PMC装置的微处理器与存储器设计概述

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：其中，微处理器负责PMC的自检和初始化，与外部设备通信并接收用户程序，对设备状态和用户程序进行诊断和实时运行用户程序；存储器用于存放系统程序、用户程序和相关数据。为了方便用户修改和调试PMC程序，大多采用随机存储器RAM。

1.PMC的功能

早期的普通机床是由按钮、按键、触点和线圈等电气元件或部件按继电逻辑的原理进行硬接线而实现电气控制的，动作简单，但运行起来不可靠，且电控柜体积庞大。因此，现代数控机床上普遍应用可编程序机床控制器（Programmable Machine Tool Controller，PMC），以实现逻辑控制。其程序格式多为梯形图，具有直观易懂、易编制和易操作的特点。PMC依靠其内部存储器，可存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作。PMC的主要功能如下：

（1）控制输入信号包括机床操作面板上的控制信号和机床侧外围开关的控制信号。其中，操作面板上的控制信号有切削液开/关、主轴手动正反转/停止和尾座顶尖前进/后退等，外围开关的控制信号有系统压力监控信号、温度监控信号和位置检测开关等。

图1-58 PMC输出信号的控制过程

（2）控制输出信号（PMC输出信号的控制过程见图1-58）PMC的控制信号经接口和外围电路中的继电器（即外围强电信号和PMC弱电信号间的转换媒介）、接触器、电磁阀或电磁制动器等输出元件，以电信号的形式输出给冷却泵、润滑泵、液压元件和气动元件等执行元件。

（3）实现M功能M功能指的是数控机床的辅助功能，它是由PMC程序预先定义的M指令代码手动（MDI模式）或自动（AUTO模式）控制执行元件接通/断开的。辅助功能主要包括主轴的旋转控制（正反转、停止）、冷却系统的开关控制和程序执行方式的控制（开始、结束和暂停）及机床润滑、刀库刀套上升/下降、机械手旋转等辅助机构的开关控制，并由继电器、接触器和相应的控制阀实现最终动作。

（4）数据处理现代PMC具有整数四则运算、矩阵运算、函数运算、字逻辑运算、求反、循环、移位和浮点数运算等运算功能，以及数据传送、转换、排序、查表及位操作等功能，可完成数据的采集、分析和处理任务。这些数据可与存储在存储器中的参考值进行比较，也可使用通信功能传送至其他智能装置或将它们打印制表。

（5）当数控机床的CNC装置一旦起动，PMC程序便立即运行，且PMC与CNC并行运行，PMC时刻处于扫描机床侧输入信号和强电柜电器元件控制信号执行结果的状态。

2.PMC的组成

PMC可内装于CNC中（如FANUC系统），成为CNC的一部分，与CNC共用一个CPU；PMC也可独立于CNC外（如S7-300/400），具有各自独立处理任务的软件和硬件，此时相当于一台工业控制计算机。通常，独立的PMC由电源模块、CPU模块、I/O（输入/输出）模块、通信模块和功能模块等部件组成（见图1-59）。

图1-59 PMC组成及控制系统图

（1）电源模块（简称PS）PMC一般使用AC220V或DC24V电源，并通过电源模块将输入电压转换为稳定的DC24V，为其他模块和输出模块供电。

（2）CPU模块相当于人的大脑和心脏，负责连续不断地采集输入信号，执行用户程序和刷新系统的输出。CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。其中，微处理器负责PMC的自检和初始化，与外部设备通信并接收用户程序，对设备状态和用户程序进行诊断和实时运行用户程序；存储器用于存放系统程序、用户程序和相关数据。一般存储器可分为系统存储器、用户存储器和数据存储器三种。

1）系统存储器：用于操作系统的程序、用户指令、解释编译程序、诊断程序和通信管理程序等管理性程序的存储。为了能长期保存系统程序，大多数系统存储器采用只读性存储器ROM或电擦除只读存储器EPROM。

2）用户存储器：用于用户载入PMC应用程序的存储。为了方便用户修改和调试PMC程序，大多采用随机存储器RAM。

3）数据存储器：用于存放PMC运行过程中生成或调用中间结果数据（如输入/输出元件的状态数据，定时器、计数器的预置值和当前值等）和组态数据（如输入/输出组态、输入滤波设置、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置和通信组态等）。由于工作数据与组态数据是不断变化的，故不需要长期保存，大多数为随机存储器RAM。

（3）输入/输出模块（简称I/O模块）开关量输入模块和输出模块分别简称为DI模块和DO模块，模拟量输入模块和输出模块分别简称为AI模块和AO模块。它们是系统的眼、耳、手和脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。I/O模块的任务是将各输入信号（如限位开关、操作按钮、选择开关、继电器触头、光电开关和接近开关等开关量输入信号及温度传感器、压力开关和流量计等提供的连续变化的电流、电压或温度输入信号模拟量）转换成PMC标准电平供CPU模块处理，再将CPU模块处理好的弱电输出信号转换成用户设备所要求的强电信号以驱动外部负载——电磁阀、接触器、继电器和指示灯及调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）、数字显示装置和报警装置等执行元件。其中，输入模块用来接收和采集现场设备的输入信号，可分为直流输入、交流输入和交直流输入三种类型；输出模块用来向外部执行机构输出控制信号，可分为晶体管直流输出模块（驱动DC5～30V的高频小功率负载，多用于电子电路控制）、双向晶闸管交流输出模块（驱动AC85～240V的高频大功率负载）和适宜低频负载的继电器输出模块（驱动电动机、电磁阀和信号灯等DC30V或AC250V的低频负载）三种类型（见图1-60）。

