软PLC技术在开放式数控系统中的应用
2023-8-8 来源： 哈尔滨职业技术学院 作者：王志学，姜宇，郝双双
摘要：阐述软PLC具有结构灵活、性价比高的特点，为了扩展软PLC技术的应用范围，将软PLC技术应用到了开放式数控系统，并进行程序设计。实验结果表明，软PLC可以准确地完成开放式数控系统中开关量控制的功能，从而提高数控系统的开放程度。
关键词：控制技术，软PLC，开放式数控系统，主轴正反转。
0、引言
PLC具有编程简单、工作可靠和便于使用等特点，因此在自动化领域得到了广泛的应用。但是常规的PLC被几大厂商垄断，导致PLC价格居高不下，同时硬件互不兼容，编程规则没有统一的标准，最主要的是常规的PLC结构封闭，不利于搭建可重构、可扩充的智能制造系统，在这样的背景下，促使了软PLC技术的发展。软PLC技术以通用采集卡和计算机为硬件依托，通过对采集卡的开发，实现常规PLC的控制功能。软PLC技术可以提高系统的开放程度，便于与智能制造模块进行集成，可以很好地解决传统PLC系统中的问题。
开放式数控系统作为一种模块化、可重构的数控系统，其最大的优势在于结构的开放性。为了提高数控系统的开放性，同时拓宽软PLC的应用范围，本文将软PLC技术应用到了数控系统中，增加了数控系统的开放程度，具有重要的参考意义。
1、 软PLC在开放式数控系统中的功能
（1）M指令的实现
M指令是控制机床各辅助功能开/关的指令，被称为辅助功能指令。常用的辅助功能指令包括卡具的加紧与松开、主轴的启动与停止、冷却液的开启与关闭等。开放式数控系统接收到NC程序中的M指令后，首先经过译码，然后交给软PLC进行处理，最后软PLC根据PLC程序的逻辑关系控制输出信号，辅助完成零件的加工。
（2）T指令的实现
T指令是换刀指令，可以实现加工过程中刀具的自动更换，节省了加工人员手动换刀的时间，提高了生产效率。当数控程序中存在T指令时，开放式数控系统会将这些T指令交给软PLC处理，软PLC会控制刀库旋转，完成换刀的一系列动作。
（3）面板按键功能的实现
为了便于操作，在开放式数控机床上安装并开发了控制面板，通过控制面板可以方便地对机床进行控制。当按下机床操作面板上的按键时，会产生外部触发信号，然后传入到PLC内部，经过逻辑关系的计算后，软PLC会控制外部的输出，从而实现控制面板上各按键的功能。控制面板上的功能主要包括进给倍率、加工方式的选择、排屑、吹气、工作灯、主轴正反转、刀库正反转等。为了便于观察各功能的开启状态，在控制面板上设计了工作反馈灯，这些反馈灯的开启与关闭也由软PLC来控制。
（4）处理机床侧外部输入I/O信号
为了实现机床与开放式数控系统的协调运转，在机床本体一侧布置有各种检测元件，这些检测元件发出的信号会交给软PLC进行处理，然后实现软件和硬件的协调运转。机床侧常用到的检测元件包括行程开关和接近开关等。
2、开放式数控系统中软PLC控制程序分析
通过上面的分析可以看出，在开放式数控系统中，软PLC控制的功能有很多。本节以开放式数控系统中典型的主轴正反转控制程序为例，利用前期自主开发的软PLC系统编制了相关的控制程序，并进行相关分析。
数控系统中的主轴正反转功能需要满足下面的要求：（1）主轴正转和反转不能同时开启，也就是正转和反转之间需要互锁；（2）主轴的正转和反转需要自锁；（3）主轴从正转变为反转，或从反转变为正转时，需要先停止主轴，然后再进行转向的改变。通过上面的分析，结合硬件的端口分配情况，利用开发的软PLC系统编制了梯形图控制程序，如图1所示，图中各指令的含义如表1所示。
图1 主轴正反转控制程序
表1 主轴正反转程序指令对应表
为了验证软PLC技术应用于开放式数控系统的可行性，利用本实验室自主开发的开放式数控系统进行了实验验证，图2为实验室自主开发的开放式数控控制面板，上面各按键的功能通过软PLC进行实现，利用该控制面板可以控制机床的运行状态。在自动加工模式下，可以通过M03、M04和M05指令对主轴的旋转方向进行控制。当NC程序中存在这些指令时，开放式数控系统会把这些指令交给软PLC进行处理，并实现相应的功能。
图2 控制界面
在主轴正反转程序中，X4.2、X4.3、X5.3为工作方式选择按钮所对应的端口地址，通过不同端口高低电平的组合，可以区分不同的工作状态，各编码组合与工作状态对应关系如表2所示。当加工状态为手动时，手动工作状态辅助继电器M6.1得电，此时通过控制面板上的主轴反转按钮可以控制主轴反转端口X3.7得电与否。当X3.7被按下时，此时主轴反转线圈Y4.3得电，同时实现自锁，最终主轴反转开启。因为在主轴正转的支路上串联了主轴反转的常闭触点，所以当主轴反转时，主轴正转不会开启。当加工状态为自动加工状态时，自动工作方式辅助继电器M6.2得电。当加工程序中存在M05指令（主轴反转）时，开放式数控系统译码模块会将该指令交给软PLC进行处理，此时主轴反转辅助继电器6.4会得电，最终主轴反转Y4.3线圈得电，并实现自锁，实现自动方式下主轴反转的开启。主轴正转的实现过程与主轴反转的实现过程相似，在此不再分析。
表2 选择方式编码对应表
3、软PLC应用效果验证
为了证明软PLC应用于开放式数控系统的效果，进行了实验验证，实验在自主研发的开放式数控系统上进行。首先进行了手动状态下的实验验证，将工作方式按钮打到手动状态后，按主轴正转按钮，此时机床主轴正转开启，同时控制面板上的主轴正转反馈灯开启，如图3所示。
图3 手动模式下机床控制效果图
同时，在自动加工模式下进行了实验验证，选择好数控加工程序后，按循环启动按钮，开放式数控系统就会按照数控程序进行执行，当执行到M03（主轴正转指令时），软PLC会使辅助继电器M6.3得电，从而使主轴正转，同时相应的反馈灯也会开启。在自动模式下，主轴正转开启的实验现场如图4所示。
图4 自动模式下机床控制效果图
以上通过实验证明手动状态和自动状态下主轴正转开启的过程，主轴反转和主轴停止的过程与此相似，通过此实验证明了软PLC应用于开放式数控系统的可行性。
4、结语
本文将软PLC技术应用于开放式数控系统，并进行了实验验证。结果表明，软PLC可以在自动和手动模式下控制开放式数控系统的开关指令，对于提高开放式数控系统的开放程度具有重要的意义。
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相关信息
