第4章-數控邏輯控制與通信第一頁，共80頁。4.1數控系統的PLC原理4.2

PLC在數控機床上的應用4.3數控機床通信及接口4.4高速伺服總線及接口2第二頁，共80頁。1968年，美國通用汽車制造公司（GM），為適應汽車型號的不斷翻新，試圖尋找一種新型的工業控制器，以盡可能減少重新設計和更換繼電器控制系統的硬件及接線、減少時間，降低成本。因而設想把計算機的完備功能、靈活及通用等優點和繼電器控制系統的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優點結合起來，制成一種適合于工業環境的通用控制裝置，并把計算機的編程方法和程序輸入方式加以簡化，使不熟悉計算機的人能方便地使用。1969年，美國數字設備公司（GEC）首先研制成功第一臺可編程序控制器，并在通用汽車公司的自動裝配線上試用成功，從而開創了工業控制的新局面。

4.1數控系統的PLC原理3第三頁，共80頁。4.1.1PLC的結構組成和工作原理輸入模塊電源模塊系統程序存儲器CPU用戶程序存儲器外圍接口模塊輸出模塊X執行機構擴展模塊編程器傳感器一、結構組成一般由CPU、存儲器、輸入/輸出接口模塊、外圍接口模塊及編程器、擴展接口和擴展模塊等可選部件幾大部分組成，如下所示：4.1數控系統的PLC原理4第四頁，共80頁。整體式PLC擴展模塊輸入端子輸出端子編程器人機界面4.1數控系統的PLC原理5第五頁，共80頁。模塊式PLC4.1數控系統的PLC原理6第六頁，共80頁。二、PLC的編程語言3.3可編程控制器PLC簡介不熟悉計算機的機械工程師Y1X2Y1Y1T1Y2T1K15X3X1梯形圖（Ladder）~220VKM1PB2PB1KM1KM1KT1KM2KT1KA1電器原理圖7第七頁，共80頁。指令語言執行順序：

從上到下、從左到右LDX1ORY1ANIX2OUT Y1LDY1ANDX3OUTT1K15LDT1OUTY2Y1X2Y1Y1T1Y2T1K15X3X1梯形圖（Ladder）4.1數控系統的PLC原理8第八頁，共80頁。三、PLC梯形圖的設計原理輸入映像寄存器輸入接口電路輸出映像寄存器輸出狀態鎖存器控制程序輸出接口電路關鍵：用串行執行的程序，來模擬并行電路，只能將連續變量離散處理，截取某一時刻的狀態，作為輸入的映像，按用戶設計邏輯，計算該時刻輸出的映像，在運算過程中，輸入的映像保持不變，每個程序循環周期結束，在將輸出映像輸出到狀態鎖存器，再次讀輸入端子的狀態到到輸入映像寄存器，進行下個周期的運算。4.1數控系統的PLC原理9第九頁，共80頁。PLC控制程序的執行流程定時中斷定時標志1返回開始初始化(禁止所有輸出)定時標志=0？高速響應讀輸入到映像寄存器邏輯運算及控制輸出到輸出鎖存器YN定時標志04.1數控系統的PLC原理10第十頁，共80頁。四、電器原理圖和梯形圖的差別~220VKM1PB2PB1KM1KM1KT1KM2KT1KA11.電器原理圖是并行電路。沒有先后之分，而梯形圖的執行是有先后順序的，次序不同，執行結果不同。2.梯形圖設計中加入了很多計算機語言類的運算指令和功能指令，使設計更靈活、方便。3.梯形圖設計中輸入、輸出和軟元件（內部輔助繼電器）可無限次作為運算條件使用。電器原理圖4.1數控系統的PLC原理11第十一頁，共80頁。4.1數控系統的PLC原理4.2

