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軟PLC技術在開放式數控系統中的應用

2023-8-8 來源：哈爾濱職業技術學院作者：王志學，姜宇，郝雙雙

摘要：闡述軟PLC具有結構靈活、性價比高的特點，為了擴展軟PLC技術的應用范圍，將軟PLC技術應用到了開放式數控系統，并進行程序設計。實驗結果表明，軟PLC可以準確地完成開放式數控系統中開關量控制的功能，從而提高數控系統的開放程度。

關鍵詞：控制技術，軟PLC，開放式數控系統，主軸正反轉。

0、引言

PLC具有編程簡單、工作可靠和便于使用等特點，因此在自動化領域得到了廣泛的應用。但是常規的PLC被幾大廠商壟斷，導致PLC價格居高不下，同時硬件互不兼容，編程規則沒有統一的標準，最主要的是常規的PLC結構封閉，不利于搭建可重構、可擴充的智能制造系統，在這樣的背景下，促使了軟PLC技術的發展。軟PLC技術以通用采集卡和計算機為硬件依托，通過對采集卡的開發，實現常規PLC的控制功能。軟PLC技術可以提高系統的開放程度，便于與智能制造模塊進行集成，可以很好地解決傳統PLC系統中的問題。

開放式數控系統作為一種模塊化、可重構的數控系統，其最大的優勢在于結構的開放性。為了提高數控系統的開放性，同時拓寬軟PLC的應用范圍，本文將軟PLC技術應用到了數控系統中，增加了數控系統的開放程度，具有重要的參考意義。

1、軟PLC在開放式數控系統中的功能

（1）M指令的實現

M指令是控制機床各輔助功能開/關的指令，被稱為輔助功能指令。常用的輔助功能指令包括卡具的加緊與松開、主軸的啟動與停止、冷卻液的開啟與關閉等。開放式數控系統接收到NC程序中的M指令后，首先經過譯碼，然后交給軟PLC進行處理，最后軟PLC根據PLC程序的邏輯關系控制輸出信號，輔助完成零件的加工。

（2）T指令的實現

T指令是換刀指令，可以實現加工過程中刀具的自動更換，節省了加工人員手動換刀的時間，提高了生產效率。當數控程序中存在T指令時，開放式數控系統會將這些T指令交給軟PLC處理，軟PLC會控制刀庫旋轉，完成換刀的一系列動作。

（3）面板按鍵功能的實現

為了便于操作，在開放式數控機床上安裝并開發了控制面板，通過控制面板可以方便地對機床進行控制。當按下機床操作面板上的按鍵時，會產生外部觸發信號，然后傳入到PLC內部，經過邏輯關系的計算后，軟PLC會控制外部的輸出，從而實現控制面板上各按鍵的功能。控制面板上的功能主要包括進給倍率、加工方式的選擇、排屑、吹氣、工作燈、主軸正反轉、刀庫正反轉等。為了便于觀察各功能的開啟狀態，在控制面板上設計了工作反饋燈，這些反饋燈的開啟與關閉也由軟PLC來控制。

（4）處理機床側外部輸入I/O信號

為了實現機床與開放式數控系統的協調運轉，在機床本體一側布置有各種檢測元件，這些檢測元件發出的信號會交給軟PLC進行處理，然后實現軟件和硬件的協調運轉。機床側常用到的檢測元件包括行程開關和接近開關等。

2、開放式數控系統中軟PLC控制程序分析

通過上面的分析可以看出，在開放式數控系統中，軟PLC控制的功能有很多。本節以開放式數控系統中典型的主軸正反轉控制程序為例，利用前期自主開發的軟PLC系統編制了相關的控制程序，并進行相關分析。

數控系統中的主軸正反轉功能需要滿足下面的要求：（1）主軸正轉和反轉不能同時開啟，也就是正轉和反轉之間需要互鎖；（2）主軸的正轉和反轉需要自鎖；（3）主軸從正轉變為反轉，或從反轉變為正轉時，需要先停止主軸，然后再進行轉向的改變。通過上面的分析，結合硬件的端口分配情況，利用開發的軟PLC系統編制了梯形圖控制程序，如圖1所示，圖中各指令的含義如表1所示。

圖1 主軸正反轉控制程序

表1 主軸正反轉程序指令對應表

為了驗證軟PLC技術應用于開放式數控系統的可行性，利用本實驗室自主開發的開放式數控系統進行了實驗驗證，圖2為實驗室自主開發的開放式數控控制面板，上面各按鍵的功能通過軟PLC進行實現，利用該控制面板可以控制機床的運行狀態。在自動加工模式下，可以通過M03、M04和M05指令對主軸的旋轉方向進行控制。當NC程序中存在這些指令時，開放式數控系統會把這些指令交給軟PLC進行處理，并實現相應的功能。

圖2 控制界面

在主軸正反轉程序中，X4.2、X4.3、X5.3為工作方式選擇按鈕所對應的端口地址，通過不同端口高低電平的組合，可以區分不同的工作狀態，各編碼組合與工作狀態對應關系如表2所示。當加工狀態為手動時，手動工作狀態輔助繼電器M6.1得電，此時通過控制面板上的主軸反轉按鈕可以控制主軸反轉端口X3.7得電與否。當X3.7被按下時，此時主軸反轉線圈Y4.3得電，同時實現自鎖，最終主軸反轉開啟。因為在主軸正轉的支路上串聯了主軸反轉的常閉觸點，所以當主軸反轉時，主軸正轉不會開啟。當加工狀態為自動加工狀態時，自動工作方式輔助繼電器M6.2得電。當加工程序中存在M05指令（主軸反轉）時，開放式數控系統譯碼模塊會將該指令交給軟PLC進行處理，此時主軸反轉輔助繼電器6.4會得電，最終主軸反轉Y4.3線圈得電，并實現自鎖，實現自動方式下主軸反轉的開啟。主軸正轉的實現過程與主軸反轉的實現過程相似，在此不再分析。

表2 選擇方式編碼對應表