開放式精密激光切割數(shù)控系統(tǒng)軟PLC程序設(shè)計方法*

李志明 李衛(wèi)超 吳榮華 胡海龍 王培德

(①燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院(軟件學(xué)院)，河北 秦皇島 066004;②河北省計算機(jī)虛擬技術(shù)與系統(tǒng)集成重點實驗室，河北 秦皇島 066004;③北京機(jī)床所精密機(jī)電有限公司，北京 100102)

在基于UMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)過程中，需要編寫上位機(jī)數(shù)控軟件和UMAC內(nèi)部的軟PLC程序兩部分。其中上位機(jī)數(shù)控軟件主要負(fù)責(zé)程序編輯及下載、機(jī)床位置信息顯示、機(jī)床運(yùn)動參數(shù)設(shè)定、錯誤及報警信息顯示處理等功能，而UMAC運(yùn)動控制器中運(yùn)行的軟PLC程序要負(fù)責(zé)數(shù)控面板、外圍設(shè)備控制、異常處理、安全防護(hù)等功能的實現(xiàn)，是數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定性、可靠性的重要基礎(chǔ)。由于數(shù)控面板上各按鍵及波段開關(guān)等根據(jù)機(jī)床工作模式的不同體現(xiàn)的功能各異，再加之其他功能的耦合等，使得開放式數(shù)控系統(tǒng)中的PLC程序結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜;若稍有處理不當(dāng)，輕則可致機(jī)床功能故障，重則可引起嚴(yán)重事故。因此，研究一套通用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)良好、響應(yīng)速度快的PLC程序結(jié)構(gòu)，對研發(fā)可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)的開放式數(shù)控系統(tǒng)具有重要意義［1－2］。

本文以某型號開放式精密激光切割數(shù)控機(jī)床相關(guān)功能的開發(fā)經(jīng)驗為基礎(chǔ)，對軟PLC程序的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法展開研究。

1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該數(shù)控機(jī)床的主要硬件設(shè)備及其相互連接關(guān)系如圖1所示。從圖1可知，UMAC運(yùn)動控制器是整個硬件平臺的控制核心，它的主要作用是完成伺服運(yùn)動控制;通過軟PLC程序的周期性執(zhí)行實現(xiàn)數(shù)控面板、外設(shè)狀態(tài)測控、激光器切割功率控制、報警及安全防護(hù)、上下位機(jī)通信數(shù)據(jù)傳遞等功能。

2 UMAC中軟PLC程序的運(yùn)行機(jī)制

UMAC運(yùn)動控制器內(nèi)部程序分為在前臺實時運(yùn)行的運(yùn)動程序(加工程序)、在后臺循環(huán)掃描運(yùn)行的軟PLC程序［3］;從而，集成了運(yùn)動控制和過程控制兩大功能。UMAC中的軟PLC程序分為兩種，一是未經(jīng)編譯的PLC程序，一是經(jīng)編譯的PLCC程序;它們的編號均從0至31。由于省卻了編譯時間及可使用特殊的數(shù)據(jù)類型，PLCC程序比PLC程序的運(yùn)行速度可快10倍以上［4－5］。

假設(shè)UMAC中有PLC0～PLC2以及PLCC0～PLCC31等程序，則其運(yùn)行機(jī)制如圖2所示。

通過圖2，可以發(fā)現(xiàn)PLC程序的運(yùn)行機(jī)制具有如下幾點規(guī)律:

(1)PLC及PLCC程序執(zhí)行的優(yōu)先級與其程序編號呈反比，即PLC1程序比PLC2的優(yōu)先級高。

(2)1個伺服周期內(nèi)(后臺)，首先按優(yōu)先級執(zhí)行1個PLC程序，之后，執(zhí)行所有PLCC1至PLCC31程序;若有時間空余，則執(zhí)行第2個PLC程序。

