项目三数控机床PLC的应用与故障诊断教学任务06数控系统PMC.docx

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项目三数控机床PLC的应用与故障诊断教学任务06数控系统PMC

项目三数控机床PLC的应用与故障诊断

教学任务06：

数控系统PMC维护维修

1.PMC信号状态诊断与参数维护

2.PMC程序监控与维护

教学任务07PMC维修实例分析

1.手轮异常故障分析

2.润滑系统报警分析

本项目主要介绍维修中涉及的开关量输入输出故障诊断，使学生了解PLC及FANUCPMC的定义，PMC硬件规格和地址分配原则，常用的PMC基本指令和功能指令，重点介绍PMC与CNC的关系和PMC与机床的关系，并根据常见的面板功能和机床进行PMC.程序举例。

学生必须熟悉PMC页面和操作以及FANUCLADDER软件，以便进行传输和在线监控，会利用PMC有关页面进行数控机床输入输出诊断维护。

一、认识数控机床PLC

1、PLC的基本组成

PLC（ProgrammableLogicController），中文全称为可编程逻辑控制器，国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是:

一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用可编程的存储器，用于在其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程逻辑控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

可编程逻辑控制器是应用面广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，自研制成功并开始使用以来，已经成为了当代工业自动化的主要支柱之一。

可编程逻辑控制器主要由中央处理器（CPU）、存储器、I/O单元及I/O扩展接口、外设接口、电源等组成。

（1）中央处理器

中央处理器是PLC的控制中枢，相当于人的大脑。

CPU一般由控制电路、运算器和控制器组成。

这些电路通常都被封装在一个集成芯片上。

CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。

CPU的功能包括：

在系统监控程序的监控下工作，通过扫描方式将外部输入信号的状态写入输入映像寄存区域，PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户指令，按指令规定任务进行数据传送、逻辑运算和算术运算等，然后将结果送到输出映像寄存区域。

CPU常用的微处理器有通用型微处理器、单片机和位片式微处理器等。

小型PLC的CPU多采用单片机或专用CPU，中型PLC的CPU大多采用16位微处理器或单片机，大型PLC的CPU多采用高速位片式微处理器等，具有高度处理能力。

（2）存储器

PLC的存储器由只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）和可电擦写的存储器（EEPROM）三部分构成，它主要用于存放系统程序、用户程序和工作数据。

ROM用以存放系统程序，PLC在生产过程中将系统程序固化在ROM中，用户是不可改变的。

用户程序和中间运算数据存放在RAM中，它存储的内容断电后丢失，可以用锂电池做备用电源。

当系统断电时，用户程序可以保存在EEPROM或由高能电池支持的RAM中。

EEPROM兼有ROM的非易失性和RAM的存取优点，用来存放需要长期保存的重要数据。

（3）I/O单元及I/O扩展接口

I/O单元是PLC系统与工作现场之间进行信息交换的桥梁：

一方面接收和采集输入信号，将现场信号转换成标准的逻辑电平信号；另一方面将PLC内部逻辑信号电平转换成外部执行元件所要求的信号，送给被控设备或工业生产过程，以实现被控设备的自动控制过程。

I/O扩展接口可与PLC的基本单元实现连接，当基本I/O单元的输入或输出的点数不够时，可以用I/O扩展单元来扩展开关量I/O点数和增加模拟量I/O端子。

（4）外设接口

外设接口用于连接编程器或其它图形编程器、文本显示器，并通过外设接口组成PLC的控制网络。

PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口与计算机连接，可实现编程、监控、联网等功能。

（5）电源

电源的作用是把外部电源（220V交流电源）的电压转换成内部工作电压。

外部连接的电源通过PLC内部配有的一个专用开关式稳压电源将交流/直流供电电源转化成PLC内部电路需要的工作电压（直流5V、±12V、24V），并为外部输入元件（如接近开关）提供24V直流电压（仅供输入端点使用），而驱动PLC负载的电源由用户提供。

2、PLC的工作过程

PLC的工作过程虽然与微机都是依靠执行存储器中的程序来工作的，但是由于PLC应用于工作控制领域，需要准确地捕捉输入以及快速地响应，所以PLC采用了循环扫描的工作方式，分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

