機(jī)電裝備運(yùn)動控制軟件功能庫開發(fā)

吳繼春， 許 可， 陳凌宇， 范大鵬

（1.湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073）

1 引 言

運(yùn)動控制系統(tǒng)開發(fā)一直是機(jī)電控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，越來越多的用戶在尋求標(biāo)準(zhǔn)化程度高、可移植強(qiáng)、開放性好、能夠快速開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)［1-3］。

目前，可編程控制器（Programmable Logic Controller， PLC）已被廣泛應(yīng)用，且已成為智能制造系統(tǒng)的載體和核心。通過符合PLCopen規(guī)范的編程開發(fā)方式，對不同類型組件高效集成［4］，將運(yùn)動規(guī)劃［5］算法、高精度控制［6］算法，以及機(jī)電系統(tǒng)的架構(gòu)［7］均以功能塊的形式表達(dá)，因此如何開發(fā)功能塊是關(guān)鍵。Krzysztof等在基于PLCopen規(guī)范的基礎(chǔ)上，通過PLC coder快速生成，將運(yùn)動軌跡生成與算法實(shí)際結(jié)合起來，并證明了該方 法的 有效性［8］。Ruiz團(tuán) 隊(duì)開發(fā) 了基 于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具，用于評估PLC控制器在不同軌跡下的控制性能［9］。Doaa等針對運(yùn)動控制內(nèi)的安全問題進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)并開發(fā)安全功能塊，用于保證運(yùn)動控制過程中的安全和穩(wěn)定［10］。國內(nèi)外自動化生產(chǎn)商廣泛采用PLC規(guī)范編程方式，提供了可以嵌入IEC 61131-3編程軟件的機(jī)械運(yùn)動、CNC、機(jī)器人等一系列標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動控制功能庫［11］。但是其開發(fā)的產(chǎn)品開放性差，在實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用有待研究，浙江工業(yè)大學(xué)徐建明等基于Codesys開發(fā)環(huán)境和EtherCAT通訊協(xié)議設(shè)計(jì)了PLCopen規(guī)范的六軸機(jī)器人控制系統(tǒng)［12-13］。針對控制算法的研究，華中科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出運(yùn)動控制系統(tǒng)分層模型和功能塊打斷機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了基于PLCopen標(biāo)準(zhǔn)的基本運(yùn)動功能塊［14］。王夫康等針對單軸及主/從結(jié)構(gòu)多軸功能塊無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多維運(yùn)動控制的問題，對軸組功能塊的執(zhí)行方式、參數(shù)保存及傳遞方法進(jìn)行研究，提出結(jié)構(gòu)體隊(duì)列法，設(shè)計(jì)軸組功能塊，完成了多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動控制［15］。華南理工大學(xué)李迪團(tuán)隊(duì)研究了功能塊內(nèi)部的加減速控制算法以及多軸直線、圓弧插補(bǔ)算法，并在自主設(shè)計(jì)軟PLC平臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［16］。

上述研究都是基于特定開發(fā)環(huán)境使用傳統(tǒng)編程開發(fā)方式開發(fā)的功能塊，增加了編程要求和難度。本文對運(yùn)動控制功能塊的設(shè)計(jì)和開發(fā)方式進(jìn)行研究，在PLCopen規(guī)范的基礎(chǔ)上，提出了一種運(yùn)動控制功能庫架構(gòu)及其快速生成方法。利用功能塊快速開發(fā)技術(shù)解決了眾多功能塊的開發(fā)問題，降低了編程難度，提高了開發(fā)效率；并以旋轉(zhuǎn)雙棱鏡和CNC運(yùn)動系統(tǒng)為對象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，所提出的方法能夠有效減少編程難度、縮短開發(fā)周期、增強(qiáng)程序的可復(fù)用性，同時(shí)也驗(yàn)證了自主開發(fā)的功能庫能夠滿足復(fù)雜的運(yùn)動控制需要。

2 PLCopen規(guī)范介紹

PLCopen組織先后制定了符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動控制、邏輯控制、安全控制、OPCUA、XML代碼交換等規(guī)范。該規(guī)范在基于控制安全前提下使得PLC邏輯、機(jī)器人控制、CNC控制融合在一個(gè)編程平臺中。通過XML規(guī)范能夠?qū)崿F(xiàn)基于不同開發(fā)環(huán)境中開發(fā)的程序或代碼的跨平臺使用。通過OPC-UA規(guī)范實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制器及HMI組態(tài)軟件之間的安全通信。

