開放式數(shù)控機(jī)床主軸控制的軟PLC實(shí)現(xiàn)

摘要：文章針對(duì)開放式數(shù)控機(jī)床主軸控制問題，采用VC編譯器成功完成了PLC程序的編譯、運(yùn)行和基本功能，實(shí)現(xiàn)了開放式數(shù)控機(jī)床主軸運(yùn)行的軟PLC控制。運(yùn)行實(shí)踐表明所開發(fā)的系統(tǒng)界面友好、操作簡(jiǎn)單、功能齊全、運(yùn)行可靠，達(dá)到了預(yù)期邏輯控制的目的；對(duì)軟PLC的性能測(cè)試表明軟PLC的執(zhí)行速度較硬PLC有了大幅度提高，為軟PLC在開放式數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：軟PLC；開放式數(shù)控系統(tǒng)；梯形圖

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-8136(2009)29-0123-03

PLE是數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床間的接口，主要處理各種開關(guān)量的控制信息。軟PLC(son PLC)是基于IPC工業(yè)控制計(jì)算機(jī)或EPC(嵌入式PC)的軟邏輯控制軟件，主要用于工業(yè)控制領(lǐng)域的開關(guān)量邏輯控制、順序控制、定時(shí)器控制、技術(shù)控制、模擬量控制和閉環(huán)過程控制(PID控制)等。眾所周知，PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，適用于惡劣的控制現(xiàn)場(chǎng)，在工業(yè)控制和其他行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。然而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，PLC較差的通用性和兼容性及昂貴的價(jià)格制約了其發(fā)展。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC1131的推出和實(shí)施。進(jìn)一步打破了PIE生產(chǎn)廠商產(chǎn)品互不兼容的局限性，使充分利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPE或EPC的硬件和軟件資源成為可能，表現(xiàn)為全部用軟件來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的功能。研究軟PIE技術(shù)可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高PIE性價(jià)比，帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益。本文利用Visual c++6.0軟件，成功開發(fā)出了軟PLc系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了PLC程序的編譯、運(yùn)行和基本功能，并實(shí)現(xiàn)了開放式數(shù)控系統(tǒng)車床主軸的軟PLC控制。

1 軟PLC的開發(fā)

本文研制的軟PLC開發(fā)系統(tǒng)的總體流程見圖1，由繪制梯形圖、編譯梯形圖、生成中間文件和查找替換生成最終文件等幾個(gè)主要部分組成。

1.1 梯形圖的繪制

繪制梯形圖是編程方法中最基本、最常用的方法。它與繼電器邏輯的梯形圖概念相同。表達(dá)了系統(tǒng)中全部動(dòng)作的相互關(guān)系。在繪制梯形圖時(shí)首先要知道梯形圖由哪些輸入元素和輸出元素組成。由于PLC與繼電器控制電路相比，以軟器件代替了硬器件，以軟觸點(diǎn)代替了硬觸點(diǎn)。以軟接線代替了硬接線，故其YO的使用不受次數(shù)限制。相同的I/O點(diǎn)可以在梯形圖程序中出現(xiàn)多次?？梢杂糜邢薜妮斎胼敵鲈貙?shí)現(xiàn)多種邏輯控制。在得到輸入輸出元素的信息后，本文采用Vc++資源中的工具欄實(shí)現(xiàn)梯形圖的繪制。圖2為輸入輸出元素的界面圖。

1.2 梯形圖的編譯

梯形圖是作為一種圖像文件顯示的。本文中采用了把梯形圖各個(gè)節(jié)點(diǎn)元素的信息存放到一個(gè)矩陣?yán)?，然后按照一定順序存取的方法。這種包含了梯形圖各個(gè)節(jié)點(diǎn)元素全部信息的矩陣稱為矩陣表。

把各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的全部信息存放到鏈表里，對(duì)于繪制、修改梯形圖及實(shí)現(xiàn)重繪非常方便。但是用鏈表存取的數(shù)據(jù)只表明了各元素繪制時(shí)間上的先后順序，而要實(shí)現(xiàn)從梯形圖到結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言的轉(zhuǎn)化，則要借助數(shù)組來實(shí)現(xiàn)。因此必須將鏈表里的數(shù)據(jù)拷貝一份到數(shù)組中，并對(duì)其進(jìn)行操作以得到真正意義上的矩陣表。繪制完梯形圖、生成矩陣表后，在運(yùn)行程序前，先要對(duì)梯形圖進(jìn)行編譯，以檢查其中的錯(cuò)誤。

