数控机床PLC系统的设计与数控系统的设计是密不可分的，目前，机床数控系统一般都自带或提供PLC的功能，这其中既有内装型PLC，也有独立型PLC。因此，在设计数控机床PLC时通常都选择与数控系统相同品牌的PLC。
由数控系统供应商提供的PLC在硬件上无论是接口类型还是I／O点的规模都为了适应数控机床的要求进行了专门设计或给出了典型推荐配置；软件上则一般根据数控机床的控制要求固化了PLC程序或提供标准PLC例程供用户参考选用。用户在使用中需要根据具体机床的特点设置少量的参数或对标准例程作部分修改即可满足一般的要求。对于复杂的控制要求也可以通过参考例程比较容易地实现。
一、PLC系统设计步骤
1.工艺分析
首先对被控机床设备的工艺过程、工作特点、控制系统的控制过程、功能和特性进行分析，估算I／O模拟量的接口数量和精度要求，从而对PLC提出整体要求。
2.系统调研
对根据设备的要求初步选定的数控系统进行调研，了解其所提供的PLC系统的功能和特点，包括PLC的类型、接口种类和数量、接口性能、扩展性、PLC程序的编制方法、售后服务等内容，必要时应该和供应商直接联系。
3.确定方案
根据前两步的工作，综合考虑数控系统和PLC系统的功能、性能、特点，本单位的需要和使用习惯以及整机性价比确定PLC系统的方案。
实际上，这里主要是从PLC的角度对数控系统提出要求，从而确定数控系统的方案。
只有少数情况才会需要选用独立型PLC。例如，从经济的角度考虑，选用了简易型数控系统，但设备需要较多的模拟量接口或大量的开关接口，而数控系统提供的PLC不能满足要求，则需要选用独立型的PLC。
在选择独立型PLC时，主要考虑四个因素：
（1）功能范围。PLC功能有强弱之分，价格差别很大。应根据系统的实际需要选用。功能方面主要考虑有无扩展能力，有无模拟量输入输出，指令系统是否完善，有没有中断能力和联网能力等。
（2）I／O点数。统计系统设计中输入／输出的种类及数量，确定选用I／O模块的种类及数量。一般都有一定数量的扩展单位供用户配置。选用时要在满足需要的前提下注意经济性。
（3）存储器容量。根据系统大小的不同，选择用户存储器容量不同的PLC，一般厂商提供1kB、2kB、4kB、8kB、16kB等容量的存储器。选择方法主要凭经验估算，其估算方法有下列两种：
第一，PLC内存容量（指令条数）约等于I／O总点数的10～15倍。
第二，指令条数=6（I／O）+2（Tm+Ctr）。式中Tm为定时器总数，Ctr为计数器总数。有时可以在其基础上增加20%的裕量。
（4）处理时间。PLC从处理一个输入信号到产生一个输出信号所需的时间称为处理时间。处理时间的长短不仅决定于CPU的循环扫描周期，还与输出继电器的机械滞后、输入信号的到来时刻在扫描周期中的时机以及程序语句的安排有密切的关系。当PLC的扫描周期为20ms时，一个交流输入信号的处理时间可达60ms左右，这对于一般工业控制系统来说已足够灵敏，对某些要求输入／输出作出快速响应的设备，可采用快速响应模块、高速计数模块及中断处理等措施来缩短处理时间。
4.电气设计
PLC控制系统的电气设计包括内容有：原理图、元器件清单、电柜布置图、接线图与互连图，如果是定型设备还应包括工艺图，这在其他资料有详细介绍。电气设计时特别要注意以下几点：
第一，PLC输出接口的类型，是继电器输出还是光电隔离输出等。
第二，PLC输出接口的驱动能力，一般继电器输出为2A，光隔输出为500mA。
第三，模拟量接口的类型和极性要求，一般有电流型输出（-20～20mA）和电压型输出（-10～+10V）两种可选。
第四，采用多直流电源时的保护电路。
第五，输出端接不同负载类型时的保护电路。
第六，执行电器若为感性负载，需接保护电路。直流可加续流二极管，交流可加阻容吸收电路。
第七，若电网电压波动较大或附近有大的电磁干扰源，应在电源与PLC间加设隔离变压器、稳压电源或电源滤波器。
