第四章 数控系统的逻辑控制与通信

1. 第四章 数控系统的逻辑控制与通信 4. 1 数控系统的PLC 原理 4. 2PLC 在数控机床上的应用 4. 3 数控机床通信及接口 4. 4 高速伺服总线及接口

2. 4. 1 数控系统的PLC 原理 4. 2PLC 在数控机床上的应用 4. 3 数控机床通信及接口 4. 4 高速伺服总线及接口

3. 4.1 数控系统的PLC原理 • 1968年，美国通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，使不熟悉计算机的人能方便地使用。 • 1969年，美国数字设备公司（GEC）首先研制成功第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。

4. 输 入 模 块 电源模块 输 出 模 块 系统程序 存储器 CPU 用户程序 存储器 执行机构 传感器 X 外围接口模块 扩展模块 编程器 4.1 数控系统的PLC原理 4.1.1 PLC的结构组成和工作原理 一、结构组成 一般由CPU、存储器、输入/输出接口模块、外围接口模块及编程器、扩展接口和扩展模块等可选部件几大部分组成，如下所示：

5. 4.1 数控系统的PLC原理 人机界面 整体式PLC 输入端子 扩展模块 编程器 输出端子

6. 4.1 数控系统的PLC原理 模块式PLC

7. 梯形图（Ladder） ~ 220V Y1 X2 X1 PB1 PB2 KM1 Y1 KM1 T1 K15 X3 Y1 KT1 KM1 KA1 Y2 T1 KT1 KM2 电器原理图 3.3 可编程控制器PLC简介 不熟悉计算机的机械工程师 二、PLC的编程语言

8. 梯形图（Ladder） Y1 X2 X1 Y1 T1 K15 X3 Y1 Y2 T1 4.1 数控系统的PLC原理 执行顺序： 从上到下、从左到右 指令语言 LD X1 OR Y1 ANI X2 OUT Y1 LD Y1 AND X3 OUT T1 K15 LD T1 OUT Y2

9. 输 入 映 像 寄 存 器 输 入 接 口 电 路 输 出 映 像 寄 存 器 输 出 接 口 电 路 输 出 状 态 锁 存 器 控 制 程 序 4.1 数控系统的PLC原理 三、PLC梯形图的设计原理 关键：用串行执行的程序，来模拟并行电路，只能将连续变量离散处理，截取某一时刻的状态，作为输入的映像，按用户设计逻辑，计算该时刻输出的映像，在运算过程中，输入的映像保持不变，每个程序循环周期结束，在将输出映像输出到状态锁存器，再次读输入端子的状态到到输入映像寄存器，进行下个周期的运算。

10. 开始 初始化(禁止所有输出) 高速响应 Y 定时标志=0？ 定时标志0 定时中断 N 读输入到映像寄存器 定时标志1 逻辑运算及控制 返回 输出到输出锁存器 4.1 数控系统的PLC原理 PLC控制程序的执行流程

11. 4.1 数控系统的PLC原理 四、电器原理图和梯形图的差别 1. 电器原理图是并行电路。没有先后之分，而梯形图的执行是有先后顺序的，次序不同，执行结果不同。 ~ 220V PB1 PB2 KM1 2. 梯形图设计中加入了很多计算机语言类的运算指令和功能指令，使设计更灵活、方便。 KM1 KT1 KM1 KA1 3. 梯形图设计中输入、输出和软元件（内部辅助继电器）可无限次作为运算条件使用。 KT1 KM2 电器原理图

12. 4. 1 数控系统的PLC 原理 4. 2PLC 在数控机床上的应用 4. 3 数据通信及接口 4. 4 高速伺服总线及接口

13. 4.2 PLC 在数控机床上的应用 随着电子技术的发展，PLC已发展成为工控领域中应用非常广泛通用控制器。除了原来开关量的逻辑控制，其控制功能已扩展到数据运算（包括浮点运算）、模拟量回路控制、运动控制等。并可实现自动化网络控制。其正式名称为“可编程序控制器”（Programable Controller）,简称PC。为避免和个人计算机混淆，大多数人仍称其为“PLC”。 数控系统的PLC有两种形式，一种是嵌入式PLC，一种是独立式PLC。 数控系统中，很多模拟量的控制（如温度、压力等）都是通过PLC的模拟量控制模块来实现的。有些数控系统的热误差补偿，就是通过PLC来实现的。如西门子840D。

14. 4.2 PLC 在数控机床上的应用 指令位置 电机指令位置 运动控制 - K0、tanβ、P0 + 位置反馈 显示位置 PLC 温度采集 西门子840D的热误差补偿模块结构框图