1.3 從梯形圖轉(zhuǎn)化到C程序文件

轉(zhuǎn)化c程序時(shí)，先將矩陣表各元素的符號(hào)地址做替換標(biāo)志字符“$”，以方便實(shí)際地址和符號(hào)地址進(jìn)行替換，生成PIE開發(fā)系統(tǒng)可操作的地址文件。轉(zhuǎn)化時(shí)遵循“從下到上，從里而外”的原則將梯形圖各“網(wǎng)絡(luò)”由并聯(lián)最終轉(zhuǎn)換為一個(gè)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，然后針對(duì)這行梯形圖寫結(jié)構(gòu)化if語(yǔ)句，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)梯形圖到C文件的轉(zhuǎn)化。由梯形圖轉(zhuǎn)化為c文件的流程圖見圖3。經(jīng)過并聯(lián)處理轉(zhuǎn)換成的C程序文件稱為Csourse，c文件。如：

可以看到，每個(gè)元素變量前都有標(biāo)記字符“$”，在stop前還有多了一個(gè)“!”因?yàn)閟top作為常閉觸點(diǎn)存在。這樣就可以通過查找替換方便地把Csourse.c轉(zhuǎn)換為PLC開發(fā)系統(tǒng)操作的地址文件address.c。

2 開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)

2.1 軟件平臺(tái)

基于SERCOS接口的軟件平臺(tái)要求如下：WindowsNT 4.0，至少32M內(nèi)存(一般要求64M)；實(shí)時(shí)操作子系統(tǒng)Ventur CornRTX 5.0；Microsoft Visual c++6.0(或具有實(shí)時(shí)內(nèi)核的Borlandc++5.0)；Soft SERCANS。其結(jié)構(gòu)體系見圖4所示。

2.2 硬件平臺(tái)

由于微處理器性能增長(zhǎng)速度驚人，Pc機(jī)的CPU不僅用于運(yùn)動(dòng)控制和人機(jī)界面，而且有能力處理SERCOS接口的控制。基于Soft SERCANS的運(yùn)動(dòng)控制器不再需要專用的硬件和處理器，每臺(tái)控制器可插4張SERCOS接口卡，構(gòu)成4個(gè)光纜環(huán)。而對(duì)于每個(gè)光纜環(huán)，Soft SERCANS可支持高達(dá)40根軸，支持的最小循環(huán)周期為500us，所以硬件平臺(tái)選擇通用PC機(jī)體系結(jié)構(gòu)。其好處在于能大大縮短軟件開發(fā)產(chǎn)品的開發(fā)周期和設(shè)計(jì)周期，且有龐大的軟件工具為后援。因此，以其作為數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)不但可以大幅度提高數(shù)控系統(tǒng)的性價(jià)比，而且還可充分利用通用微機(jī)已有軟硬件資源、分享計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的最新成果。此外，以通用微機(jī)作為數(shù)控平臺(tái)還可獲得快速的技術(shù)進(jìn)步：當(dāng)PC機(jī)升級(jí)換代時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)也可相應(yīng)升級(jí)換代，從而長(zhǎng)期保持技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)還為軟件的開發(fā)和擴(kuò)展提供了優(yōu)良的平臺(tái)。

2.3 軟PLC的軟件平臺(tái)

軟PLC由開發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)兩部分組成。開發(fā)系統(tǒng)就是用戶按照要求繪制梯形圖，然后將梯形圖轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)C程序，這樣可以利用vc++編譯器將其編譯為目標(biāo)代碼[10]；運(yùn)行系統(tǒng)就是運(yùn)行開發(fā)系統(tǒng)通過Vc++程序編譯鏈接成的可執(zhí)行文件，得到期望的輸出結(jié)果，然后用此結(jié)果反應(yīng)I／O狀態(tài)的改變?；赟ERCOS接口的軟PLC其軟件驅(qū)動(dòng)器仍為Soft SERCANS。SoftSERCANS是PLC與底層運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件的接口(SERCOS接口的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)向底層運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件的開放性)，而Soft PLC作為Soft SERCANS與用戶界面及網(wǎng)絡(luò)通訊等模塊之間的接口的一部分，為用戶開發(fā)出專用的數(shù)控軟件提供了一個(gè)最簡(jiǎn)潔的平臺(tái)。見圖5所示的為軟PLG軟件體系結(jié)構(gòu)。