PLC在數控機床上的應用4.3數據通信及接口4.4高速伺服總線及接口12第十二頁，共80頁。

隨著電子技術的發展，PLC已發展成為工控領域中應用非常廣泛通用控制器。除了原來開關量的邏輯控制，其控制功能已擴展到數據運算（包括浮點運算）、模擬量回路控制、運動控制等。并可實現自動化網絡控制。其正式名稱為“可編程序控制器”（ProgramableController）,簡稱PC。為避免和個人計算機混淆，大多數人仍稱其為“PLC”。數控系統的PLC有兩種形式，一種是嵌入式PLC，一種是獨立式PLC。數控系統中，很多模擬量的控制（如溫度、壓力等）都是通過PLC的模擬量控制模塊來實現的。有些數控系統的熱誤差補償，就是通過PLC來實現的。如西門子840D。

4.2PLC在數控機床上的應用13第十三頁，共80頁。指令位置顯示位置電機指令位置運動控制K0、tanβ、P0位置反饋+-PLC溫度采集西門子840D的熱誤差補償模塊結構框圖4.2PLC在數控機床上的應用14第十四頁，共80頁。K0(T)：與坐標位置無關的變形量（如主軸的膨脹、偏斜），隨主軸溫度、刀具長度的變化而變化。通過梯形圖程序，建立變形量與溫度、刀具參數的關系，實現熱誤差補償。ZYdy1dz1ZYdz2Dz2=(Pz-Pz0)*tanβ(T)與機床位置無關的熱變形與機床位置相關的熱變形4.2PLC在數控機床上的應用15第十五頁，共80頁。一、PLC在數控機床上配置方式PLC在機床側代替傳統的繼電器邏輯系統，有m+n個輸入輸出點PLC在CNC控制柜中，有m個輸入輸出點，元器件數目少，易于維修，成本低。PLC在控制柜中，輸入輸出接口在機床一側，中間用一個光纜通信。4.2PLC在數控機床上的應用16第十六頁，共80頁。

機床側的開關量信號通過I／O單元接口輸入至PLC中，除極少數信號外，絕大多數信號的含義及所占用PLC的地址均可由PLC程序設計者自行定義。二、PLC與外部的信息交換1、機床到PLC(MT→PLC)4.2PLC在數控機床上的應用17第十七頁，共80頁。

PLC控制機床的信號通過PLC的開關量輸出接口送到機床側，所有開關量輸出信號的含義及所占用PLC的地址均可由PLC程序設計者自行定義。舉例在SINUMERIK810數控系統中，機床側某電磁閥的動作由PLC的輸出信號來控制，設該信號用Q1．4來定義。該信號通過I／O模塊和I／O端子板輸出至中間繼電器線圈，繼電器的觸點又使電磁閥的線圈得電，從而控制電磁閥的動作。同樣，Q1．4信號可在PLCSTATUS狀態下，通過觀察QBl的第4位“0”或“1”來獲知該輸出信號是否有效。2、PLC到機床(PLC→MT)4.2PLC在數控機床上的應用18第十八頁，共80頁。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的信號含義和地址（開關量地址或寄存器地址）均由CNC廠家確定，PLC編程者只可使用，不可改變和增刪。舉例數控指令的M、S、T功能，通過CNC譯碼后直接送入PLC相應的寄存器中。在SINUMERIK810數控系統中，M03指令經譯碼后，送入FY27．3寄存器中。3、CNC到PLC(CNC→PLC)4.2PLC在數控機床上的應用19第十九頁，共80頁。PLC送至CNC的信息也由開關量信號或寄存器完成，所有PLC送至CNC的信號地址與含義由CNC廠家確定，PLC編程者只可使用，不可改變和增刪。舉例

