设备（使用PLC控制的）都在PLC中和一个PLC输出地址相对应。
PLC对外围设备的控制，不仅仅是要输出信号控制设备、设施的动作，还要接受外部反馈信号，以监控这些设备设施的状态。在数控机床中用于检测机床状态的设备或元件主要有，温度传感器、震动传感器、行程开关、接近开关等等。这些检测信号有些是可以直接输入到PLC的端口，有些必须要经过一些中间环节才能够输入到PLC的输入端口。
无论是输入还是输出，PLC都必须要通过外围电路才能够控制机床的辅助设施的动作。在PLC和外围电路的关系中，重要的一点就是外部信号和PLC内部信号处理的对应。这种对应关系就是前面所说的地址分配，就是将每一个PLC中地址和外围电路每一路信号相对应。这个工作是在机床生产过程中，编制和该机床相对应的PLC程序时，由PLC程序编制工程师定义。当然做这样的定义必须遵循必要的规则，以使PLC程序符合系统的要求。
（1）PLC与信号输入回路
如图2-1所示为一种数控机床的电气手册的输入单元电器图的一部分，从图上可以看到这是一个插座或者是某一个输入接口的针脚，对应与外外围电路的某一个元件、开关、旋钮有对应与PLC内部的输入地址。
从行开始，一个按钮开关或者是摇头开关接入线号为191号的回路中.191号线接到C71号插座的16号脚，16号脚对应于PLC的输入地址为X10001.3，该地址被定义为Manual absolute （手动值）。从图上所描述的，可以知道S27号按钮适用于控制手动值是否有效的开关。这个开关的通断状态，通过191号线接入到插座C71上的16号脚，16号脚再将这个信号输入到PLC中,这个信号在PLC中的地址为X1001.3。通过这种定义方式，就将PLC中的信号和外围电路相对应起来。就可以通过查看PLC中的X1001.3的状态，来确定外部按钮开关的状态。
我们从图上可以看到在图上右侧文字叙述是该信号的意义，随后在其左边的是输入信号地址，更左边的是插座上的针脚号，再左边的是外围电路的线号和开关器件号。这一幅图是某机床电路图，该图是遵循通用标准来绘制，通过该图我们可以看到一些具有普遍意义的原则。比如说，编制PLC程序时可能会把相近的开关（从用途和分布位置上）检测元件等等的地址设定在一起。从这一幅图我们可以看到，C71上的输入信号基本上都是面板上的按钮开关或摇头开关。它们的信号类型和位置分布上是非常接近的，它们的输入地址（在PLC输入端）也是顺序分布。在这一幅图所属的电气手册上可以查到，C71一共有50个针脚，除去用于公共端、24V电源的脚以外，其他针脚的输入地址是从X1000.0到1004.7顺序分布。
通常情况下PLC的地址由3部分组成：1：地址类型；2：地址号；3：位号。每一个地址号下有8个地址位，每一个地址表示不同的信号。下表是中有文字描述的部分是，图4－1所示的I/O地址。
表4-1输入信号列表
从图4-1上可以看到几个要素：1、元器件号；2、线号；3、插槽或插座号；4、针脚号；
5、PLC输入地址号。我们可以知道这几个号码，在控制逻辑上是有对应关系的。不仅仅是在绘制此类图形时，要考虑他们之间的关系，在设计外围电路，编制PLC程序时也要考虑它们之间的关系。事实上，不仅是在设计制造机床时要考虑它们之间的对应关系，在使用机床、维修、维护机床时也要依据它们之间的对应关系和控制逻辑。
图4-1上所示的外部按钮等元件位置可在图4-4中查找到。
2、PLC输出信号控制相关的执行元件
前面图例描述了输入信号在PLC中的地址分配以及PLC输入地址与外部开关、旋钮和插座、电缆之间的对应关系。
我们知道在数控机床中，不仅仅是输入信号和外部电路涉及到对应关系，输出信号和外围控制电路以及要驱动的设备之间也存在作相应的对应关系。在随后列出的两幅图例，都是PLC输出信号和外围电路的连接图，这两幅图在所表达的控制关系上是不一样的。幅图所表示的是PLC输出信号可以直接驱动外部装置（这些装置通常是一些LED、灯），第二幅图表示的是PLC的输出信号必须经过中间继电器才能够控制终的设备。这是因为幅图中所示的外部元件是一些小功率元件（主要是一些表示机床状态的指示灯），而第二幅图所示的外部设备是大功率元件。