15. Y Y Z Z dz2 dz1 Dz2=(Pz-Pz0)*tanβ(T) dy1 4.2 PLC 在数控机床上的应用 K0(T)：与坐标位置无关的变形量（如主轴的膨胀、偏斜），随主轴温度、刀具长度的变化而变化。通过梯形图程序，建立变形量与温度、刀具参数的关系，实现热误差补偿。 与机床位置无关的热变形 与机床位置相关的热变形

16. 4.2 PLC 在数控机床上的应用 一、PLC在数控机床上配置方式 PLC在机床侧代替传统的继电器逻辑系统，有m+n个输入输出点 PLC在CNC控制柜中，有m个输入输出点，元器件数目少，易于维修，成本低。 PLC在控制柜中，输入输出接口在机床一侧，中间用一个光缆通信。

17. 4.2 PLC 在数控机床上的应用 二、PLC与外部的信息交换 机床侧的开关量信号通过I／O单元接口输入至PLC中，除极少数信号外，绝大多数信号的含义及所占用PLC的地址均可由PLC程序设计者自行定义。 1、机床到PLC(MT→PLC)

18. 4.2 PLC 在数控机床上的应用 2、PLC到机床 (PLC → MT) • PLC控制机床的信号通过PLC的开关量输出接口送到机床侧，所有开关量输出信号的含义及所占用PLC的地址均可由PLC程序设计者自行定义。 • 举例 在SINUMERIK 810数控系统中，机床侧某电磁阀的动作由PLC的输出信号来控制，设该信号用Q1．4来定义。该信号通过I／O模块和I／O端子板输出至中间继电器线圈，继电器的触点又使电磁阀的线圈得电，从而控制电磁阀的动作。同样，Q1．4信号可在PLC STATUS状态下，通过观察QBl的第4位“0”或“1”来获知该输出信号是否有效。

19. 4.2 PLC 在数控机床上的应用 3、CNC到PLC(CNC →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。 • 举例 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。在SINUMERIK810数控系统中，M03指令经译码后，送入FY27．3寄存器中。

20. 4.2 PLC 在数控机床上的应用 4、PLC到CNC (PLC → 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。 • 举例SINUMERIK 810数控系统中，Q108.5为PLC至CNC的进给使能信号。

21. 4.2 PLC 在数控机床上的应用 三、数控机床的PLC功能 • 主轴转速可以用S 2位代码或S 4位代码直接指定。例如某数控机床的主轴最高转速为4000r／min，最低转速为50r／min，若用S 4位代码，CNC送出S4位代码至PLC，将进行二——十进制数转换，然后进行限位。 • 当S代码大于4000时限制S为4000，当S代码小于50时，限制S为50，此数值送到D／A转换器，转换成50～4000r／min相对应的输出电压，作为转速指令控制主轴的转速； • 若用S2位代码指定主轴的转速，应首先制定S2位代码与主轴转速的对应表，CNC输出S2位代码进入PLC，经过一系列处理，很容易实现对主轴转速的控制。 1、S功能处理

22. 4.2 PLC 在数控机床上的应用 2、T功能处理 • 数控机床通过PLC可管理刀库，特别是对加工中心的自动换刀带来了很大的方便。 处理的信息包括选刀方式，刀具累计使用的次数，刀具剩余寿命和刀具刃磨次数等。 3、M功能处理 • M功能是辅助功能，根据不同的M代码，可控制主轴的正、反转和停止，主轴齿轮箱的换档变速，主轴准停，切削液的开、关，卡盘的夹紧、松开及换刀机械手的取刀、归刀等动作。

23. 4. 1 数控系统的PLC 原理 4. 2PLC 在数控机床上的应用 4. 3 数控机床通信及接口 4. 4 高速伺服总线及接口

24. 4. 3 数控机床通信及接口 4.3.1 机床I/O接口 功能：用来接收机床操作面板上的开关、按钮 信号及机床的各种限位开关信号；且用 来把机床工作状态指示灯信号送到机床 操作面板，把控制机床动作的信号送到 接触器、电磁阀等执行元件。 要求：1）进行必要电隔离，防止干扰信号串入， 防止高压串入对 CNC装置的损坏； 2）进行电平转换和功率放大。

25. 4. 3 数控机床通信及接口 1. 输入接口电路设计 单向光耦 双向光耦 高速光耦 输入接口形式： a) 隔离型、非隔离型 b) 直流、交流 直流隔离型：源型、漏型 漏型 无触点开关 源型 无触点开关