SINUMERIK810數控系統中，Q108.5為PLC至CNC的進給使能信號。4、PLC到CNC(PLC→CNC)4.2PLC在數控機床上的應用20第二十頁，共80頁。主軸轉速可以用S2位代碼或S4位代碼直接指定。例如某數控機床的主軸最高轉速為4000r／min，最低轉速為50r／min，若用S4位代碼，CNC送出S4位代碼至PLC，將進行二——十進制數轉換，然后進行限位。當S代碼大于4000時限制S為4000，當S代碼小于50時，限制S為50，此數值送到D／A轉換器，轉換成50～4000r／min相對應的輸出電壓，作為轉速指令控制主軸的轉速；若用S2位代碼指定主軸的轉速，應首先制定S2位代碼與主軸轉速的對應表，CNC輸出S2位代碼進入PLC，經過一系列處理，很容易實現對主軸轉速的控制。三、數控機床的PLC功能1、S功能處理4.2PLC在數控機床上的應用21第二十一頁，共80頁。數控機床通過PLC可管理刀庫，特別是對加工中心的自動換刀帶來了很大的方便。處理的信息包括選刀方式，刀具累計使用的次數，刀具剩余壽命和刀具刃磨次數等。2、T功能處理3、M功能處理M功能是輔助功能，根據不同的M代碼，可控制主軸的正、反轉和停止，主軸齒輪箱的換檔變速，主軸準停，切削液的開、關，卡盤的夾緊、松開及換刀機械手的取刀、歸刀等動作。4.2PLC在數控機床上的應用22第二十二頁，共80頁。4.1數控系統的PLC原理4.2

PLC在數控機床上的應用4.3數控機床通信及接口4.4高速伺服總線及接口23第二十三頁，共80頁。4.3數控機床通信及接口4.3.1機床I/O接口功能：用來接收機床操作面板上的開關、按鈕信號及機床的各種限位開關信號；且用來把機床工作狀態指示燈信號送到機床操作面板，把控制機床動作的信號送到接觸器、電磁閥等執行元件。要求：1）進行必要電隔離，防止干擾信號串入，防止高壓串入對CNC裝置的損壞；

2）進行電平轉換和功率放大。24第二十四頁，共80頁。1.輸入接口電路設計

輸入接口形式：

a)隔離型、非隔離型

b)直流、交流

直流隔離型：源型、漏型漏型無觸點開關源型無觸點開關單向光耦雙向光耦高速光耦4.3數控機床通信及接口25第二十五頁，共80頁。輸入接口電路漏型輸入接口典型電路VccVccVcc4.3數控機床通信及接口26第二十六頁，共80頁。輸入接口電路源型輸入接口典型電路VccVccVcc4.3數控機床通信及接口27第二十七頁，共80頁。CPLD/FPGA總線輸入緩沖電路DAWRRDCPU譯碼電路OE選通控制74244QI0[0..7]I1[0..7]I2[0..7]總線4.3數控機床通信及接口28第二十八頁，共80頁。觸點輸入電路的防抖與濾波閉合穩定開關閉合前沿抖動后沿抖動

機械開關又成為有觸點開關,在開關的閉合和斷開過程中，由于機械彈簧的作用，普遍存在抖動現象。

“去抖”方法：

1.硬件濾波：濾波時間常數固定，軟件簡單。

2.軟件濾波：濾波時間常數可設，應用靈活，程序復雜。

3.定周期掃描：一種最簡單的軟件濾波。4.3數控機床通信及接口29第二十九頁，共80頁。光耦的響應延時適當減小光耦回路中的電流，可減小tOFF總電流保持不變，保證抗干擾性。4.3數控機床通信及接口30第三十頁，共80頁。高速光耦可用于數字式位置反饋接口電路4.3數控機床通信及接口31第三十一頁，共80頁。外部開關的選擇

開關形式：常開、常閉設計思路：當外部線路故障時，系統的安全性限位開關、急停、停止、安全保護開關等應選擇常閉開關。雖然這些開關非常重要，但仍屬于低速信號，盡量不要讓它們占用系統的中斷資源!!!

啟動按鈕等通常選擇常開開關4.3數控機床通信及接口32第三十二頁，共80頁。2輸出接口電路設計類型：

1繼電器輸出控制電流一般<2A；直流30V、交流220V；有觸點類型，響應延時約10ms,觸點壽命約100萬次（與電流有關）

2晶體管輸出用于直流控制回路，有源型和漏型之分；相應速度快，一般<1ms；有發熱現象，允許電流不大，一般<0.5A3固態繼電器（SSR）輸出

有直流、交流之分；無觸點；相應速度較快；有漏電流；

4.3數控機床通信及接口33第三十三頁，共80頁。輸出鎖存電路CPLD/FPGA74374Swr0Swr1Q0[0..7]Q1[0..7]DQclkDQclk譯碼電路DAWRRDCPU總線4.3數控機床通信及接口34第三十四頁，共80頁。a)光耦輸出驅動與隔離盡量避免5V大電流直接驅動，盡量采樣光耦隔離。Vcc+24V0V負載鎖存器特點：響應速度快，抗干擾性好，簡單，便宜。