(3)在下一個伺服時鐘(前臺)到來前，若不能執(zhí)行完P(guān)LC程序，則可將其暫停;在伺服時鐘內(nèi)，首先進(jìn)行伺服計算，繼而執(zhí)行1次PLC0和PLCC0程序;最后執(zhí)行上次中斷的或新的PLC程序。由此可見，0號PLC及PLCC程序是和伺服算法一起在前臺執(zhí)行的，具有很高的優(yōu)先級。這也決定了PLC及PLCC的0號程序適合處理實時性要求很高、緊急的任務(wù)，但不可以過大;否則，將會占用伺服算法時間致使系統(tǒng)混亂。

(4)各PLC及PLCC程序依據(jù)各自優(yōu)先級循環(huán)往復(fù)執(zhí)行。

3 操控元件功能的復(fù)雜性

數(shù)控面板主要由按鍵及波段開關(guān)等操控元件組成，是數(shù)控系統(tǒng)中人機(jī)交互的重要接口之一。各操控元件依托軟PLC程序?qū)崿F(xiàn)各自的功能。

為規(guī)范操作流程、防止誤操作，操控元件可分為不受模式控制和受模式控制兩類。不受模式控制的操控元件的生效與否和機(jī)床工作模式無關(guān)，主要完成對外圍設(shè)備的輔助控制任務(wù);受模式控制的操控元件和數(shù)控功能密切相關(guān)，只有在特定的機(jī)床工作模式下才生效。

機(jī)床的工作模式，有自動模式、手動模式、回零模式等5種;而在受模式控制的操控元件之中，有相當(dāng)數(shù)量的操控元件在多種模式下生效，從而形成了模式疊加狀態(tài)，如圖3所示。

從PLC程序設(shè)計的角度來看，對數(shù)控面板操控元件功能的實現(xiàn)，需考慮元件的受控性以及工作模式疊加性，從而增加了PLC程序的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。

4 軟PLC程序的作用

4.1 操控元件功能實現(xiàn)

數(shù)控面板上的操控元件，從元件類別角度，可分為按鍵和波段開關(guān)等;從生效條件角度，可分為受模式控制操控元件和不受模式控制操控元件兩大類。用戶通過對數(shù)控面板不同操控元件的操作，可將其對機(jī)床的操作指令轉(zhuǎn)化為數(shù)控面板I/O接口的特定電平狀態(tài)集。通過軟PLC程序，實時檢測并解析電平狀態(tài)集，進(jìn)而判斷機(jī)床的工作模式并調(diào)用相應(yīng)的程序模塊以實現(xiàn)操控元件功能。

4.2 外設(shè)狀態(tài)測控

從UMAC運(yùn)動控制器的角度來看，需檢測及控制的外部設(shè)備較多，如激光發(fā)生器、激光切割頭調(diào)整箱、防護(hù)門、輔助氣體、吸塵器等。這些設(shè)備的狀態(tài)檢測及控制功能均需通過軟PLC程序?qū)/O端口電平狀態(tài)的掃描或控制加以實現(xiàn)。

4.3 報警及安全防護(hù)

為防止系統(tǒng)故障對操作人員及設(shè)備造成意外損害，需針對系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題制定完善的報警及安全防護(hù)措施?？傮w而言，系統(tǒng)報警的來源可分為兩類，一是運(yùn)動控制器的數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部，一是外部設(shè)備。軟PLC程序通過對相關(guān)I/O端口電平狀態(tài)及UMAC內(nèi)部寄存器狀態(tài)進(jìn)行實時檢測，并對系統(tǒng)的嚴(yán)重錯誤及時啟動應(yīng)對動作，從而實現(xiàn)對整個數(shù)控系統(tǒng)的報警及安全防護(hù)功能。