（1）输入采样阶段：

在输入采样阶段，PLC以扫描方式将所有输入端的输入信号状态（ON／OFF状态）读入输入映像寄存器中，称为对输入信号的采样。

接着进入程序执行阶段，在程序执行阶段，即使外部信号状态变化，输入寄存器的内容在一个扫描周期中也不会改变，输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才能被重新读入。

（2）程序执行阶段：

在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描。

如程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序扫描。

每扫描到一条指令时，所需要的输入状态或其它的元素状态从输入寄存器中读入，然后进行相应的的逻辑或算数运算，运算结果再存入专用寄存器。

若执行程序输出指令时，则相应的运算结果存入到输出寄存器。

（3）输出刷新阶段：

在输出刷新阶段，PLC执行完所有的指令以后，将输出映像寄存器中的状态转存到输出锁存电路，再经输出端子输出信号去驱动外部输出设备，形成PLC的实际输出。

PLC重复地执行上述三个阶段，每重复一次就是一个工作周期（或称为扫描周期），而工作周期的长短与程序的长短有关。

3、数控机床PLC的形式

数控机床常用的PLC主要由两类：

一类是专门为机床应用而设计的内装型PLC，另一类是独立型（通用型）PLC。

（1）内装型PLC（Built-inType）

内装型PLC从属于CNC装置，PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部即可实现。

它是为数控设备顺序控制而设计制造的专用PLC。

内装型PLC具有如下特点：

①内装型PLC实际上是CNC装置带有PLC功能，一般是作为一种可选功能提供给用户。

②内装型PLC的性能指标是根据所从属的CNC系统的规格、性能、适用机床类型等确定的，其软件和硬件部分作为CNC系统的基本功能或附加功能与CNC系统一起统一设计制造的。

因此，PLC的硬件和软件整体结构十分紧凑，其所具有的功能针对性强，技术指标合理、实用，适用于单台数控机床的场合。

③在系统结构上，内装型PLC既可以与CNC共用一个CPU，也可以单独使用一个CPU。

单独使用时，PLC对外有单独配置的输入输出电路，而不使用CNC装置的输入输出电路。

④采用内装型PLC，扩大了CNC内部直接处理信息的通信窗口功能，可以使用梯形图的编辑和传送等高级控制功能，且造价便宜，提高了CNC的性能价格比。

图5-1内装型PLC与外部信号的连接结构示意图

内装型PLC与数控系统之间的信息交换是通过公共的RAM完成的，因此内装型PLC与数控系统之间没有连线，信息交换量大，安装调试更加方便，且结构紧凑，可靠性好。

内装型PLC与外部信号的连接结构示意图如图5-1所示。

图5-2内装型PLC与外部信号的连接结构示意图

（2）立型PLC（Stand-aloneType）

独立型PLC是适应范围较广、功能齐全、通用化程度较高的PLC。

独立型PLC独立与CNC装置，有完整的硬件和软件结构，是能独立完成规定控制任务的装置。

数控机床用独立的PLC，一般采用模块化结构，它的CPU系统程序、用户程序、输入输出电路、通信等均设计成独立的模块。

独立型PLC主要用于FMS、CIMS形式的CNC机床，具有较强的数据处理、通信和诊断供功能，成为CNC与上级计算机联网的重要设备。

独立型PLC与外部信号的连接如图5-2所示。

4、PLC与外部信息的交换

PLC作为CNC与机床（MT）之间的信号转换电路，既要与CNC进行信号转换，又要与机床侧外围开关进行信号转换。

图5-3所示为CNC、PLC与外围电路的信号关系。

图5-3所示为CNC、PLC与外围电路的信号关系

（1）PLC至MT

CNC输出的数据经PLC的逻辑处理，通过输出接口送至机床侧。

CNC到机床的主要信号有M、S、T等代码。

M代码是辅助功能，根据不同的M代码，PLC可以控制主轴的正、反转和停止，主轴齿轮箱的换挡速度，主轴准停，切削液的开关，卡盘的加紧、松开，机械手的取刀、换刀等。

S功能是在PLC中可以用4位代码直接指定转速。

T功能是数控机床通过PLC管理刀库，进行自动换刀。

（2）MT至PLC

从机床侧输入的开关量，通过输入接口输入到PLC，经处理后送到CNC装置中。

机床侧传给PLC的信号主要是机床操作面板上的各种开关、按钮及检测信号等信息。

大多数信号的含义及所配置的输入地址，均可由PLC程序编制者或程序使用者自行定义。

多数机床生产厂家可以方便地根据机床的功能和配置，对PLC程序和地址分配进行修改。

（3）CNC至PLC

CNC送至PLC的信息可由CNC直接送至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，不可以改变或增删。