可用于驅動小功率負載

如：指示燈、伺服電機的控制信號、小型繼電器等。4.3數控機床通信及接口35第三十五頁，共80頁。b)繼電器輸出驅動電路3.4.1機床I/O接口

特點：有觸點類型，隔離性能好，觸點允許電流較大，交直流都適用。

可用于驅動較大功率負載，如：接觸器、電磁閥、燈泡等。Vcc+24V0V鎖存器~220VVcc+24V0V鎖存器36第三十六頁，共80頁。c)SSR輸出電路

固態繼電器內部有光耦隔離，通過輸入信號電流控制輸出，電流范圍一般為：0.5-20mA(因廠家而異)。In+In-OutOutVccSSR有直流和交流2種型式，交流型有過零型和調相型之分過零型交流SSR控制波形調相型交流SSR控制波形4.3數控機床通信及接口37第三十七頁，共80頁。SSR輸出的特點：無觸點輸出，沒有火花，壽命長。有一定的漏電流。直流SSR的響應延時較小，交流關斷延時較大。且延時時間不確定。耐壓要求較高，超過允許電壓會導致SSR損壞。在驅動感性負載時，要注意增加RC吸收回路，減小感應電壓，保護SSR。In+In-Out~Out~Vcc4.3數控機床通信及接口38第三十八頁，共80頁。串行通信：將數據按順序分解為一位（或幾位，一般不大于4位）的序列，按順序傳送。優點：傳送線路簡單，成本低，傳送距離長缺點：傳送速度比并行通信低，通信協議復雜。隨著現代電子技術的發展，傳送速度越來越快，應用越來越廣泛。如RS232C、RS422、RS485、USB、1394、Profibus、SERCOS、各種網絡等。1.串行通訊的一般概念4.3.2串行數據通信及接口4.3數控機床通信及接口并行通信:

數據的各位同時傳送。優點：傳送速度快缺點：數據線多，成本較高，且由于并行數據傳輸線的耦合和共模干擾，傳輸距離短。主要應用于數據傳送量很大的場合，如打印機，液晶屏等。隨著現代電子技術的發展，并行通信的應用在逐漸減少。39第三十九頁，共80頁。AB單工通信AB雙工通信半雙工通信AB主站從站1從站2從站N…多機通信點-點通信4.3數控機床通信及接口40第四十頁，共80頁。傳輸介質雙絞線光纖同軸電纜4.3數控機床通信及接口41第四十一頁，共80頁。平衡和非平衡線路非平衡線路（單端收發器）平衡線路（差分收發器）4.3數控機床通信及接口42第四十二頁，共80頁。異步串行通信在異步通信中，沒有統一的時鐘信號，各設備使用自己的時鐘信號,各設備時鐘必須在頻率上保證一致（誤差允許范圍很小），每個傳送字節必須用其始位來同步時鐘，用1~2個停止位來表示傳送字節的結束。由起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位等4部分組成的串行數據稱為字符幀（CharacterFrame）也叫數據幀。

異步通信的優點是不需要傳送同步時鐘，字符幀長度不受限制，故設備簡單。缺點是字符幀中因包含起始位和停止位而降低了有效數據的傳輸速率。D0PD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3…起始位空閑位停止位

異步串行通信的字符幀格式4.3數控機床通信及接口43第四十三頁，共80頁。起始位檢測

異步通信中，每秒鐘傳送二進制數碼的位數為波特率(BaudRate),單位為bps。異步串行通信的收發設備，必須使用相同的波特率。異步通信設備，都具有自己的波特率時鐘發生器，其時鐘頻率一般為波特率的16倍，在檢測到起始時位跳變時，接收方同步其接收時鐘，然后，間隔24個時鐘，檢測第一個數據位，以后每間隔16個時鐘檢測一位，直到停止位，1幀數據結束。用起始位同步接受時鐘，消除了時鐘誤差的累積，降低了對收發時鐘頻率的一致性要求，一般，時鐘誤差<3%即可。