4.4 激光器切割功率控制

在激光切割時，起點、終點、拐角處切割質(zhì)量不佳是個通病;造成該問題的本質(zhì)是切割速度與切割功率不匹配。文獻(xiàn)［6］指出，最有效和推薦的激光功率控制方法是脈沖調(diào)制。脈沖調(diào)制的優(yōu)點在于即時作用，通過改變平均功率和維持峰值功率的方法來調(diào)節(jié)功率，符合切割工藝和材料的要求。該方法中，激光光斑的重疊率是關(guān)鍵的參數(shù)之一，直接影響著切割質(zhì)量［7］。

在本激光切割設(shè)備中，利用UMAC的軟PLC程序，可超前獲取各進(jìn)給軸的預(yù)進(jìn)給速度并計算出預(yù)矢量速度，并依據(jù)特定的加工工藝實時調(diào)整圖1中軸卡6輸出信號PFM的脈沖頻率及占空比［8］，從而實現(xiàn)切割速度與切割功率的實時匹配。

4.5 通信數(shù)據(jù)傳遞

在開放式激光切割數(shù)控系統(tǒng)中，上位機(jī)數(shù)控軟件是另一重要的人機(jī)交互接口。一方面，整個數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、報警信息等均需上位機(jī)數(shù)控軟件從UMAC運(yùn)動控制器獲取;另一方面，用戶對數(shù)控系統(tǒng)的各種參數(shù)設(shè)置、控制命令等，也需通過上位機(jī)軟件發(fā)送給UMAC運(yùn)動控制器。由此可見，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，上位機(jī)軟件與UMAC運(yùn)動控制器之間需要進(jìn)行頻繁的雙向通訊。若采用UMAC的字符命令方式實現(xiàn)二者的通信，勢必會導(dǎo)致占用大量的硬軟件系統(tǒng)資源，且通信實時性及穩(wěn)定性難以保證。

基于此，本文采用了基于雙端口DPRM的通訊方式。首先，統(tǒng)籌規(guī)劃DPRM的內(nèi)存區(qū)域，劃分出上傳數(shù)據(jù)區(qū)和下發(fā)數(shù)據(jù)區(qū)。利用軟PLC程序?qū)崿F(xiàn)欲上傳數(shù)據(jù)的采集工作，并將其送至上傳數(shù)據(jù)區(qū)的指定地址空間;將上位機(jī)數(shù)控軟件下發(fā)的參數(shù)送至下發(fā)數(shù)據(jù)區(qū)的指定地址空間，再經(jīng)軟PLC程序?qū)崟r讀取并處理，使之生效。這樣，上位機(jī)數(shù)控軟件與UMAC運(yùn)動控制器的實時通信就能夠像計算機(jī)訪問自身內(nèi)存一樣穩(wěn)定、高效。

5 軟PLC程序設(shè)計方法

5.1 軟PLC程序功能模塊劃分原則

功能模塊劃分是指在軟件設(shè)計過程中，為了能夠?qū)ο到y(tǒng)開發(fā)流程進(jìn)行管理，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及后續(xù)的可維護(hù)性，從而對軟件開發(fā)按照一定的準(zhǔn)則進(jìn)行模塊的劃分。根據(jù)模塊來進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，可提高系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)度，明確系統(tǒng)的需求，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在對開放式數(shù)控系統(tǒng)軟PLC程序功能模塊劃分時，應(yīng)遵循如下原則:

(1)全面充分地分析系統(tǒng)功能的總體需求，得出需求類表。

(2)對需求歸類分析，形成核心功能主模塊。

(3)結(jié)合軟PLC程序的運(yùn)行機(jī)理，合理分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次，確定系統(tǒng)框架。