如数控指令M、S、T功能，通过CNC译码后直接输入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，所以的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，不可以改变或增删。

5、数控机床PLC的基本功能

（1）机床操作面板控制

可将机床操作面板上的控制信号直接输入PLC，以控制数控机床的运动。

（2）机床外部开关量的输入信号控制

可将机床侧的开关量信号送入PLC，经过逻辑运算后输出给控制对象。

这些开关量包括控制开关、行程开关、接近开关、压力开关、流量开关和温控开关等。

（3）输出信号监控

PLC的输出信号经强电控制部分的继电器、接触器，通过机床侧的液压或气动电磁阀，对刀塔、机械手、分度装置和回转工作台等装置进行控制，另外还对冷却泵电动机、润滑泵电动机等动力装置进行控制。

（4）伺服控制

对主轴和伺服进给驱动装置的使能条件进行逻辑判断，确保伺服装置的安全工作。

（5）故障诊断处理

PLC收集强电部分、机床侧和伺服驱动装置的反馈信号，检测出故障后将报警标志区的相应报警标志位置位，数控系统根据被置位的标志位显示报警号和报警信息，以便于故障诊断。

二、学习FANUC0i系统PMC

1、FANUC0i系统PMC的性能及规格

可编程逻辑控制器（PLC）在FANUC数控系统中称为可编程机床控制器（ProgrammableMachineController，PMC），PLC和PMC只是名称上不同，其本质一致。

PMC内置在数控系统中，用来执行数控机床的顺序控制操作（主轴旋转、换刀、机床操作面板的控制等）。

所谓顺序控制，就是按照事先确定的顺序货逻辑，对控制的每一个阶段进行控制。

对于数控机床来说，顺序控制是在数控机床运行过程中，以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量的开关信号状态为条件，并按照预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的启停和换向，刀具的更换，工件的夹紧和松开，液压、冷却、润滑系统的运行进行控制。

顺序控制的信息主要是开关量信号。

PMC在数控机床上实现的主要功能包括工作方式控制，速度倍率控制、自动运行控制、手动运行控制、主轴控制、机床锁住控制，程序校验控制、硬件超程和急停控制、辅助电机控制、外部报警控制和操作信息控制等。