26. Vcc Vcc Vcc 4. 3 数控机床通信及接口 输入接口电路 漏型输入接口典型电路

27. Vcc Vcc Vcc 4. 3 数控机床通信及接口 输入接口电路 源型输入接口典型电路

28. I0[0..7] 74244 总 线 选通 控制 Q I1[0..7] D CPU I2[0..7] OE A 译码 电路 WR RD CPLD/FPGA 4. 3 数控机床通信及接口 总线输入缓冲电路

29. 开关闭合 后沿 抖动 前沿 抖动 闭合 稳定 4. 3 数控机床通信及接口 触点输入电路的防抖与滤波 机械开关又成为有触点开关,在开关的闭合和断开过程中，由于机械弹簧的作用，普遍存在抖动现象。 “去抖”方法： 1. 硬件滤波：滤波时间常数固定，软件简单。 2. 软件滤波：滤波时间常数可设，应用灵活，程序复杂。 3. 定周期扫描：一种最简单的软件滤波。

30. 4. 3 数控机床通信及接口 光耦的响应延时 适当减小光耦回路中的电流，可减小tOFF 总电流保持不变，保证抗干扰性。

31. 4. 3 数控机床通信及接口 高速光耦 可用于数字式位置反馈接口电路

32. 4. 3 数控机床通信及接口 外部开关的选择 开关形式：常开、常闭 设计思路：当外部线路故障时，系统的安全性 限位开关、急停、停止、安全保护开关等应选择常闭开关。虽然这些开关非常重要，但仍属于低速信号，尽量不要让它们占用系统的中断资源!!! 启动按钮等通常选择常开开关

33. 4. 3 数控机床通信及接口 2 输出接口电路设计 类型： 1 继电器输出 控制电流一般<2A；直流30V、交流220V；有触点类型，响应延时约10ms,触点寿命约100万次（与电流有关） 2 晶体管输出 用于直流控制回路，有源型和漏型之分；相应速度快，一般<1ms；有发热现象，允许电流不大，一般<0.5A 3 固态继电器（SSR）输出 有直流、交流之分；无触点；相应速度较快；有漏电流；

34. 74374 总 线 Q0[0..7] CPLD/FPGA D D D Q Q CPU clk clk Swr0 A 译码 电路 WR Q1[0..7] RD Swr1 4. 3 数控机床通信及接口 输出锁存电路

35. +24V Vcc 负载 锁存器 0V 4. 3 数控机床通信及接口 驱动与隔离 尽量避免5V大电流直接驱动，尽量采样光耦隔离。 a) 光耦输出 特点： 响应速度快，抗干扰性好，简单，便宜。可用于驱动小功率负载如：指示灯、伺服电机的控制信号、小型继电器等。

36. ~220V +24V +24V Vcc Vcc 锁存器 锁存器 0V 0V 3.4.1 机床I/O接口 b) 继电器输出驱动电路 特点：有触点类型，隔离性能好，触点允许电流较大，交直流都适用。 可用于驱动较大功率负载，如：接触器、电磁阀、灯泡等。

37. 4. 3 数控机床通信及接口 c) SSR输出电路 Vcc In+ Out 固态继电器内部有光耦隔离，通过输入信号电流控制输出，电流范围一般为：0.5 -20mA(因厂家而异)。 In- Out SSR有直流和交流2种型式，交流型有过零型和调相型之分 过零型交流SSR控制波形 调相型交流SSR控制波形

38. Vcc In+ Out~ In- Out~ 4. 3 数控机床通信及接口 SSR输出的特点： • 无触点输出，没有火花，寿命长。 • 有一定的漏电流。 • 直流SSR的响应延时较小，交流关断延时较大。且延时时间不确定。 • 耐压要求较高，超过允许电压会导致SSR损坏。在驱动感性负载时，要注意增加RC吸收回路，减小感应电压，保护SSR。

39. 4. 3 数控机床通信及接口 4.3.2 串行数据通信及接口 1. 串行通讯的一般概念 串行通信：将数据按顺序分解为一位（或几位，一般不大于4位）的序列，按顺序传送。 优点：传送线路简单，成本低，传送距离长 缺点：传送速度比并行通信低，通信协议复杂。 随着现代电子技术的发展，传送速度越来越快，应用越来越广泛。如RS232C、RS422、RS485、USB、1394、Profibus、SERCOS、各种网络等。 并行通信:数据的各位同时传送。 优点：传送速度快 缺点：数据线多，成本较高，且由于并行数据传输线的耦合和共模干扰，传输距离短。 主要应用于数据传送量很大的场合，如打印机，液晶屏等。随着现代电子技术的发展，并行通信的应用在逐渐减少。

