数控机床控制用PLC编程的调试步骤

核心提示：编好的程序需要经过运行调试，以确认是否满足机床控制的要求。一般来说，顺序程序的调试要经过仿真调试和联机调试两个步骤。 （1）仿真调又称模拟调试，是指在实验室条件下，采用特制的仿真设备（或称模拟）

编好的程序需要经过运行调试，以确认是否满足机床控制的要求。一般来说，顺序程序的调试要经过“仿真调试”和“联机调试”两个步骤。

（1）仿真调试

“仿真调试”又称“模拟调试”，是指在实验室条件下，采用特制的“仿真设备”（或称“模拟装置”、“模拟台”等）代替机床与CNC、PLC、PLC编程设备联接起来（在有条件的情况下，还可以联接伺服单元、伺服电动机、甚至某些独立的机械功能部件），对顺序程序进行的调试。“仿真调试”具有安全、能耗小、调试轴助人员少等优点。

“仿真设备”常用许多开关、指示灯来模拟机床各电气功能器件的状态。如用小型开关的通／断代替MT侧操作面板的开关、按钮，电气柜内的继电器触点，安装于机床各运动部件上的位置检测开关等的闭合／断开，以模拟各种输入信号的“1”和“0”状态，用指示灯的亮／灭代替MT侧操作面板指示灯，电气柜内继电器线圈等的通电／断电，以验证输出到MT侧各器件的信号状态。

“仿真调试”是“联机调试”前的一个重要步骤。程序设计员可以通过“仿真设备”对诸如机床操作面板、工作台运行、工件装夹、主轴起停、刀库手动、自动找刀、机械手换刀、工作台分度及各机械动作和控制逻辑的互锁关系进行分考动作和循环动作运行调试，以保证顺序程序控制原理的正确性，为以后的整机联调的安全，顺利地进行打下基础。

需要指出的是，“仿真设备”虽可以通过模拟机床侧的信号状态调试并确认机床控制中的许多控制顺序问题，但因条件的限制，往往不能完全真实地模拟那些与时间控制有关的机械动作，以及某些复杂的循环动作顺序。因此，顺序程序还须进行联机运行调试，才能最终确认是否正确。

（2）联机调试

将机床、CNC装置、PLC装置和编程设备联接起来进行的整机机电运行调试称为“联机调试”（如图1所示）。“联机调试”可以发现和纠正顺序程序的错误，可以检查机床和电气线路的设计，制造，安装以及机电元器件品质可能存在的问题。

“联机调试”工作在车间现场由具有机电专业知识的多名工程技术人员联合进行。在确认CNC系统、伺服系统、PLC装置、强电柜元器件、机床各元部件的安装和连接无误后，才可以接通电源，将存储在编程设备中的顺序程序传送至RAM插板（或PLC装置的RAM存储器）中，然后执行顺序程序，以便对各机电执行元部件的动作及其顺序控制逻辑进行检查。需要时，可用编程设备修改顺序程序，然后再传送到RAM插板中。

联机调试系统方法示意图

联机调试系统方法示意图

「技术前瞻」PLC和CNC在未来工厂中的角色

摘要

随着制造业自动化程度的提高，工业控制器和控制系统变得更复杂、更高效，这或许将改变CNC和PLC在未来工厂中的角色。

随着工业4.0和工业物联网(IIoT)越来越流行，自动化概念正在悄然发生变化。自动化涵盖了高精度、高速度、高效率和预测性维护等概念。这是由数字化、可编程系统推动的，已经开发和完善了几十年了。

例如，计算机数字控制（CNC）通过执行预编程序列的计算机，实现了机床的自动化。CNC是20世纪50年左右也从计算机辅助制造(CAM)发展起来的。随着计算机和伺服系统的发展，它可以帮助制造商满足它们对可重复、高精度生产的日益增长的要求。CNC已成为精确度和控制的代名词，它主要由5个部件组成——排序器、插补器、伺服控制器、逻辑控制器和操作员控制接口。数控系统的概念提出20年后，一个价格更低，形式更简单的计算机辅助控制出现了，那就是可编程逻辑控制器 (PLC)。

PLC是在20世纪70年代左右开发出来的，旨在取代继电器逻辑控制系统。 这些继电器系统由于依赖硬件来执行关键功能，因此往往不经济性、缺乏灵活、不易使用。PLC具有输入和输出功能，可编程执行顺序操作、数据处理或简单的轴控制。

但是，PLC的使命并不是替代CNC。 “两种控制器服务于不同的目的和市场，各有自己的优势。因此，没有任何业内人士会说，‘我已经投资了CNC，这里已经没有PLC的用武之地了’，正是因为它们是两种完全不同的控制。”发那科工厂自动化部门的CNC应用经理Ian Baird说。