FANUC0i-D和FANUC0iMate-DPMC的基本规格如表5-1所示。

表5-1FANUC0i系列数控系统的PMC规格

PMC规格

0i/16i/18i/21i

0iMate-D

0i-D

PMC-SA1

PMC-SB7

PMC-L

PMC

编程语言

梯形图

梯形图级别

第一级程序扫描周期

8ms

基本指令执行时间

5μs/步

0.033μs/步

1μs/步

25ns/步

梯形图容量

梯形图

12000步

最大64000步

最大约8000步

最大约32000步

符号和注释

1～128K

至少1KB

信息

8～64K

至少8KB

基本指令数

功能指令数

扩展指令

24（基本）

217（功能）

218（功能）

内部继电器（R）

1100B

8500B

1500B

8000B

扩展继电器（E）

8000B

10000B

显示信息请求位（A）

200点

2000点

子程序（SP）

2000个

512个

5000个

标号（L）

9999个

非易失性存储区

可变定时器T

40个

250个

40个

250个

固定定时器

100个

500个

100个

500个

可变计数器C

20个

100个

20个

100个

固定计数器

100个

20个

100个

保持继电器K

20B

120B

220B

300B

数据表D

1860B

10000B

3000B

10000B

I/OLink

输入

最大1024点

最大2048点

输出

最大1024点

最大4096点

顺序程序存储介质

FLASHROM64KB

FLASHROM768KB

FLASHROM128KB

FLASHROM384KB

PMC→CNC（G信号）

G0～G255

G0～G767

CNC→PMC（F信号）

F0～F255

FO～F767

2、PMC的信号地址

如表5-2所示，地址用来区分信号，不同的地址分别对应机床侧的输入/输出信号、CNC的输入/输出信号、内部继电器、计数器、定时器、保持型继电器和数据表。

PMC程序中主要使用F信号、G信号、X信号和Y信号四种类型的地址，每个地址由地址号和位数（0～7）组成。

在地址号的开头必须指定一个字母来表示信号的类型。

地址分为绝对地址（memoryaddress）和符号地址（symboladdress）。

绝对地址是I/O信号的存储器区域，地址唯一。

符号地址是用英文字母代替的地址，只是一种符号，可为PMC程序编辑、阅读与检查提供方便，但不能取代绝对地址。

（1）输入/输出信号（X信号和Y信号）

X信号为MT输出到PMC的信号，主要是机床操作面板的的按键、按钮和其他开关的输入信号。

个别X信号的含义和地址是FANUCCNC事先定义好的，用来作为高速信号由CNC直接读取，可以不经过PMC的处理，其余大部分X信号的含义和地址都是由PMC编程人员定义。

Y信号为PMC输出的MT的信号，主要是机床执行元件的控制信号，以及状态和报警指示等。

所有Y信号的含义和地址需由编程人员定义。

（2）G信号和F信号

在设计与调试PMC程序中，一般要学会查阅G信号和F信号。

G信号为PMC输出到CNC的信，主要是CNC改变或执行某一种运行的控制信号。

所有的G信号的含义和地址都是FANUCCNC事先定义好的，PMC编程人员只能使用。

F信号为CNC输出到PMC的信号，主要是反映CNC运行状态或运行结果的信号。

所有的F信号的含义和地址都是FANUCCNC事先定义好的，PMC编程人员只能使用。

表5-2FANUC0i-D数控系统PMC信号

地址类型

地址含义

地址范围

0i-D

0i-D/0iMate-D

PMC

PMC-L

机床→PMC

X0.0～X127.7

X200.0～X327.7

PMC→机床

Y0.0～Y127.7

CNC→PMC

F0.0～F767.7

F1000.0～F1767.7

PMC→CNC

G0.0～G767.7

G1000.0～G1767.7

内部继电器

R0.0～R7999.7

R0.0～R1999.7

R9000.0～R9499.7

外部继电器

E0.0～E9999.7

数据表

D0.0～D9999.7

D0.0～D2999.7

可变计数器

C0～C399（字节）

C0～C79（字节）

固定计数器

C5000～C5199（字节）

C5000～C5039（字节）

可变定时器

T0～T499（字节）

可变精度定时器

T9000～T9499（字节）

T9000～T9079（字节）

用户保持继电器

K0～K99（字节）

K0～K19（字节）

系统保持继电器

K900～K999（字节）

信息显示请求信号

A0～A249（字节）

标记号

L1～L9999

子程序

P1～P5000

P1～P512

（3）R、T、C、K、D和A信号

①内部继电器（R）在上电时被清零，用于PMC临时存取数据。

②信息继电器（A）用于信息显示请求位，上电时，信息继电器为0。

当该位为1时，显示对应的信息内容。

③定时器（T）用于TMR功能指令设置时间，是非易失性存储区。

④计数器（C）用于CTR指令和CTRB指令计数，是非易失性存储区。

⑤保持型继电器（K）用于保持型继电器和PMC参数设置，是非易失性存储区。

⑥数据表（D）包括数据控制表和数据设定表，数据控制表的数据格式（二进制还是BCD）和数据表大小，也是非易失性存储区，如图5-4所示。

图5-4各种地址类型相互关系

3、PMC梯形图程序特点

（1）PMC程序结构

PMC程序主要由两部分构成：

第一级程序和第二级程序，如图5-5所示。

图5-5PMC程序结构

第一级程序每隔8ms执行一次，主要编写急停、进给暂停等紧急动作控制程序，其程序编写不宜过长，否则会延长整个PMC程序执行时间。

第一级程序必须以END1指令结束。

即使不使用第一级程序，也必须编写END1指令，否则PMC程序无法正常执行。

第二级程序每隔8×nms执行一次，n为第二级程序的分割数。

主要编写工作方式控制、速度倍率控制、自动运行控制、手动运行控制、主轴控制、机床锁住控制、程序校验控制、辅助电机控制、外部报警和操作信息控制等普通控制，其程序步数教多，PMC程序执行时间也长。

