面向數(shù)控機(jī)床的嵌入式軟PLC開發(fā)系統(tǒng)的研究

王永高

摘 要：近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展以及IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，軟PLC得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。該文主要以嵌入式軟PLC開發(fā)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為研究內(nèi)容，詳細(xì)分析了嵌入式軟PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用及其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：嵌入式軟PLC 數(shù)控機(jī)床 數(shù)字化控制

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0081-01

1 嵌入式軟PLC的相關(guān)理論基礎(chǔ)

1.1 嵌入式軟PLC的硬件平臺及其功能

嵌入式軟PLC硬件平臺是由微處理器、存儲器、輸入輸出設(shè)備和外圍電路組成的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，是系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件運(yùn)行的硬件基礎(chǔ)。嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心構(gòu)件，起到控制整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行的作用。它與由內(nèi)存、I/O端口、電源等構(gòu)成的外圍電路組成一個(gè)完整的嵌入式目標(biāo)系統(tǒng)。外部設(shè)備包括存儲設(shè)備、I/O設(shè)備和打印設(shè)備等，用于嵌入式系統(tǒng)與現(xiàn)場環(huán)境的交互。在應(yīng)用于具體的控制系統(tǒng)時(shí)，使用者會根據(jù)應(yīng)用的不同，選擇不同的硬件平臺。嵌入式PC與標(biāo)準(zhǔn)PC完全兼容，它的硬件結(jié)構(gòu)和軟件開發(fā)平臺與標(biāo)準(zhǔn)PC相同，可以能完成與普通PC相同的工作。

在各種嵌入式PC中，近年來，PC104嵌入式工控板發(fā)展迅速，這是一個(gè)專門為工業(yè)控制總線的嵌入式控制系統(tǒng)，嵌入式控制系統(tǒng)是一個(gè)優(yōu)化的、小的、堆棧結(jié)構(gòu)。它基于CPU板堆疊在擴(kuò)展卡中形成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。PC104擴(kuò)展卡包括網(wǎng)卡、數(shù)字I/O卡、RS232/485通訊卡、A/D卡等。

1.2 嵌入式軟PLC系統(tǒng)的體系

嵌入式軟PLC系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)一般包括由運(yùn)行系統(tǒng)和開發(fā)系統(tǒng)兩大部分。其中運(yùn)行系統(tǒng)一般由接口模塊、管理模塊、內(nèi)核調(diào)試器等組成。它運(yùn)行于嵌入式硬件平臺上，可開發(fā)系統(tǒng)生產(chǎn)的目標(biāo)代碼，進(jìn)而起到控制機(jī)床的作用。開發(fā)系統(tǒng)可提供編譯、編輯、調(diào)試等各種功能。其編輯功能的實(shí)現(xiàn)一般遵循IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，能支持多種PLC編程語言，編譯功能是將編輯的PLC梯形圖程序轉(zhuǎn)換成目標(biāo)代碼，調(diào)試功能是將PLC程序經(jīng)檢錯(cuò)、修改、試運(yùn)行得到正確可靠的目標(biāo)代碼。最后通過通信接口將目標(biāo)程序傳輸?shù)接布到y(tǒng)中，繼而對機(jī)床動作進(jìn)行控制。

2 PLC與數(shù)控機(jī)床的連接方式

通用可編程控制器與數(shù)控機(jī)床的連接方式是一種外部電路的連接方法，通過數(shù)控系統(tǒng)的I/O端口發(fā)送控制命令。無觸點(diǎn)開關(guān)可編程控制器的輸入端，完成可編程控制器控制的機(jī)床電器邏輯?？删幊炭刂破髋c數(shù)控機(jī)床的強(qiáng)電、數(shù)控裝置I/O的連接線大致可以分為3類：

（1）PLC的輸入輸出端與機(jī)床面板信號連接。有數(shù)控機(jī)床操作面板上的各種類型的按鈕，按鈕開關(guān)直接連接到PLC的輸入端，PLC實(shí)時(shí)掃描按鍵狀態(tài)，當(dāng)輸入信號。

（2）PLC輸出端與機(jī)床電氣信號連接。數(shù)控機(jī)床PLC的主要功能是控制電氣設(shè)備的高壓部分，每個(gè)操作控制邏輯存儲在計(jì)算機(jī)中，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令操作。