2.1 PLCopen運(yùn)動控制規(guī)范

在PLCopen規(guī)范中，運(yùn)動控制規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)動控制模塊開發(fā)提供了框架。該規(guī)范基于IEC標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)環(huán)境，在開發(fā)、安裝和維護(hù)的各個(gè)階段協(xié)調(diào)不同的開發(fā)平臺，使上述環(huán)節(jié)都能夠滿足運(yùn)動控制功能塊的標(biāo)準(zhǔn)化要求，從而實(shí)現(xiàn)“軟件定義機(jī)器”的目標(biāo)。該規(guī)范分為6部分，內(nèi)容和功能定義如表1所示。

表1 PLCopen運(yùn)動控制規(guī)范Tab.1 PLCopen motion control specification

表1中，Part1和Part2對單軸和多軸功能塊的基本功能塊、狀態(tài)機(jī)、使用規(guī)則等進(jìn)行了定義和擴(kuò)展。Part3為用戶提高使用引導(dǎo)和功能塊示例。Part4對Part1和Part2在三維空間多軸運(yùn)動控制功能進(jìn)行擴(kuò)展，Part5是針對運(yùn)動的坐標(biāo)系變換功能進(jìn)行擴(kuò)展。Part6提供液壓元件和液壓泵系統(tǒng)控制規(guī)范。上述規(guī)范為運(yùn)動控制功能塊的設(shè)計(jì)和開發(fā)及實(shí)現(xiàn)制造裝備的完全自主可控開發(fā)生態(tài)提供了標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 功能塊的實(shí)現(xiàn)原理

運(yùn)動控制功能塊的實(shí)現(xiàn)依賴3個(gè)基本要素，即運(yùn)動控制功能塊邏輯控制與算法實(shí)現(xiàn)、軸狀態(tài)機(jī)以及軸信息集合體。其中，軸狀態(tài)機(jī)表示軸當(dāng)前狀態(tài)及可能存在的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系；軸信息集合體則是包含了當(dāng)前系統(tǒng)中被控軸的參數(shù)信息。當(dāng)單個(gè)功能塊執(zhí)行時(shí)通過讀取軸信息結(jié)構(gòu)體中關(guān)于軸的實(shí)時(shí)信息來改變運(yùn)行狀態(tài)。多個(gè)功能塊共同運(yùn)行時(shí)，功能塊之間、功能塊與軸信息結(jié)構(gòu)體之間實(shí)時(shí)進(jìn)行參數(shù)傳遞。通過參數(shù)的實(shí)時(shí)讀取改變內(nèi)部函數(shù)的輸出，進(jìn)而得到功能塊的輸出，并將該輸出下發(fā)至伺服機(jī)構(gòu)執(zhí)行。通過實(shí)時(shí)采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)和理想輸入對比，對軸的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

功能塊實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示，在PLC編程開發(fā)軟件上對功能塊或函數(shù)進(jìn)行開發(fā)，通過調(diào)用功能塊搭建運(yùn)動控制模塊；在編譯完成后進(jìn)行仿真或直接下發(fā)指令至PLC實(shí)時(shí)內(nèi)核中，與軸信息結(jié)構(gòu)體進(jìn)行參數(shù)傳遞，進(jìn)而改變軸狀態(tài)機(jī)。在功能塊執(zhí)行的過程中，通過對比理想輸出和實(shí)際輸出對功能塊參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，為避免由于功能塊內(nèi)部邏輯算法錯(cuò)誤導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤，可預(yù)先通過外部指令對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。上述流程在PLCopen規(guī)范下，使得軟件開發(fā)不再受硬件約束，用戶可以使用同一程序控制不同的外設(shè)或機(jī)電設(shè)備，且只需要對功能塊的輸入?yún)?shù)進(jìn)行修改，有效地提升了程序的復(fù)用性和快速移植性。

圖1 PLCopen功能塊實(shí)現(xiàn)流程Fig.1 Implementation process of PLCopen function block