第二级程序必须以END2指令结束。

（2）、PMC程序执行过程

第二级程序一般较长，为了执行第一级程序，将根据第一级程序的执行时间，把第二级程序分割成n部分，分别用分割1、分割2、……、分割n表示，如图5-6所示。

图5-6PMC程序执行顺序

系统启动后，CNC与PMC同时运行，两者执行的时序图如图所示。

在8ms的工作周期内，前1.25m执行PMC程序，首先执行全部的第一级程序，1.25ms内剩下的时间执行第二级程序的一部分。

执行完PMC程序后8ms的剩余时间，为CNC的处理时间。

在随后的各周期内，每个周期的开始均执行一次全部的第一级程序，因此在宏观上，紧急动作控制是立即反应的。

执行完第一级程序后，在各周期内执行第二级程序的一部分，一直至第二级程序最后分割n部分执行完毕。

然后又重新执行PMC程序，周而复始。

因此，第一级程序每隔8ms执行一次，第二级程序每隔8×nms执行一次。

第一级程序编写不宜过长。

如果程序步数过多，会增加第一级程序的执行时间，1.25ms内第二级程序的执行时间将减少，程序的分割数n将增加，从而延长整个第二级程序的执行时间。

4、FANUC0i系统I/O模块

FANUC0i系统常用的I/O单元模块有机床操作面板、操作盘I/O模块、分线盘I/O模块、I/OLink轴放大器和0i用I/O单元模块。

系统以I/OLink串行总线方式通过I/O模块与系统通信，在I/OLink串行总线中，CNC为主控端，而I/O模块是从控端，每一个I/O模块都有具体的名称，在连接时需要设置组号、基座号和插槽号。

（1）操作盘I/O模块

操作盘I/O模块上的CE56和CE57是输入/输出接口，可以提供48点输入和32点输出，其物理地址分配如表所示，如表5-3所示。

表5-3CE56和CE57接口物理地址分配

CE56接口

CE57接口

+24V

Xm+0.0

Xm+0.1

Xm+3.0

Xm+3.1

Xm+0.2

Xm+0.3

Xm+3.2

Xm+3.3

Xm+0.4

Xm+0.5

Xm+3.4

Xm+3.5

Xm+0.6

Xm+0.7

Xm+3.6

Xm+3.7

Xm+1.0

Xm+1.1

Xm+4.0

Xm+4.1

Xm+1.2

Xm+1.3

Xm+4.2

Xm+4.3

Xm+1.4

Xm+1.5

Xm+4.4

Xm+4.5

Xm+1.6

Xm+1.7

Xm+4.6

Xm+4.7

Xm+2.0

Xm+2.1

Xm+5.0

Xm+5.1

Xm+2.2

Xm+2.3

Xm+5.2

Xm+5.3

Xm+2.4

Xm+2.5

Xm+5.4

Xm+5.5

Xm+2.6

Xm+2.7

Xm+5.6

Xm+5.7

DICOM

Yn+0.0

Yn+0.1

Yn+2.0

Yn+2.1

Yn+0.2

Yn+0.3

Yn+2.2

Yn+2.3

Yn+0.4

Yn+0.5

Yn+2.4

Yn+2.5

Yn+0.6

Yn+0.7

Yn+2.6

Yn+2.7

Yn+1.0

Yn+1.1

Yn+3.0

Yn+3.1

Yn+1.2

Yn+1.3

Yn+3.2

Yn+3.3

Yn+1.4

Yn+1.5

Yn+3.4

Yn+3.5

Yn+1.6

Yn+1.7

Yn+3.6

Yn+3.7

DOCOM

表中m和n是机床制造商格局I/OLink连接情况用软件设置的。

DICOM由用户根据输入传感器情况选择是漏极型输入（高电平有效）还是源极型输入（低电平有效）。

一般DICOM与0V短接，确保输入都是高电平。

DOCOM端为输出信号电源公共端，接外部提供给I/O模块的直流24V。

（2）0i专用I/O模块

0i专用I/O模块上的输入/输出接口为CB104～CB107，可以提

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