从这两幅图我们可以看到PLC输出地址和外部电路之间的关系：1：外部执行元件或设施是受PLC控制的；2：PLC的每一个输出信号对应着一个输出地址；3：每一个输出地址对应着一个插座或插头的针脚；4：每一个针脚对应着外围电路的一根线（用线号标示）；5：每一个线号对应着一个设备、元件（或者通过一些中间元件）；
在设计PLC的程序时，必须要考虑数控机床会用到那些设备，那些设备是可以有PLC直接驱动的，那些设备必须经过继电器、接触器等中间环节才能够驱动，以及这些设备的控制信号通过哪个地址号输出。在使用数控机床过程中，我们可以通过阅读电气手册,熟悉机床设施的控制运行方式，方便的维护机床。
表4-2输出信号列表
表4-2第二列、第三列，列明了所要控制的外部元件，这些元件可在图2-4中找到。通过这些图表，我们可以清楚的看到PLC和外部元件之间的关系。
表4-3输出信号列表
表4-3对图4-3进行了描述，从图4-3和表4-3可以看出这些输出信号是对继电器进行控制，这些元件可以在图4-5中查到。
图4-5所示为该机床的继电器板，PLC的一些输出信号通过继电器板输出，控制其它元件。
一 引言
可编程控制器是专门为工业控制设计的，在设计和制造过程中厂家采取了多层次抗干扰措施，使系统能在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作。运行的稳定性和可靠性很高，PLC整机平均无故障工作时间高达几万小时。随着计算机技术的发展，PLC的功能也越来越强，使用越来越方便，在工业控制系统中使用日益广泛。整机的可靠性高只是保证系统可靠工作的前提，还必须在设计和安装PLC系统过程中采用相应的措施，才能保证系统可靠工作。本文主要论述在设计和安装PLC系统过程中的干扰措施。
二 PLC系统的基本组成结构
可编程控制器硬件系统由PLC主机、功能I/O单元和外部设备组成,如图1所示。其中PLC主机由CPU、存储器、基本I/O模块、I/O扩展接口、外设接口和电源等部分组成，各部分之间由内部系统总线连接。
三 PLC系统设计时的抗干扰措施
3.1 硬件措施
（1） 屏蔽:对电源变压器、中央处理器、编程器等主要部件，采用导电、导磁性良好的材料进行屏蔽处理，以防止外界干扰信号的影响。
（2） 滤波:对供电系统计输入线路采用多种形式的滤波处理，以消除和抑制高频干扰信号，也削弱了个模块间的相互影响。
（3） 电源调整与保护:电源波动造成电压畸变或毛刺，将对PLC及I/O模块产生不良影响。对微处理器核心部件所需要的＋5V电源采用多级滤波处理，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。尽量时电源线平行走线，时电源线对地呈低阻抗，以减少电源噪声干扰。其屏蔽层接地方式不同，对干扰抑制效果不一样，一般次级线圈不能接地。输入、输出线应用双绞线且屏蔽层应可靠接地，以抑制共摸干扰。
（4） 隔离:在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地把他们各离开来，以防外部的干扰信号及地线环路中产生的噪声电信号通过公共地线进入PLC本机，从而影响其正常工作。
（5） 采用模块式结构:这种结构有助于在故障发生时进行短时期修复，一旦查出某一模块出现故障，可迅速更换，使系统恢复正常工作，也有助于加速查找系统故障的原因。
3.2 软件措施
为了提高输入信号的信噪比，常采用软件数字滤波来提高有用信号真实性。对于有大幅度随机干扰的系统，采用程序限幅法，即连续采样5次，若某一次采样支援远大于其他几次采样的幅值，那么就舍取之。对于流量、压力、液面、位移等参数，往往在一定范围内频繁波动，则采用算术平均法。即用n次采样的平均值来代替当前值。一般认为:流量n=12，压力n=4合适。