图1-60 PMCI/O输出模块的三种类型

（4）通信模块如以太网、RS485、Profibus-DP通信模块等。

（5）功能模块如高速计数、轴定位等功能模块。

3.PMC的工作原理

数控机床的PMC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式，从第一条指令开始，顺序逐条地执行程序，直至程序结束为止，然后返回第一条指令开始新一轮扫描。

PMC的工作流程框图见图1-61。

（1）上电及内部处理上电后，系统进行初始化。初始化涉及硬件初始化、I/O模块检查和保护设定及其他初始化的处理。

（2）输入扫描或采样CPU集中读入各输入模块的全部输入状态，并存放在输入映像缓存区。

（3）程序扫描或执行PMC程序按照从左到右和从上到下的顺序逐行扫描，并将逻辑判断和算术运算后的结果存入输出映像缓存区。程序执行期间，输入映像缓存区的内容保持不变，仅在下一个扫描周期的输入扫描阶段才读入输入信号状态。

（4）输出扫描或刷新将输出映像寄存器的输出信号送至各输出模块，使对应的继电器线圈通电或断电，进而控制外部负载的动作。

（5）诊断及出错处理检查CPU、电池电压、程序存储器和模块通信是否存在异常或出错等。

4.PMC、CNC、MT的关系及信号分类

（1）PMC与CNC和MT（机床）的关系（见图1-62）

图1-6 1PMC的工作流程框图

图1-62 FANUC系统PMC与CNC和MT（机床）的关系

（2）FANUC系统的PMC信号

1）MT→PMC的X信号：属于非保持型存储信号，可理解为由操作者发出的使CNC执行某一动作的G信号指令的控制源，如限位开关、操作按钮、选择开关、继电器触头、光电开关和接近开关等开关量输入信号及温度传感器、压力开关和流量计等提供的连续变化的模拟量输入信号。X地址可由机床制造商随意定义，但跳转信号SKIP、急停信号∗ESP（∗为负逻辑，0有效）和减速信号∗DECn等高速处理信号则由CNC直接读取，且这些X地址被固定不可做其他用途（见图1-63）。使用I/OLink时的地址为X000～X127，内装I/O卡时的地址为X1000～X1127，同时使用I/OLink和I/O卡时的地址X1000～X1127有效。

2）PMC→CNC的G信号：属于非保持型存储输入信号，且大部分G信号已由FANUC公司根据机床动作的控制要求进行了预定义，如急停信号G8.4/∗ESP、循环启动信号G7.2/ST、方式选择信号G43#0#1#2等。常用的G信号见附录。

图1-63 固定的X地址

3）CNC→PMC的F信号：属于非保持型存储信号，且地址已由FANUC公司进行了预定义。常用的F信号见附录。其中，一部分F信号表示CNC正处于某一状态，如F1.0/AL表示CNC处于报警状态，F102/MV表示伺服轴移动中；一部分F信号是CNC响应X信号（经G信号）后执行某一运行的结果，用来通知PMC并使其根据具体情况做适当的处理；还有一部分F信号是加工程序中指令的译码输出，如M代码F10～F13、T代码F26～F29等。

4）PMC→MT的Y信号：属于非保持型存储信号，是控制数控机床的电气回路产生动作的输出信号，如主轴正/反转、润滑和冷却的开/关、自动换刀等动作的信号。Y信号的地址和含义可由机床制造厂商自行定义，如辅助功能M✕✕（✕✕表示0～9的数字）由PMC预定义后送至CNC装置处理，并以F10～F13信号送回至PMC，然后经PMC内部互锁和自锁等逻辑处理后，以Y信号形式输出并控制机床电气回路的线圈通电或断电，从而使强电回路接通而驱动电磁阀、接触器、继电器和指示灯等外部执行元件动作。

5）内部继电器R、定时器T、计数器C、继电器K和数据表D等保持型存储区域。

①内部继电器R：属于非保持型存储信号，是用于PMC内部逻辑的辅助继电器，可任意使用，但不能用来直接驱动外部负载。

②定时器T（TIMER，见图1-64）：定时器相当于继电器电路中的时间继电器。根据指令的不同，可由CNC的MDI单元设定，也可在PMC上进行设定。

③计数器C（COUNTER，见图1-65）：根据指令的不同，可由CNC的MDI单元设定，也可在PMC上进行设定。

④保持型继电器K（KEEPRL，见图1-67）：用于CNC系统断电情况下记忆所设定的内容。其中，K16#6#7为非易失性存储器的控制地址；K17～K19（PMC-SA1）或K900～K902（PMC-SB7）是PMC系统的软件参数，并作为功能开启信号使用。

⑤数据表D（DATA）：是一种保持型数据寄存器。用户可通过参数界面和PMC程序对数据表进行赋值和读取等操作，如加工中心ATC装置中刀号数据表的建立等。数据表画面包含数据表控制画面（见图1-68）和数据表画面（见图1-69）两个画面。其中，在数据表控制画面中可对数据表进行相关组的设定，如增加组的数量、每一组起始寄存器的地址和数量、数据的类型和长度等；在数据表画面则可对数据表的数据进行赋值、组号和寄存器搜索等操作。

图1-64 FANUC系统的定时器

图1-65 FANUC系统的计数器

PMC装置的微处理器与存储器设计概述

相关推荐