（3）連接到PLC的輸入端與數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置的I/O端口。該開關(guān)的輸出端通過PLC內(nèi)部邏輯控制信號的輸入和系統(tǒng)控制面板的決定。梯形圖程序的最大特點(diǎn)是觸點(diǎn)“軟接觸”，觸點(diǎn)使用無限制。

3 數(shù)控加工代碼的實(shí)現(xiàn)方法

當(dāng)前數(shù)控程序已有ISO標(biāo)準(zhǔn)，可以分為準(zhǔn)備（G指令），輔助（M指令），工具（T），主軸（S指令），進(jìn)給（F指令）功能。準(zhǔn)備（G指令）的刀具與工件主要規(guī)定的相對運(yùn)動功能的指令、機(jī)床坐標(biāo)系、坐標(biāo)平面、刀具補(bǔ)償、坐標(biāo)偏移等多種加工操作。輔助功能指令主要控制夾緊和松開機(jī)床電氣部分由主軸換向，冷卻液開關(guān)；T指令與刀具的選擇和補(bǔ)償有關(guān)；S指令指定主軸轉(zhuǎn)速；F指令指定加工時(shí)的進(jìn)給速度。

（1）M指令的實(shí)現(xiàn)方法。

M指令主要有程序停止、主軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、主軸停止、準(zhǔn)備換刀等。其中一部分是由數(shù)控系統(tǒng)本身的硬件和軟件來實(shí)現(xiàn)，還有一部分需要數(shù)控裝置與PLC相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。

（2）T指令的實(shí)現(xiàn)方法。

在PLC上實(shí)現(xiàn)的主要是刀具選擇。其過程如下：運(yùn)行數(shù)控程序，當(dāng)遇到包含某個(gè)刀具編碼的換刀指令時(shí)，對應(yīng)的數(shù)控裝置I/O口變成高電平，使PLC輸入端的軟開關(guān)接通，換刀電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到位（有檢測觸點(diǎn)）后，換刀電機(jī)反轉(zhuǎn)，使刀架下落壓緊，壓緊力足夠大時(shí)，微動開關(guān)接通，換刀電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）S指令的實(shí)現(xiàn)方法。

S功能主要完成對主軸轉(zhuǎn)速的控制，常用的有代碼法和直接指定法。代碼法是S后面跟二位數(shù)字，這些數(shù)字不直接表示主軸轉(zhuǎn)速的大小，而是機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速數(shù)列的序號；直接指定法是S后面直接就是主軸轉(zhuǎn)速的大小，例如S1500表示主軸轉(zhuǎn)速是1 500r/min。

（4）運(yùn)行系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程。

嵌入式軟PLC運(yùn)行系統(tǒng)能夠在嵌入式硬件的支持下，把控制程序中的每個(gè)程序段或部分程序段進(jìn)行解釋執(zhí)行。解釋執(zhí)行PLC控制程序的具體步驟有輸入釆樣、指令解釋、輸出刷新、巡回掃描等。輸入釆樣階段是把PLC梯形圖程序中與輸入觸點(diǎn)相關(guān)的信息傳遞到對應(yīng)的寄存器，然后將釆集到的觸點(diǎn)狀態(tài)存儲到系統(tǒng)的內(nèi)部存儲器中，最后將內(nèi)部存儲器中數(shù)據(jù)狀態(tài)復(fù)制到輸入映像區(qū)中，以方便PLC程序在執(zhí)行的時(shí)候使用。指令解釋就是將PLC梯形圖程序一行一行地解釋、分解，最終轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以執(zhí)行的代碼，并將代碼信息存儲到相應(yīng)的映像區(qū)中。輸出刷新階段中，映像區(qū)中的數(shù)據(jù)狀態(tài)被保存到輸出寄存器，然后被輸出。只有三個(gè)階段分別完成各自的任務(wù)并緊密銜接起來，才能使運(yùn)行系統(tǒng)正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。

4 結(jié)語

PLC的產(chǎn)生為各種應(yīng)用提供了極其可靠的控制，關(guān)鍵之一在于它能持續(xù)發(fā)展，并與現(xiàn)代工業(yè)需要相適應(yīng)。因此，PLC控制裝置必將在自動控制領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

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