CNC和PLC将在未来的工厂中扮演不同的角色，帮助制造业提升自动化程度，并专注于最大限度地减少停机时间。图片来源: 发那科

由于它的使用，超出了简单的输入/输出(I/O)算法，因此CNC与自动化的关系比较多。现代CNC是一个灵活的，数字控制的系统，旨在无需为整个系统重新编程的情况下满足制造商的需求。大多数现代CNC，还包括配置了内置运行、维护和诊断屏幕的用户界面。“由于这个原因，CNC 很受那些想要完全控制机器的人的欢迎，因为它的功能，能让你在接受简单的培训之后就可以独挡一面。”Braid说道。

由于具有较大的灵活性，因此CNC适用于任何行业的复杂、多轴加工。 任何需要精确运动控制的应用都可以通过CNC实现，无论是手表零件和医疗设备的制造，还是反应性原子、等离子的蚀刻等。

简单与复杂控制任务

Baird认为对简单控制任务而言PLC更擅长。 如果你有一个应用，不需要较高的精度或灵活的运动控制，比如：交流电动传输带，那么PLC往往是最好的选择，而且它比CNC便宜。因此，有人认为CNC更适合应用于复杂的应用。

然而， PLC虽然简单，但也有一些缺点。Baird说，“ PLC没有CNC的灵活性高。如果你需要稍微改变程序，必须完全重新编程。 它也不具备CNC的高精度，因此最好将其作为低成本的基本任务解决方案。尽管PLC成本低，但许多制造商仍然选CNC，部分原因是其全生命周期成本较低。”

很有趣的是，许多设计师在安装PLC之后又转向了CNC，主要原因就是灵活性、可靠性和成本。 数控系统的初始成本高于PLC，但由于数控系统的可靠性和控制能力的提高，长期投资回报率可能会更高。它还使系统设计者能够灵活地决定：他们希望用户在其机器上拥有多少控制权。

数控系统的长期成本效益，得益于其先进的用户可编程特性，可以最大限度地减少停机时间，控制机器的能源利用效率或机器产出。

许多CNC都配备了人工智能轮廓控制。 这意味着机器可以被控制在一定的工作负荷内运行，或自适应地控制机器完成夜班工作。例如，通过编写程序，让其工作在80%负载处，使公司能够更经济的利用能源。CNC还配备了能源效率功能，如充电模块。

CNC也具有安全功能，为与人类协作行动提供良好的保障。 “CNC配备了一个可以执行运动控制的数字算法来,” Baird说，“这个数字系统由两部分组成，一个真实的数字数据系统和一个目标数字系统。目标系统是‘理想'的期望值，为机器提供目标工作参数。真实的系统和目标系统都由同一命令驱动，所以它们应该以完全相同的方式工作。”

如果真实系统遇到中断，比如意外负载，则会导致实际数据偏离目标数据。机器将把它转换成冲突，并以两种方式之一作出反应。如果移动缓慢，就会停止，如果快速移动，将执行一个 “向量后退” ，它将撤回任何移动机械，以避免设备损坏。对于高端机器，还可以融合3D技术，阻止五轴机械在其预先确定的工作区域外移动。

对于希望实现流程自动化的制造商而言，零停机时间也是一个重要考虑因素。 计划外停机成本很高，可以造成几天、几周甚至几个月停止生产。未检测到的故障，可能会对机器造成不可逆转的损坏，甚至可能伤害到工人。

最小化停机时间

“尽管期望工厂能够7x24小时连续运转有点不切实际，但我们还是可以尽量减少由于小故障或错误造成的停机时间，这也正是预测性维护的概念所在。” Baird说，“CNC技术推动了预测性维护的发展。 预测性维护允许我们在潜在问题出现之前发现它们，并在变得严重之前采取相应行动。我们通过将控制机器的自动化技术作为守护人，来实现预测性维护。”

这是否意味着CNC注定要成为未来工厂的唯一工具？ Baird并不这么认为，“PLC仍然扮演着至关重要的角色。最好的例子就是生产线。CNC可以控制机器人的手臂、工装、铣削和研磨， 而PLC可以控制皮带的传输，将产品或材料从生产线的一个工序输送到下一个工序。由于CNC的复杂性，使其并不能很好地完成这些任务，而且有点大材小用。作为工厂车间的一部分，简单和复杂的任务要同时完成，CNC和PLC可以完美地结合在一起工作。”

在制造工具包中CNC和PLC都占有一席之地，未来它们将会如何发展？ “工业控制系统(ICS)会持续发展，并将以适合特定行业的专业化形式出现。” Baird说。第三方还将利用开放接口的概念，将工厂与物联网结合起来。随之而来的是大规模的智能机器、数据收集和分析，这将有助于实现更大的过程改进。

虽然不清楚CNC和PLC在未来的工厂中扮演什么角色，但它们都将成为其中的一部分，即使它们并不总是在一起合作。

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2018年7月刊《技术文章》栏目，原标题为：PLC和CNC在未来工厂中的角色

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