劉 濤

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

劉 濤①

(山西焦煤西山煤電集團(tuán)物資供應(yīng)公司)

針對開放式數(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;對軟 PLC的性能測試表明,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。

軟PLC;開放式數(shù)控系統(tǒng);梯形圖;VC++

PLC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[1]。軟PLC(Soft PLC)是基于IPC工業(yè)控制計算機(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[2-3]。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,在工業(yè)控制和其他行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[4]。然而隨著計算機(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格制約了其發(fā)展。國際標(biāo)準(zhǔn)IEC1131的推出和實(shí)施,進(jìn)一步打破了 PLC生產(chǎn)廠商產(chǎn)品互不兼容的局限性,使充分利用工業(yè)控制計算機(jī)IPC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[5-9]。研究軟PLC技術(shù)可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,提高PLC性價比,可帶來巨大的經(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)的總體流程圖,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主要部分組成。

圖1 軟PLC開發(fā)系統(tǒng)總體流程圖

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)中全部動作的相互關(guān)系[4]。在繪制梯形圖時,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 I/O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,可以用有限的輸入輸出元素實(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。輸入輸出元素界面圖 ,見圖 2。

圖2 輸入輸出元素界面圖

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節(jié)點(diǎn)元素的信息存放到一個矩陣?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間上的先后順序,而要實(shí)現(xiàn)從梯形圖到結(jié)構(gòu)化語言的轉(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,先要對梯形圖進(jìn)行編譯,以檢查其中的錯誤。

圖3 梯形圖生成C程序流程圖

3)從梯形圖轉(zhuǎn)化到C程序文件。轉(zhuǎn)化C程序時,先將矩陣表各元素的符號地址做替換標(biāo)志字符“＄”,以方便實(shí)際地址和符號地址進(jìn)行替換,生成PLC開發(fā)系統(tǒng)可操作的地址文件。轉(zhuǎn)化時遵循“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)換為一個串聯(lián)結(jié)構(gòu),然后針對這行梯形圖寫結(jié)構(gòu)化if語句,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個梯形圖到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：

#include“stdio.h”

void main()

{

//

S1

bool＄start=0;

bool＄stop=0;

bool＄out0=0;

//

if((＄start|＄out0)&! ＄stop)＄out0=1;

else＄out0=0;

}

可以看到,每個元素變量前都有標(biāo)記字符“＄”,在stop前還有多了一個“!”,因?yàn)?stop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

1)軟件平臺?；赟ERCOS接口的軟件平臺要求如下：Windows NT 4.0,至少32M內(nèi)存(一般要求64M);實(shí)時操作子系統(tǒng) Ventur Com RTX 5.0;Microsoft Visual C++6.0(或具有實(shí)時內(nèi)核的Borland C++5.0);Soft SERCANS。其結(jié)構(gòu)體系圖,見圖4。

圖4 軟件平臺軟件體系結(jié)構(gòu)圖

2)硬件平臺。由于微處理器性能增長速度驚人,PC機(jī)的CPU不僅用于運(yùn)動控制和人機(jī)界面,而且有能力處理 SERCOS接口的控制。基于 Soft SERCANS的運(yùn)動控制器不再需要專用的硬件和處理器,每臺控制器可插4張SERCOS接口卡,構(gòu)成4個光纜環(huán)。而對于每個光纜環(huán),Sof t SERCANS可支持高達(dá)40根軸,支持的最小循環(huán)周期為500μs,所以硬件平臺選擇通用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)的硬件平臺不但可以大幅度提高數(shù)控系統(tǒng)的性價比,而且還可充分利用通用微機(jī)已有軟硬件資源、分享計算機(jī)領(lǐng)域的最新成果。此外,以通用微機(jī)作為數(shù)控平臺還可獲得快速的技術(shù)進(jìn)步：當(dāng) PC機(jī)升級換代時,數(shù)控系統(tǒng)也可相應(yīng)升級換代,從而長期保持技術(shù)上的優(yōu)勢;同時還為軟件的開發(fā)和擴(kuò)展提供了優(yōu)良的平臺。

3)軟PLC的軟件平臺。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)動器仍為 Soft SERCANS。Soft SERCANS是PLC與底層運(yùn)動執(zhí)行部件的接口(SERCOS接口的國際標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)向底層運(yùn)動執(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)控軟件提供了一個最簡潔的平臺。軟PLC軟件體系結(jié)構(gòu)圖,見圖5。

圖5 軟PLC軟件體系結(jié)構(gòu)圖

3 數(shù)控機(jī)床主軸控制的軟PLC實(shí)現(xiàn)

本文通過一個基于數(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)。主軸運(yùn)動控制的梯形圖,見圖6。

圖6 主軸運(yùn)動控制的梯形圖

主軸可以在手動和自動方式下工作,其旋轉(zhuǎn)有正轉(zhuǎn)和逆轉(zhuǎn)兩種情況。手動和自動兩種工作方式互鎖,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,主軸都會停轉(zhuǎn)。要用到的一些梯形圖元素見表1。

表1 梯形圖元素表

按照表1的對應(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。

圖7 PLC程序運(yùn)行時的界面

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,見圖8。

圖8 結(jié)構(gòu)斷面圖

圖8 所示的界面4就是當(dāng)手動信號為ON、主軸順轉(zhuǎn)時,梯形圖的輸出情況。從圖8可以看到,手動和自動互鎖,因?yàn)楫?dāng)手動信號 HS.M和自動信號AS.M都為ON時,只有 HAND有輸出,AU TO沒有,當(dāng)然這與先給手動信號置“1”有關(guān)。同理,可以看出主軸順轉(zhuǎn)和逆轉(zhuǎn)互鎖。

4 軟PLC的速度測試

本文開發(fā)的軟PLC系統(tǒng)把梯形圖掃描語言變成了結(jié)構(gòu)化C語言,并采用if語句成功實(shí)現(xiàn)了所有邏輯。由于結(jié)構(gòu)化if語句執(zhí)行速度非?？?因此,軟PLC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)時子系統(tǒng)提供的實(shí)時函數(shù)對3 800多行控制機(jī)床主軸的if語句進(jìn)行了測試,結(jié)果顯示其執(zhí)行時間為528μs(一般的PLC掃描時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。結(jié)果表明,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 PTX實(shí)時子系統(tǒng)提供的實(shí)時函數(shù)測試,軟PLC的執(zhí)行速度得到了大幅度提高。

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Achievement of Soft PLC in Controlling Principal Axis of Open Numerical Control Machine Tool

Liu Tao

Aim to the control problem of principal axisof open numerical control machine tool,compile,run and basic f unction of PLC have been achieved by VC++compiler.On this basis,the control for principal axis in open numerical control machine tool has been realized.The run facts have improved that the Soft PLC system has the advantages of f riendly interface,operation easy,work well and logical control reasonable.The performance test demonstrates that the speed of Sof t PLC is much higher than that of common PLC.The f urther Soft PLC application in Open NC system can use this work for reference.

Soft PLC;Open NC system;Ladder diagram;VC++

TD679

A

1672-0652(2010)01-0030-04

劉 濤 男 1980年出生 2002年畢業(yè)于呂梁高等專科學(xué)校 助理工程師 太原 030053

2009-12-23