第八，主要PLC的散热条件，当PLC的环境温度高于55℃时，要用风扇强制冷却。
二、PLC程序设计
目前，数控机床特别是通用数控机床的各种功能，例如主轴控制、车床刀架转位、加工中心刀库的换刀、润滑、冷却的启／停等已经标准化，各种数控系统一般都内置或提供满足这些功能的PLC程序。采用独立型PLC时，一般厂家也会提供满足通用数控机床要求的标准PLC程序。因此，设计PLC程序最重要的方法就是详细了解并参考系统提供的标准PLC程序。
程序设计是PLC应用中最关键的问题。PLC程序设计的基本思路是按照设备的要求设计输入和输出信号的逻辑关系，在输入某些信号时得到预期的输出信号，从而实现预期的工作过程。因此，简单而常用的方法是以过程为目标，分析每个过程的启动条件和限制条件，根据这些条件编写该过程的PLC程序，完成了所有过程的PLC程序即完成了整个PLC程序。其中某个过程可以仅涉及一个输出接口，例如冷却电动机的启动／停止；也可以涉及多个输出接口，例如加工中心换刀的过程。这种方法比较容易实现PLC程序的模块化，易于各过程的独立调试，缺点是往往不能保证最小的存储器占有量。目前，随着计算机和微电子技术的发展，对PLC存储器容量方面的限制已经越来越小。
1.PLC程序设计的常用方法
程序设计的方法有很多，如状态表法、功能表法、流程图法及现代Petri网法等。
（1）状态表法。状态表法是从传统继电器逻辑设计方法继承而来的，经过适当改进，适合于可编程序控制梯形图设计的一种方法。但状态表法仅适合于单一顺序问题的程序设计，而对于具有并顺序和选择顺序的问题就显得无能为力。 （2）功能图法。功能图法是先将控制要求表达为功能图，用功能图来说明可编程序控制器所要完成的控制功能，然后由功能图写出逻辑方程，再画出梯形图或写出指令。
状态表法、功能图法可以解决顺序、随即等类型问题的程序设计。但是，这些方法不适用于具有协调、竞争等性质系统控制程序的设计。Perti网方法是解决并行系统程序设计的一种方法。
（3）流程图方法。对于采用计算机高级语言设计的PLC程序，可以采用数据处理指令来解决逻辑问题，比单纯用逻辑指令要简单的多。可以方便地处理顺序、随即、协调、竞争等控制功能。流程图是熟悉计算机高级语言的程序设计人员常用的程序设计方法。
流程图是采用高级语言编程程序的PLC所用的方法，与一般软件设计的流程图相同，由有向线段、处理块、判断块等元素组成，对数控机床上的各种过程都能非常方便的描述。在分析机床的工艺和控制过程时，可以直接采用流程图进行描述，这样完成了机床所有的控制过程的分析，也就基本上完成了程序设计，然后再通过流程图完成程序的编写。这种方法也适用于采用语句表编程语言的PLC。
（4）将继电器控制电路，改画成梯形图。对于采用梯形图编程的PLC，正如前述由于继电器控制电路与梯形图有很多相似之处，因此，可以将成熟的继电器控制系统直接改画成PLC梯形图，这种方法适用于较简单的控制过程。
（5）经验设计法。对于较复杂的控制过程，可以根据被控制对象控制的要求，初步设计出继电器控制电路，或直接设计出梯形图，再进行必要的简化和校验，有时在调试过程中还需要进行必要地修改。这种设计方法灵活性大，其结果一般不是唯一的。一般与第一种方法配合
使用。
2.PLC程序设计的一般步骤
第一，若所采用的PLC自带有程序，应该详细了解程序已有的功能，对现有需求的满足程度和可修改性，尽量采用PLC自带的程序。
第二，将所有与PLC相关的输入信号（按钮、行程开关、速度及时间等传感器），输出信号（接触器、电磁阀、信号灯等）分别列表，并按PLC内部接口范围，给每个信号分配一个确定的编号。
第三，详细了解生产工艺和设备对控制系统的要求，画出系统各个功能过程的工作循环图或流程图、功能图及有关信号的时序图。
第四，按照PLC程序语言的要求设计梯形图或编写程序清单。梯形图上文字符号应按现场信号与PLC内部接口对照表的规定标注。
3.PLC程序设计的一般原则