功能塊的執(zhí)行是建立在狀態(tài)機(jī)上的，且在工作時(shí)軸只能處于一種狀態(tài)，通過功能塊的執(zhí)行情況實(shí)現(xiàn)軸狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。根據(jù)PLCopen規(guī)范，將狀態(tài)機(jī)分為單軸和軸組兩類，存在8種狀態(tài)，包括禁能、錯(cuò)誤停止、靜止?fàn)顟B(tài)機(jī)等3種非運(yùn)行狀態(tài)機(jī)和停止運(yùn)動、回零運(yùn)動、同步運(yùn)動、離散運(yùn)動和連續(xù)運(yùn)動狀態(tài)等5種運(yùn)行狀態(tài)機(jī)。軸的狀態(tài)改變分為兩種情況：一是功能塊正常執(zhí)行引起的改變；二是功能塊執(zhí)行錯(cuò)誤或者系統(tǒng)發(fā)生故障所引起的狀態(tài)改變。因此，在功能塊開發(fā)時(shí)狀態(tài)機(jī)的正常轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動控制的前提。

2.3 功能塊的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PLCopen規(guī)范只規(guī)定到外部定義，對功能塊內(nèi)部的邏輯框架沒有給出定義，因此需要用戶根據(jù)工程實(shí)際需要開發(fā)程序和邏輯代碼，形成標(biāo)準(zhǔn)化的算法結(jié)構(gòu)和控制流程。如圖2所示，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的功能塊分為內(nèi)部邏輯和外部接口兩部分，其中外部接口包括輸入輸出變量（包括變量類型）、功能塊名稱和類型。內(nèi)部邏輯分為接口層、預(yù)處理層、軸狀態(tài)層和邏輯算法（運(yùn)動控制核心）。

圖2 功能塊分層結(jié)構(gòu)Fig.2 Functional block hierarchical structure

雖然PLCopen規(guī)范為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制的基本功能塊制定了一套通用標(biāo)準(zhǔn)，詳盡規(guī)定了每個(gè)功能塊實(shí)例所實(shí)現(xiàn)的具體功能、輸入輸出接口參數(shù)含義和數(shù)據(jù)類型、完成時(shí)序圖等，而對于功能塊的內(nèi)部執(zhí)行邏輯和核心控制算法則需要開發(fā)者具體實(shí)現(xiàn)。根據(jù)功能塊的通用模型，本文設(shè)計(jì)功能塊內(nèi)部代碼的分層結(jié)構(gòu)，確保功能塊內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)與外部接口分開，又能通過外部接口實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)硬件驅(qū)動的連接，保證控制軟件不再依賴硬件。

3 基于PLCopen規(guī)范的功能塊開發(fā)方法

3.1 運(yùn)動控制功能塊的開發(fā)

功能塊是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是“軟件定義機(jī)器”的核心一環(huán)，隨著一系列研究的進(jìn)行和標(biāo)準(zhǔn)的提出，其開發(fā)方式也逐漸豐富。目前，開發(fā)方式主要有兩種，一是傳統(tǒng)的在開發(fā)環(huán)境中采用IEC標(biāo)準(zhǔn)語言進(jìn)行程序編寫的方式。由于開發(fā)軟件計(jì)算能力等因素的限制，開發(fā)含大量專業(yè)數(shù)學(xué)運(yùn)算的功能塊會增加編程難度，如機(jī)器人的正逆運(yùn)動學(xué)求解功能塊的開發(fā)等。因此，該方法還存在一定的局限性。二是基于PLCopen XML規(guī)范，借助其他開發(fā)軟件或數(shù)學(xué)軟件采用PLC coder自動生成的方式生成代碼，將符合軟件兼容性的代碼導(dǎo)入目標(biāo)開發(fā)環(huán)境，解決大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能塊的開發(fā)問題。該方法能夠通過模型生成代碼，并且可在生成軟件上進(jìn)行仿真和代碼檢查，其開發(fā)效率對比傳統(tǒng)開發(fā)方式有著顯著提升，適合復(fù)雜功能塊的快速開發(fā)。

圖3為功能塊的快速開發(fā)流程。在預(yù)處理階段，對工程要求進(jìn)行分析，確定目標(biāo)被控對象及相關(guān)參數(shù)?；跀?shù)學(xué)軟件進(jìn)行特性分析并建立控制模型和子系統(tǒng)。在建立子系統(tǒng)后需要對它進(jìn)行兼容性檢測，如不符合標(biāo)準(zhǔn)，則對模型和子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整；反之，則對目標(biāo)模型進(jìn)行仿真以驗(yàn)證模型是否符合目標(biāo)工程要求。對模型進(jìn)行仿真能夠有效地減少開發(fā)錯(cuò)誤，及時(shí)對模型和參數(shù)進(jìn)行修改。模型仿真通過后根據(jù)目標(biāo)開發(fā)環(huán)境生成相應(yīng)PLC coder。