發送時鐘接收時鐘數據讀取第1個數據位讀取第2個數據位4.3數控機床通信及接口44第四十四頁，共80頁。同步通信

在通信的設備中,采用相同的時鐘信號,這個時鐘信號可以由單獨的硬件線路來實現，如：I2C、SPI、LVDS、EnDat等。

同步時鐘還可以采樣復用方式，通過發送特定的同步位或字符來統一雙方時鐘，進而達到收發的同步。有三種同步串行鏈路層協議:面向字符的同步協議、面向位的同步協議、面向字節計數的同步協議。00111101clkdata3.4.2串行數據通信及接口起始符地址域8/16位控制域8/16位CRC16位結束符數據域K*8/16位面向位的同步協議傳輸幀格式若數據域中出現連續5個1時，自動插入一個045第四十五頁，共80頁。數據通信Data寫信人郵局運輸部門收信人郵局甲地乙地4.3數控機床通信及接口46第四十六頁，共80頁。應用層OSI=OpenSystemInterconnedcionreferencemodel表示層會話層傳輸層網絡層鏈路層物理層H7datadata應用層協議表示層協議會話層協議傳輸層協議網絡層協議鏈路層協議物理層協議dataH7H7H6H6H5dataH7H6H5H4dataH7H6H5H4H3dataH7H6H5H4H3H2T2dataH7H6H5H4H3H2T2報文(M)報文(M)報文(M)報文(M)分組(P)幀(F)位流3.4.2串行數據通信及接口2OSI參考模型47第四十七頁，共80頁。

傳輸層數據鏈路層網絡層物理層會話層表示層應用層應用層（高層）高層的功能為處理用戶接口、數據格式及應用訪問。主要由操作系統實現數據流層（低層）定義了數據如何在網絡傳輸介質之間傳送，及數據如何通過網線和網絡設備傳輸到期望的終端4.3數控機床通信及接口48第四十八頁，共80頁。3.4.2串行數據通信及接口應用層物理層

數據鏈路層網絡層傳輸層會話層表示層應用層物理層

數據鏈路層網絡層傳輸層會話層表示層發送進程接收進程物理層

數據鏈路層網絡層主機A主機B路由器路由器物理層

數據鏈路層網絡層通信子網物理介質物理介質物理通信網絡通信子系統49第四十九頁，共80頁。5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應用程序數據應用層首部H5101比特流110101110101注意觀察加入或剝去首部（尾部）的層次應用程序數據H5應用程序數據H4H5應用程序數據H3H4H5應用程序數據H4傳輸層首部H3網絡層首部H2鏈路層首部T2鏈路層尾部計算機1向計算機2發送數據4.3數控機床通信及接口50第五十頁，共80頁。5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2101比特流110101110101計算機2的物理層收到比特流后交給數據鏈路層H2T2H3H4H5應用程序數據計算機1向計算機2發送數據4.3數控機床通信及接口51第五十一頁，共80頁。H3H4H5應用程序數據5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2數據鏈路層剝去幀首部和幀尾部后把幀的數據部分交給網絡層H2T2H3H4H5應用程序數據計算機1向計算機2發送數據4.3數控機床通信及接口52第五十二頁，共80頁。H4H5應用程序數據H3H4H5應用程序數據5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2網絡層剝去分組首部后把分組的數據部分交給運輸層計算機1向計算機2發送數據4.3數控機床通信及接口53第五十三頁，共80頁。H5應用程序數據H4H5應用程序數據5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2運輸層剝去報文首部后把報文的數據部分交給應用層計算機1向計算機2發送數據4.3數控機床通信及接口54第五十四頁，共80頁。應用程序數據H5應用程序數據5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應用層剝去應用層PDU首部后把應用程序數據交給應用進程計算機1向計算機2發送數據4.3數控機床通信及接口55第五十五頁，共80頁。5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2我收到了