3 數(shù)控機(jī)床主軸控制的軟PLC實(shí)現(xiàn)

本文通過一個(gè)基于數(shù)控機(jī)床主軸控制的實(shí)例來驗(yàn)證開發(fā)的軟PLC系統(tǒng)。見圖6所示的是主軸運(yùn)動(dòng)控制的梯形圖。

主軸可以在手動(dòng)和自動(dòng)方式下工作，其旋轉(zhuǎn)有正轉(zhuǎn)和逆轉(zhuǎn)兩種情況。手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式互鎖，正轉(zhuǎn)和逆轉(zhuǎn)也互鎖。不管主軸處于正轉(zhuǎn)還是逆轉(zhuǎn)，當(dāng)停止旋鈕開關(guān)接通時(shí)。主軸都會(huì)停轉(zhuǎn)。表1所列的就是要用到的一些元素。

按照表1的對(duì)應(yīng)關(guān)系，初始化輸入輸出元素后，就可以開始繪制梯形圖了。完整的梯形圖見圖6。經(jīng)過編譯后的運(yùn)行界面見圖7。 點(diǎn)擊“開始”按鈕，讀入address.c程序后，用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊輸入框各個(gè)指示燈，讓它發(fā)亮(變黑)，PLC程序就開始運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)正確的邏輯控制，必須通過單擊鼠標(biāo)左鍵給各變量重新賦值。圖8所示的界面就是當(dāng)手動(dòng)信號(hào)為ON、主軸順轉(zhuǎn)時(shí)，梯形圖的輸出情況。從此圖可以看到，手動(dòng)和自動(dòng)互鎖，因?yàn)楫?dāng)手動(dòng)信號(hào)HS.M和自動(dòng)信號(hào)AS.M都為ON時(shí)，只有HAND有輸出，AUTO沒有，當(dāng)然這與先給手動(dòng)信號(hào)置“I”有關(guān)。同理，可以看出主軸順轉(zhuǎn)和逆轉(zhuǎn)互鎖。

4 軟PLC的速度測(cè)試

本文開發(fā)的軟PIE系統(tǒng)把梯形圖掃描語(yǔ)言變成了結(jié)構(gòu)化c語(yǔ)言，并采用if語(yǔ)句成功實(shí)現(xiàn)了所有邏輯。由于結(jié)構(gòu)化if語(yǔ)句執(zhí)行速度非常快，因此軟PIE的執(zhí)行速度也相應(yīng)地得到了提高。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，本文采用數(shù)字示波器結(jié)合PTX實(shí)時(shí)子系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)函數(shù)對(duì)3800多行控制機(jī)床主軸的if語(yǔ)句進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示其執(zhí)行時(shí)間為528us(一般的PLE掃描時(shí)間為幾毫秒到幾十毫秒)。可見，軟PLC的執(zhí)行速度得到了大幅度提高。

5 結(jié)論

本文針對(duì)開放式數(shù)控系統(tǒng)的主軸控制的軟PLC實(shí)現(xiàn)問題進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

(1)利用vC++編譯器成功開發(fā)出了軟PLC系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了PLC程序編譯、運(yùn)行和基本功能。

(2)數(shù)控機(jī)床主軸控制的運(yùn)行實(shí)例證明所開發(fā)的軟PLC系統(tǒng)能準(zhǔn)確可靠地運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期邏輯控制的目的，表明所開發(fā)的軟PLC系統(tǒng)在開放式數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用穩(wěn)定，經(jīng)數(shù)字示波器結(jié)合FI'X實(shí)時(shí)子系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)函數(shù)測(cè)試，表明軟PLC的執(zhí)行速度得到了大幅度提高。