圖3 功能塊快速開發(fā)流程Fig.3 Rapid development process of function blocks

上述方法生成的PLC Coder包括注釋信息和主代碼，注釋信息包括生成軟件和目標(biāo)軟件的版本信息和代碼生成的時(shí)間。主代碼包括功能塊名稱、變量和主程序，各部分都是采用符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的ST語言?；赬ML規(guī)范，用戶在工程中將ST代碼導(dǎo)入即可使用，極大地增加了功能塊的開發(fā)效率，減少了開發(fā)過程中的錯(cuò)誤。本文基于上述開發(fā)方法，開發(fā)了機(jī)器人的正逆運(yùn)動學(xué)功能塊以及插補(bǔ)功能塊等復(fù)雜的運(yùn)動控制功能塊。

3.2 運(yùn)動控制功能庫架構(gòu)

雖然國外軟件上已形成了一套標(biāo)準(zhǔn)化的功能庫，但是由于功能庫被封裝，用戶不能更改內(nèi)部程序和算法，這不利于自主可控PAC系統(tǒng)的快速開發(fā)和重構(gòu)。而目前國產(chǎn)軟件的開發(fā)工具并沒有專業(yè)的運(yùn)動控制功能庫。因此，對于功能庫的開發(fā)是自主可控PAC系統(tǒng)開發(fā)及“軟件定義機(jī)器”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

本文基于國產(chǎn)PAC軟件建立了標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)動控制庫架構(gòu)，其架構(gòu)如圖4所示，運(yùn)動控制功能庫由工程和庫信息模塊、變量和指令模塊和功能塊/函數(shù)模塊三部分構(gòu)成。其中，信息模塊用于庫名稱和庫信息的設(shè)置；變量和指令模塊對驅(qū)動接口和數(shù)據(jù)類型等進(jìn)行定義；此處為PLCopen規(guī)范下的自定義數(shù)據(jù)類型，如全局變量、結(jié)構(gòu)體、枚舉等。功能塊/函數(shù)模塊是功能庫的核心，不同的運(yùn)動控制庫對應(yīng)不同的功能塊集合。用戶針對目標(biāo)運(yùn)動將所需功能塊封裝至同一庫內(nèi)，可以直接調(diào)用。

圖4 功能庫結(jié)構(gòu)樹Fig.4 Structure tree of function library

運(yùn)動控制功能庫是功能塊和函數(shù)的集合，可用于實(shí)現(xiàn)單軸運(yùn)動、多軸運(yùn)動和插補(bǔ)運(yùn)動等功能。如圖5所示，庫內(nèi)的功能塊根據(jù)軸數(shù)分為單軸、多軸/軸組功能塊，且每一類根據(jù)功能屬性又分為軸運(yùn)動控制類和軸管理類功能塊。其中，運(yùn)動控制類功能塊用于驅(qū)動單軸或多軸運(yùn)動，如MC_Interpolated（插補(bǔ)）功能塊和Home（回零）功能塊等；管理類功能塊用于軸管理、參數(shù)配置和狀態(tài)監(jiān)控，如MC_Power（使能）功能塊和Read-Status（軸狀態(tài)讀?。┕δ軌K等。

圖5 功能塊類型Fig.5 Function block types

4 運(yùn)動控制功能塊實(shí)例

4.1 軸管理類功能塊

MC_Power功能塊用于控制運(yùn)動，控制從站伺服狀態(tài)機(jī)的切換，使驅(qū)動器上電使能，同時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，其接口定義如表2所示。Axis為軸信息結(jié)構(gòu)體，用于讀取軸信息。Enable用于給輸出軸使能，Enable為True時(shí)，驅(qū)動器就緒且狀態(tài)Status顯示為True。同時(shí)軸的狀態(tài)機(jī)由禁能狀態(tài)轉(zhuǎn)換為靜止?fàn)顟B(tài)，等待控制指令輸入。如果從站出現(xiàn)故障狀態(tài)機(jī)或者驅(qū)動器返回伺服報(bào)警信號，則狀態(tài)Status仍為False，并通過Valid，ErrorID等輸出接口將錯(cuò)誤信息輸出給用戶，表明系統(tǒng)存在硬件問題。此時(shí)，軸將轉(zhuǎn)換到錯(cuò)誤停止?fàn)顟B(tài)，需要等待硬件問題修復(fù)后才可繼續(xù)使用系統(tǒng)。