AP1

發來的應用程序數據！計算機1向計算機2發送數據4.3數控機床通信及接口56第五十六頁，共80頁。應用層OSI參考模型傳輸層應用層表示層會話層傳輸層網絡層數據鏈路層物理層網絡接口層互聯網絡層網絡協議層網絡訪問層TCP/IP體系結構telnetDNSSMTPothersTCPUDPIPICMPARPIARPEthernetTokenRingPDNSNMPTFTPTCP/IP體系結構4.3數控機床通信及接口57第五十七頁，共80頁。以太網數據幀格式前導碼 7字節幀起始定界符 1字節 標明下一個字節為目的MAC字段目的MAC地址 6字節源MAC地址 6字節類型/長度 2字節數據 46~1500字節幀校驗序列 4字節4.3數控機床通信及接口58第五十八頁，共80頁。4.1數控系統的PLC原理4.2

PLC在數控機床上的應用4.3數控機床通信及接口4.4高速伺服總線及接口59第五十九頁，共80頁。

常用高速伺服總線4.4高速伺服總線及接口PROFIBUS/PROFINET西門子FSSB發那科SERCOS歐洲Metrolink安川EtherCAT德國倍福60第六十頁，共80頁。1、PROFIBUS和PROFINETPROFIBUS是德國標準(DIN19245)和歐洲標準(EN50170)的現場總線標準，1999年成為國際標準（IEC61158-3）。以Siemens公司為主要支持，由PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA系列組成。DP用于分散外設間高速數據傳輸，適用于加工自動化領域。FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。PA用于過程自動化的總線類型，服從IEC1158－2標準。PROFIBUS支持主-從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6Kbit/s下為1200m，在12Mbit/s小為200m，可采用中繼器延長至10km，傳輸介質為雙絞線或者光纜，最多可掛接127個站點。4.4高速伺服總線及接口61第六十一頁，共80頁。

PROFINET

PROFINET由PROFIBUS國際組織（PROFIBUSInternational，PI）推出，是新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準。作為一項戰略性的技術創新，PROFINET為自動化通信領域提供了一個完整的網絡解決方案，其功能包括8個主要的模塊，依次為實時通信、分布式現場設備、運動控制、分布式自動化、網絡安裝、IT標準和信息安全、故障安全和過程自動化。并且，作為跨供應商的技術，可以完全兼容工業以太網和現有的現場總線（如PROFIBUS）技術，保護現有投資。4.4高速伺服總線及接口62第六十二頁，共80頁。PROFINET的網絡結構4.4高速伺服總線及接口63第六十三頁，共80頁。PROFINET的分時通信系統

相互獨立的時域控制，滿足實時通信和TCP/IP通信的不同要求。精確的控制周期和同步周期（抖動<1μs）4.4高速伺服總線及接口64第六十四頁，共80頁。PROFINET接口芯片4.4高速伺服總線及接口65第六十五頁，共80頁。SERCOS(serialrealtimecommunicationspecification,串行實時通信協議)是一種用于數字伺服和傳動系統的現場總線接口和數據交換協議，能夠實現工業控制計算機與數字伺服系統、傳感器和可編程控制器I/O口之間的實時數據通訊。1995年，SERCOS接口協議被批準為IEC1491SYSTEM-Interface國際標準。在各種數控機械設備中獲得了廣泛的應用。2、SERCOS

SERCOSI光纖接口環型網絡2/4Mbit/s1999SERCOSII光纖接口環型網絡2/4/8/16Mbit/s2005SERCOSIII以太網接口環型/線型100Mbit/s

（光纖/雙絞線）4.4高速伺服總線及接口66第六十六頁，共80頁。CNC-SERCOSDrive的連接4.4高速伺服總線及接口67第六十七頁，共80頁。SERCOS的報文序列MasterSyncTelegramMasterDataTelegramAxis(Drive)Telegram4.4高速伺服總線及接口68第六十八頁，共80頁。SERCOS-III的