（1） 故障诊断:系统软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等，以便及时反映和处理。
（2） 信号保护和恢复:当偶尔性故障发生时，不破坏PLC内部的信息，一旦故障现象消失，就可以恢复正常，继续原来的工作。
（3） 设置警戒时钟WDT:如果程序循环扫描执行时间超过了WDT规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警。
（4） 加强对程序的检查和校验:一旦程序有错，立即报警，并停止执行程序。
（5） 对程序及动态数据进行电池后备:当停电时利用后备电池供电，保持有关信息和状态数据不丢失。
四 PLC系统安装时的抗干扰措施
PLC各部分的组成和系统连接及装配方法必须严格按照说明书上安装要求进行，这一点非常重要，是保证系统可靠运行的基本条件。
4.1 电源接线和地线接线
要合理布置电源线，强电与弱电要严格分开，且弱电电源线要尽量加。
接地在消除干扰上起很大的作用。交流地是PLC控制系统供电所必需的，它通过变压器中心点构成供电两条回路之一。这条会路上的电流、各种谐波电流等是个严重的干扰元。交流地线、直流地线、模拟地和数字地等必须分开。数字地和模拟地的共点地好置悬浮方式。地线各点之间的电位差尽可能小，尽量加粗地线，有条件可采用环形地线。
系统地端子（LG）是抗干扰的中性端子，通常不需要接地，可是，当电磁干扰比较严重时，这个端子需与接大地的端子（GR）连接。为防止电流冲击，应使用截面积大于2mm2的14＃专用接地线将GR端与大地相接，接地电阻应小于100Ω，接地长度小于20m。
4.2 输出端子的接线
（1） 当几个外部设备连接带一个电源上时，应使用短接片将其输出端子对应的公共端子短接。输出端可以使用不同的电压，这时其对应的公共端应分别接入不同的电压源。
（2）交流输出线与直流输出线不能使用同一根电缆。输出线应远离高压线核动力线，且不得并行。不得将外部设备连接到带“·”的输出端上。
（3） 输出回路中应有熔断器保护PLC的输出元件。流入输出端子的大电流不应超过PLC的允许值，否则必须外接接触器或继电器。同样，若负载电流低于规定的小值时，应并联一个阻容吸收电路，如图2所示。电阻取50Ω，电容取0.1μf。
（4） 电感性负载断电时会产生很大的自感电动势，当电路接通时，起触点处将产生电弧，严重时，发生触点烧结。要在电感线圈上并联一个续流二极管。如图3所示。
4.3 电缆的敷设
当动力电缆超过10A/400V或20A/220V，若要求与输入输出电缆并行放置，那么在两者之间至少相隔300 mm。
如果将它们放在一个槽内时，它们之间必须间隔100 mm以上，且一定要用接地的金属屏蔽起来。
特别注意的是PLC的基本单元与扩展单元之间的电缆是传送电压低的高频信号，很易受到干扰，不能将它与其他电缆设在同一管道内。使用的电缆应是截面积小于1.5mm2的屏蔽电缆。好使用电缆管敷设电缆。使用排线槽时。长度瑶足以包含全部的输入输出连线，并与其它电缆分开。
把输入线绞合，绞合的双绞线能降低共膜干扰，由于改变了导线电磁感应的方向，从而使其感应相互抵消。如图4所示。
信号采集是模拟线路时导线可捆扎在一起。数据线和脉冲线不能接近或捆扎在一起。否则数据线上全“1”时，在脉冲线上造成干扰，亦然。
使用屏蔽线作输入线，只需一端接地。若两端接地，由于接地电位差在屏蔽层内会流过电流而长生干扰。为了泄放高频干扰，数字信号线的屏蔽层应并联电位均衡线，其电阻应小于屏蔽电阻的十分之一，并将屏蔽层两端接地，若考虑抑制低频干扰也可一端接地。
五 结束语
PLC应用系统工作环境恶劣，周围有各种各样的干扰，PLC本机的可靠度很高。在系统设计和安装时，仍必须对环境作全面的分析，确定干扰的性质，采取相应的抗干扰措施，以保证系统长期稳定的工作。