表2 MC_Power功能塊接口定義Tab.2 Interface definition of MC_ Power function block

4.2 單軸運(yùn)動控制功能塊

單軸運(yùn)動控制功能塊是運(yùn)動控制庫中的基本元素。常用的單軸運(yùn)動控制功能有MC_Home、速度控制、絕對運(yùn)動（MC_MoveAbsolute）、相對運(yùn)動（MC_MoveRelative）等，通過加減速控制實(shí)現(xiàn)上述功能。

MC_MoveAbsolute和 MC_MoveRelative運(yùn)動功能塊是常用的單軸運(yùn)動控制功能塊，絕對運(yùn)動功能塊用于以指定參數(shù)運(yùn)動到指定的絕對位置，而相對位置則是運(yùn)動一段相對距離。不同的參數(shù)會得到不同的運(yùn)動軌跡。因此，速度規(guī)劃是此類功能塊的核心，本文針對這類功能塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。功能塊實(shí)例如圖5所示，兩功能塊的輸出和輸入變量與MC_Home相似，其中Distance表示位置增量輸入，Position表示目標(biāo)位置輸入，Jerk為加加速度輸入。Buffer_Mode用于選擇軌跡類型，本文設(shè)計(jì)了3種速度類型。輸入為0時(shí)系統(tǒng)以輸入的速度勻速運(yùn)行，1和2分別對應(yīng)梯形和S型速度模式。

為驗(yàn)證兩功能塊是否能夠完成目標(biāo)運(yùn)動，對兩功能塊進(jìn)行仿真，在Beremize軟件中調(diào)用兩功能塊并將相對運(yùn)動功能塊與絕對運(yùn)動功能塊相連，運(yùn)動參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 MC_MoveAbsolute和MC_MoveRelative的參數(shù)Tab.3 Parameter of MC_MoveAbsolute and MC_ Moverelative

仿真結(jié)果如圖6所示，兩功能塊都是使用S型加減速方式。在運(yùn)行至3 s左右時(shí)，對相對功能塊的執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)行打斷并使絕對功能塊運(yùn)行，可以看到兩功能塊能夠完成預(yù)期運(yùn)動，表明兩功能塊能夠?qū)崿F(xiàn)軸的相對運(yùn)動和絕對運(yùn)動。

圖6 功能塊執(zhí)行結(jié)果Fig.6 Result of function block execution

4.3 多軸運(yùn)動控制功能塊

多軸運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)形式包括多軸同步協(xié)同或者實(shí)現(xiàn)空間任意軌跡，本文針對多軸運(yùn)動開發(fā)了一系列運(yùn)動控制功能塊，如兩軸和三軸直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等。圖5所示為MC_Interpolator插補(bǔ)功能塊，其輸入輸出與相對運(yùn)動功能塊相似，通過上升沿觸發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)圓弧和直線插補(bǔ)，以用戶指定參數(shù)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動控制。其中，輸入變量Mode為插補(bǔ)模式，其值為0，1和2，分別代表勻速插補(bǔ)、梯形速度模式和S型速度模式。多軸圓弧插補(bǔ)算法采用在Matlab編程仿真，然后通過PLC Coder自動生成代碼的方式實(shí)現(xiàn)，完成了從當(dāng)前位置點(diǎn)P1（15，0，5）經(jīng)過中間邊界點(diǎn)P2（14，14，10）到 達(dá) 終 點(diǎn)P3（3，1，-10）的 空間圓弧插補(bǔ)，采用梯形加減速算法，插補(bǔ)速度為30 (°)/s，加速度為45 (°)/s2。插補(bǔ)結(jié)果如圖7所示。

圖7 插補(bǔ)功能塊測試曲線Fig.7 Test curves of interpolation function block

5 仿真與實(shí)驗(yàn)

本文以旋轉(zhuǎn)雙棱鏡和CNC系統(tǒng)為控制對象，開發(fā)了運(yùn)動控制功能庫，并通過自主搭建的實(shí)驗(yàn)平臺對上述功能庫進(jìn)行驗(yàn)證。

5.1 自主可控PAC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺

如圖8所示，系統(tǒng)由主站、從站、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線、上位機(jī)軟件和用戶監(jiān)控終端等構(gòu)成。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)采用高性能NCUC 2.0總線協(xié)議，通信周期為1 ms，邏輯編程軟件和HMI監(jiān)控軟件運(yùn)行于PC上位端，與系統(tǒng)主站進(jìn)行Modbus或TCP/IP通信，完成控制程序代碼下載和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互。