(4)依據(jù)功能需求，分析各核心功能主模塊的運(yùn)行頻率及狀態(tài)，并依據(jù)優(yōu)先級，確定PLC及PLCC程序編號。

(5)事先規(guī)劃好各種功能的連鎖反應(yīng)，以增強(qiáng)程序的邏輯性及穩(wěn)定性。

(6)對核心功能主模塊進(jìn)行細(xì)化，得到各功能子模塊。

(7)遵循一般程序設(shè)計方法中模塊劃分的基本原則，如“高內(nèi)聚、低耦合”等。

圖4是依據(jù)上述原則，結(jié)合文中所述某型號精密激光切割數(shù)控機(jī)床功能需求劃分的軟PLC功能模塊圖。

5.2 軟PLC程序結(jié)構(gòu)設(shè)計及其流程

在軟件設(shè)計過程中，需要結(jié)合系統(tǒng)功能對軟件的結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行分析，并確定程序框架的主體。一個良好的系統(tǒng)框架是決定整個系統(tǒng)穩(wěn)定性、封閉性、可維護(hù)性的重要條件之一;同時，也可更好地指導(dǎo)程序功能模塊的劃分。

在5.1節(jié)功能模塊劃分的基礎(chǔ)上，確定該機(jī)床軟PLC的程序結(jié)構(gòu)及其簡要流程如圖5所示。其中，需要特別注意的是，UMAC內(nèi)部的軟PLC程序運(yùn)行機(jī)理與一般的程序不同;它的特點在于每隔一段時間，就會執(zhí)行一遍已啟動的獨立PLC程序，即自循環(huán)模式。

在圖5中，各程序模塊可分為兩大類，一類是常運(yùn)行功能模塊，如激光功率控制、外設(shè)狀態(tài)測控等模塊;另一類是選擇運(yùn)行程序模塊，如手搖模式、自動模式等模塊。依據(jù)機(jī)床工作模式，啟動相應(yīng)模式的程序模塊并關(guān)停無關(guān)模式程序模塊的做法，具有節(jié)省UMAC運(yùn)行資源、加快運(yùn)行速度、提升系統(tǒng)穩(wěn)定性等優(yōu)點。此外，系統(tǒng)狀態(tài)初始化模塊執(zhí)行且初始化成功后，將被徹底關(guān)閉，不再自循環(huán)執(zhí)行。

5.3 程序開發(fā)的幾點注意事項

I/O端口電平狀態(tài)檢測與封裝模塊是操控元件、外設(shè)狀態(tài)測控、報警及安全防護(hù)等功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。所有I/O端口狀態(tài)都應(yīng)按位封裝到DPRM中的內(nèi)存地址中;然后通過位操作來實現(xiàn)對操控元件、外設(shè)狀態(tài)的提取和外設(shè)的控制。

在通信數(shù)據(jù)傳遞模塊實施前，應(yīng)根據(jù)詳細(xì)的功能需求，事先分配好存放上傳數(shù)據(jù)、下發(fā)數(shù)據(jù)的DPRAM內(nèi)存空間地址。

在報警及安全防護(hù)功能模塊實施前，應(yīng)根據(jù)報警、錯誤等進(jìn)行歸類，然后劃定存儲報警及錯誤信息的空間地址，利用軟PLC程序?qū)⒏黝愋畔⒓械街付ǖ刂分?，再加以解析處理?/p>

此外，還要保證各功能的“原子性操作”，尤其是數(shù)控面板上操控元件的功能。例如，當(dāng)處于回零模式時，X軸正在執(zhí)行回零操作;在未執(zhí)行完畢前，用戶又選擇了手動模式，則系統(tǒng)應(yīng)確保 X軸的回零操作完成。

6 結(jié)語

圖6是該精密激光切割數(shù)控機(jī)床的操控面板及上位機(jī)數(shù)控軟件界面。本文依據(jù)上述思想及方法設(shè)計開發(fā)的軟PLC程序已成功應(yīng)用于該套設(shè)備之中。系統(tǒng)集成測試和實際使用表明，本文所構(gòu)建的軟PLC程序具有功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、響應(yīng)及時、系統(tǒng)資源占用低等優(yōu)點，滿足了該精密激光切割數(shù)控機(jī)床的設(shè)計要求。

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