40. A B B A 单工通信 双工通信 主站 A B 从站1 从站2 从站N … 4. 3 数控机床通信及接口 点-点通信 半双工通信 多机通信

41. 4. 3 数控机床通信及接口 传输介质 光纤 双绞线 同轴电缆

42. 4. 3 数控机床通信及接口 平衡和非平衡线路 非平衡线路（单端收发器） 平衡线路（差分收发器）

43. 空闲位 … D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P D0 D1 D2 D3 起始位 停止位 4. 3 数控机床通信及接口 异步串行通信 在异步通信中，没有统一的时钟信号，各设备使用自己的时钟信号,各设备时钟必须在频率上保证一致（误差允许范围很小），每个传送字节必须用其始位来同步时钟，用1~2个停止位来表示传送字节的结束。由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位等 4 部分组成的串行数据称为字符帧（Character Frame） 也叫数据帧。 异步串行通信的字符帧格式 异步通信的优点是不需要传送同步时钟，字符帧长度不受限制，故设备简单。缺点是字符帧中因包含起始位和停止位而降低了有效数据的传输速率。

44. 4. 3 数控机床通信及接口 异步通信中，每秒钟传送二进制数码的位数为波特率(Baud Rate),单位为 bps。异步串行通信的收发设备，必须使用相同的波特率。 异步通信设备，都具有自己的波特率时钟发生器，其时钟频率一般为波特率的16倍，在检测到起始时位跳变时，接收方同步其接收时钟，然后，间隔24个时钟，检测第一个数据位，以后每间隔16个时钟检测一位，直到停止位，1帧数据结束。 用起始位同步接受时钟，消除了时钟误差的累积，降低了对收发时钟频率的一致性要求，一般，时钟误差<3% 即可。 发送 时钟 数据 接收 时钟 起始位检测 读取第1个数据位 读取第2个数据位

45. clk data 0 0 1 1 1 1 0 1 结束符 01111110 起始符 01111110 地址域 8/16位 控制域 8/16位 数据域 K*8/16位 CRC 16位 3.4.2 串行数据通信及接口 同步通信 在通信的设备中,采用相同的时钟信号,这个时钟信号可以由单独的硬件线路来实现，如：I2C、 SPI、 LVDS、EnDat等 。 同步时钟还可以采样复用方式，通过发送特定的同步位或字符来统一双方时钟，进而达到收发的同步。有三种同步串行链路层协议:面向字符的同步协议、面向位的同步协议、面向字节计数的同步协议。 若数据域中出现连续5个1时，自动插入一个0 面向位的同步协议传输帧格式

46. 写信人 收信人 邮局 Data 邮局 4. 3 数控机床通信及接口 • 数据通信 甲地 乙地 运输部门

47. 3.4.2 串行数据通信及接口 2 OSI参考模型 OSI = Open System Interconnedcion reference model H7 data 报文(M) 应用层 应用层协议 H6 H7 data 报文(M) 表示层 表示层协议 H5 H6 H7 data 会话层 会话层协议 报文(M) H4 H5 H6 H7 data 报文(M) 传输层 传输层协议 H3 H4 H5 H6 H7 data 网络层 分组(P) 网络层协议 H2 H3 H4 H5 H6 H7 data T2 链路层 帧(F) 链路层协议 位流 H2 H3 H4 H5 H6 H7 data T2 物理层协议 物理层

48. 4. 3 数控机床通信及接口 应用层 表示层 应用层（高层） 高层的功能为处理用户接口、数据格式及应用访问。主要由操作系统实现 会话层 传输层 网络层 数据流层（低层） 定义了数据如何在网络传输介质之间传送，及数据如何通过网线和网络设备传输到期望的终端 数据链路层 物理层

49. 物理通信 主机A 主机B 发送进程 接收进程 应用层 应用层 表示层 表示层 会话层 会话层 传输层 传输层 网络层 网络层 网络层 网络层 数据链 数据链 数据链 数据链 路层 路层 路层 路层 物理层 物理层 物理层 物理层 路由器 路由器 物理介质 物理介质 通信子网 网络通信子系统 3.4.2 串行数据通信及接口

50. 应用层首部 传输层首部 H5 网络层首部 H4 H5 应 用 程 序 数 据 链路层 首部 链路层 尾部 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 H2 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 T2 4. 3 数控机床通信及接口 计算机1向计算机2发送数据 注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次 计算机1 计算机2 AP2 AP1 应 用 程 序 数 据 5 5 应 用 程 序 数 据 4 4 3 3 2 2 1 1 10100110100101 比 特 流 110101110101