圖8 國產(chǎn)PLC控制測試系統(tǒng)架構(gòu)Fig.8 Architecture of domestic PLC control test system

主站是整個(gè)PLC系統(tǒng)的核心與“大腦”，主要用于完成系統(tǒng)實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度、編譯環(huán)境的邏輯信息運(yùn)算、對各節(jié)點(diǎn)從站的指令下達(dá)與通信控制、HMI數(shù)據(jù)交互等功能。本文使用的主站為基于國產(chǎn)處理器M7的嵌入式主站，嵌入式主站基于“FPGA+ARM架構(gòu)”，無操作系統(tǒng)，程序執(zhí)行代碼直接運(yùn)行于嵌入式芯片上；從站節(jié)點(diǎn)模塊主要是根據(jù)主站的指令進(jìn)行外設(shè)操作，包含傳感器的采集和輸出，并通過以太網(wǎng)總線控制器與主站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和通信。以太網(wǎng)總線通信控制器位于各從站模塊中，主要實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的高帶寬、高效率、高速度的數(shù)據(jù)傳輸通信；伺服驅(qū)動裝置和外設(shè)是系統(tǒng)完成運(yùn)動控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；系統(tǒng)軟件主要包括IEC-61131-3標(biāo)準(zhǔn)軟件集成開發(fā)環(huán)境和界面監(jiān)控軟件兩部分，軟件集成開發(fā)環(huán)境主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件組態(tài)、可視化的系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)和邏輯編程、邏輯代碼的編譯、程序可執(zhí)行文件的生成和下載等。本文采用的開發(fā)環(huán)境為國產(chǎn)Beremize軟件，監(jiān)控軟件為Qtouch軟件。界面監(jiān)控軟件主要用于人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)和開發(fā)，完成與主站的通信，保證對主站數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5.2 旋轉(zhuǎn)雙棱鏡控制實(shí)驗(yàn)

典型旋轉(zhuǎn)雙棱鏡成像系統(tǒng)原理如圖9（a）所示，兩棱鏡Π1，Π2的橫截面為直角三角形，兩直角邊面相互平行且垂直于共同旋轉(zhuǎn)軸Z軸。為實(shí)現(xiàn)一定空間角度內(nèi)所有指向的全覆蓋，兩棱鏡必須達(dá)到完全匹配，故通常讓兩棱鏡具有相同的折射系數(shù)和頂角，即n1=n2=n，α1=α2=α。兩棱鏡旋轉(zhuǎn)角θ1，θ2以X軸為測量起始。視軸方向以極坐標(biāo)中的偏轉(zhuǎn)角Φ和方位角Θ描述。通過對點(diǎn)光源進(jìn)行折射，改變兩個(gè)楔鏡的相對旋轉(zhuǎn)角度，光的傳播路徑隨之改變，從而達(dá)到對光束方向的控制。因此，根據(jù)上述原理，本實(shí)驗(yàn)以兩棱鏡光源指向控制為目標(biāo)，驗(yàn)證所開發(fā)的功能塊以及國產(chǎn)軟硬件對在旋轉(zhuǎn)雙棱鏡上的應(yīng)用效果，控制系統(tǒng)如圖9（b）所示。

圖10所示為旋轉(zhuǎn)雙棱鏡運(yùn)動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由國產(chǎn)PAC系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)雙棱鏡、視覺采集系統(tǒng)組成以及平行光源組成。所使用光源波長為650 nm，視覺采集系統(tǒng)由?？禂z像頭及視圖處理軟件組成。

圖9 旋轉(zhuǎn)雙棱鏡運(yùn)動模型與控制系統(tǒng)Fig.9 Motion model and control system of rotating double prism