第一，设计时要考虑到保证人身与设备的安全。
第二，PLC的设计应该是在保证操作者和设备安全的前提下完成其功能。
第三，PLC程序的安全设计，并不代表硬件的安全保护可以省略。
第四，PLC程序的安全设计，仅是在软件上提供保护功能，为了避免软件工程异常和调试中程序编写错误或操作不当引起的事故，还要在硬件上设计保护功能。例如，电动机正／反转接触器的互锁设计、电动机的限位保护开关，这些均在硬件上实现，不需要通过PLC控制。
第五，了解PLC自身的特点。不同的厂家的PLC都各有特点，在应用中也会不同，因此要了解PLC自身的特点才能正确使用并发挥PLC应有的能力，如PLC的初始状态、工作方式（循环扫描／周期扫描）、扫描周期。
第六，设计调试点易于调试。PLC程序的设计往往不是一次可以完成，常常需要分步反复调试和实验，因此，在PLC设计中，与一般的软件设计类似，需要利用中间寄存器设计跟踪标记和断点，以方便调试。例如，在自动换刀控制程序中设计临时外部控制指令，使连续的换刀过程变为分布执行，分布检查换刀的控制过程是否满足实际要求，待调试成功再取消该临时外部控制指令，使换刀过程连续执行。
第七，模块化设计。数控机床的PLC一般要完成许多功能，模块化设计便于我们对各个功能进行单独调试，当改变某一功能的控制程序时，也不会对PLC的其他功能产生影响。
第八，尽量减少程序量。减少程序量可以减少程序运行的时间，提高PLC的响应速度，这对于循环扫描的PLC尤为重要。另外，某些内装式PLC与数控系统共用处理器、存储器等资源，减少PLC的程序量对于节省系统资源也是非常必要的。
第九，全面的注释，便于维修。PLC所服务的数控机床要求长时间的稳定运行，因此，PLC出现问题时要能立刻排除，详细的注释有利于维修人员维修、日常维护及系统扩展新的功能。
三、PLC调试
1.输入程序
根据型号的不同，PLC有多种程序输入方法，例如，在PLC上本地输入，通过数控系统输入，通过外部专用编程器输入，通过PLC提供的基于PC的软件在外部PC上输入。多数PLC都提供PC机编程输入功能。
2.检查电气线路
如果电气线路安装有误，不仅会严重影响PLC程序的调试进度，而且有可能损坏元器件。因此，调试前应该仔细检查整个系统的电气线路，特别是电源部分。若系统是分模块设计调试的，也可以只检查准备调试的模块部分的电气线路。
3.模拟调试
正如前述，PLC处在数控系统与机床电气之间，起着承上启下的作用，如果PLC指令有误，即使电气线路没有错误，也有可能引起事故，损坏设备。例如主轴采用齿轮传动时，若齿轮啮合未到位，强行长时间运行主轴有可能损坏传动齿轮。因此，在PLC实际应用调试前应先进行模拟
调试。
模拟调试可以采用系统提供的模拟台调试，也可以在关闭系统强电的条件下模拟调试，例如，关闭主轴强电空开，那么调试中即使PLC动作有误，由于主轴电动机不会实际运转，所以也不会引起事故。
对于输入信号，如主轴挡到位回答信号、刀具夹紧到位回答信号等，可以采用人工输入的方式模拟，按照预定设计的顺序逐步调试，观察输出信号及其控制的执行电器是否按预定规律动作。
4.运行调试
接通功率器件的动力，如电动机及其驱动器的强电、气压、液压等，按照实际运行的需要调试，在运行调试中要注意电气与机械的配合。
5.非常规调试，验证安全保护和报警的功能
按照与设计功能不同的顺序输入或输出信号，例如刀具松的状态下，按主轴启动按钮，或在主轴运行中，按下刀具松按钮，观察PLC设计的保护功能是否有效。
运行中接入各单位的报警信号，观察PLC程序是否能正确地报警并保护相应的单元。例如主轴运行中，接入主轴过热信号，观察PLC是否能报警，并同时停止主轴和刀具
进给。
这部分工作一般也分为模拟调试和运行中调试两步，以防如果保护功能失效损坏器件和设备。
6.安全检查并投入考验性试运行
待一切正常后可将程序固化到PLC存储器中，并作备份和详细文档，说明程序的功能和使用方法等信息。
（作者单位：江苏省徐州技师学院）