圖9（b）中，軸管理和從站參數(shù)設(shè)置功能塊用于對電機(jī)使能以及從站內(nèi)部控制器的參數(shù)設(shè)置；雙棱鏡運(yùn)動學(xué)功能塊用于進(jìn)行光束正向問題和逆向問題的解算；運(yùn)動指令轉(zhuǎn)換功能塊用于對指令進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便從站執(zhí)行；傳感器反饋模塊用于接收電機(jī)編碼器反饋的實(shí)際運(yùn)動參數(shù)；從站狀態(tài)反饋功能塊用于監(jiān)視和調(diào)整從站的狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，通過視覺處理系統(tǒng)可以獲得光點(diǎn)的軌跡，由光點(diǎn)軌跡可以看出經(jīng)過雙棱鏡系統(tǒng)的點(diǎn)射光源在經(jīng)過反射后始終保持一個(gè)橢圓軌跡，表明所開發(fā)的功能塊能夠?qū)崿F(xiàn)雙棱鏡光束指向的正、逆向問題求解，且所開發(fā)的軟硬件系統(tǒng)能夠完成雙棱鏡的光束指向控制。因此，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于自由空間光通信、紅外對抗、激光指示器、激光雷達(dá)和光纖光開關(guān)等精密光學(xué)系統(tǒng)中。

圖10 旋轉(zhuǎn)雙棱鏡實(shí)驗(yàn)平臺Fig.10 Rotating double prism experimental platform

圖11 光點(diǎn)軌跡Fig.11 Light path

5.3 CNC運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)

本文搭建了CNC運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)平臺和控制模塊，如圖12所示。圖12（b）中，MC_power為軸使能功能塊，MC_Interpolator為插補(bǔ)運(yùn)動控制功能塊，MC_Home功能塊為復(fù)位功能塊，負(fù)責(zé)軸的急停和軸的回零運(yùn)動等。

本文以圖13鏇輪機(jī)璇修軌跡為插補(bǔ)對象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并以S型加減速模式運(yùn)動，通過各段的曲率閾值，可以得到各段參數(shù)配置如下：Jerk=1.6×103mm/s3，Acceleration=20 mm/s2，Velocity=10 mm/s，各段的起始速度為vs1=0 mm/s，vs2=2 mm/s，vs3=4 mm/s，vs4=3 mm/s，vs5=5 mm/s，vs6=4 mm/s，vs7=3 mm/s，vs8=2 mm/s，vs9=2 mm/s；運(yùn)動終點(diǎn)速度為ve9=0 mm/s，Mode=2。

圖12 CNC功能庫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.12 CNC functional library experimental system

圖13 目標(biāo)璇修軌跡Fig.13 Target repair trajectory

圖14 加速度與速度曲線Fig.14 Acceleration and velocity curves

實(shí)際的加速度和速度曲線如圖14所示。X和Y軸的實(shí)際位移曲線如圖15（a）所示，兩軸同步運(yùn)動，可以實(shí)現(xiàn)多段的S型加減速運(yùn)動。HMI反饋軌跡如圖15（b）所示，該功能塊可以正常完成圓弧插補(bǔ)和直線插補(bǔ)運(yùn)動，與實(shí)際軌跡相比，在無負(fù)載的情況下兩者之間的誤差在0.3 mm。上述結(jié)果表明，自主開發(fā)的CNC運(yùn)動控制功能庫能夠?qū)崿F(xiàn)多種運(yùn)動規(guī)劃，模擬簡單的CNC直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的同步運(yùn)動，初步驗(yàn)證了該運(yùn)動控制庫的有效性。

圖15 插補(bǔ)軌跡Fig.15 Interpolation trajectory

6 結(jié) 論

本文針對PLC上位機(jī)軟件中功能塊和庫不開放以及國產(chǎn)軟件內(nèi)部功能塊缺乏等問題，基于XML規(guī)范，采用PLC coder技術(shù)自動生成符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化文本的方式快速開發(fā)功能塊，能夠解決上位機(jī)軟件中大量含復(fù)雜計(jì)算的功能塊的開發(fā)需要。基于功能塊的基本模型設(shè)計(jì)功能塊的分層結(jié)構(gòu)，針對功能塊在國產(chǎn)開發(fā)環(huán)境中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，通過快速開發(fā)方法開發(fā)一系列運(yùn)動控制功能庫，如常用的機(jī)器人和CNC功能庫等。通過功能庫快速搭建了旋轉(zhuǎn)雙棱鏡和CNC運(yùn)動控制模塊，能夠有效節(jié)約開發(fā)時(shí)間。在PLC上位機(jī)軟件中，利用快速生成的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡和CNC運(yùn)動控制庫搭建控制系統(tǒng)，通過自主搭建的實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠快速生成基于PLCopen的運(yùn)動控制功能庫，解決了傳統(tǒng)PLC軟件功能庫不完善的問題。該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自主開發(fā)和控制，滿足工業(yè)控制的需求。