开放式数控机床主轴控制的软PLC实现

刘 涛

摘要：文章针对开放式数控机床主轴控制问题，采用VC编译器成功完成了PLC程序的编译、运行和基本功能，实现了开放式数控机床主轴运行的软PLC控制。运行实践表明所开发的系统界面友好、操作简单、功能齐全、运行可靠，达到了预期逻辑控制的目的；对软PLC的性能测试表明软PLC的执行速度较硬PLC有了大幅度提高，为软PLC在开放式数控系统中的应用提供了借鉴。

关键词：软PLC；开放式数控系统；梯形图

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：1000-8136(2009)29-0123-03

PLE是数控系统与数控机床间的接口，主要处理各种开关量的控制信息。软PLC(son PLC)是基于IPC工业控制计算机或EPC(嵌入式PC)的软逻辑控制软件，主要用于工业控制领域的开关量逻辑控制、顺序控制、定时器控制、技术控制、模拟量控制和闭环过程控制(PID控制)等。众所周知，PLC可靠性高、抗干扰能力强，适用于恶劣的控制现场，在工业控制和其他行业得到了广泛的应用。然而随着计算机技术的迅速发展和广泛应用，PLC较差的通用性和兼容性及昂贵的价格制约了其发展。国际标准IEC1131的推出和实施。进一步打破了PIE生产厂商产品互不兼容的局限性，使充分利用工业控制计算机IPE或EPC的硬件和软件资源成为可能，表现为全部用软件来实现传统PLC的功能。研究软PIE技术可以缩短产品开发周期，提高PIE性价比，带来巨大经济效益。本文利用Visual c++6.0软件，成功开发出了软PLc系统，实现了PLC程序的编译、运行和基本功能，并实现了开放式数控系统车床主轴的软PLC控制。

1软PLC的开发

本文研制的软PLC开发系统的总体流程见图1，由绘制梯形图、编译梯形图、生成中间文件和查找替换生成最终文件等几个主要部分组成。

1.1梯形图的绘制

绘制梯形图是编程方法中最基本、最常用的方法。它与继电器逻辑的梯形图概念相同。表达了系统中全部动作的相互关系。在绘制梯形图时首先要知道梯形图由哪些输入元素和输出元素组成。由于PLC与继电器控制电路相比，以软器件代替了硬器件，以软触点代替了硬触点。以软接线代替了硬接线，故其YO的使用不受次数限制。相同的I/O点可以在梯形图程序中出现多次。可以用有限的输入输出元素实现多种逻辑控制。在得到输入输出元素的信息后，本文采用Vc++资源中的工具栏实现梯形图的绘制。图2为输入输出元素的界面图。

1.2梯形图的编译

梯形图是作为一种图像文件显示的。本文中采用了把梯形图各个节点元素的信息存放到一个矩阵里，然后按照一定顺序存取的方法。这种包含了梯形图各个节点元素全部信息的矩阵称为矩阵表。

把各节点数据的全部信息存放到链表里，对于绘制、修改梯形图及实现重绘非常方便。但是用链表存取的数据只表明了各元素绘制时间上的先后顺序，而要实现从梯形图到结构化语言的转化，则要借助数组来实现。因此必须将链表里的数据拷贝一份到数组中，并对其进行操作以得到真正意义上的矩阵表。绘制完梯形图、生成矩阵表后，在运行程序前，先要对梯形图进行编译，以检查其中的错误。

1.3从梯形图转化到C程序文件

转化c程序时，先将矩阵表各元素的符号地址做替换标志字符“$”，以方便实际地址和符号地址进行替换，生成PIE开发系统可操作的地址文件。转化时遵循“从下到上，从里而外”的原则将梯形图各“网络”由并联最终转换为一个串联结构，然后针对这行梯形图写结构化if语句，进而实现整个梯形图到C文件的转化。由梯形图转化为c文件的流程图见图3。经过并联处理转换成的C程序文件称为Csourse,c文件。如：

可以看到，每个元素变量前都有标记字符“$”，在stop前还有多了一个“!”因为stop作为常闭触点存在。这样就可以通过查找替换方便地把Csourse.c转换为PLC开发系统操作的地址文件address.c。

2开放式数控系统的软硬件平台

2.1软件平台

基于SERCOS接口的软件平台要求如下：WindowsNT 4.0，至少32M内存(一般要求64M)；实时操作子系统Ventur CornRTX 5.0；Microsoft Visual c++6.0(或具有实时内核的Borlandc++5.0)；Soft SERCANS。其结构体系见图4所示。

2.2硬件平台

由于微处理器性能增长速度惊人，Pc机的CPU不仅用于运动控制和人机界面，而且有能力处理SERCOS接口的控制。基于Soft SERCANS的运动控制器不再需要专用的硬件和处理器，每台控制器可插4张SERCOS接口卡，构成4个光缆环。而对于每个光缆环，Soft SERCANS可支持高达40根轴，支持的最小循环周期为500us，所以硬件平台选择通用PC机体系结构。其好处在于能大大缩短软件开发产品的开发周期和设计周期，且有庞大的软件工具为后援。因此，以其作为数控系统的硬件平台不但可以大幅度提高数控系统的性价比，而且还可充分利用通用微机已有软硬件资源、分享计算机领域的最新成果。此外，以通用微机作为数控平台还可获得快速的技术进步：当PC机升级换代时，数控系统也可相应升级换代，从而长期保持技术上的优势；同时还为软件的开发和扩展提供了优良的平台。

2.3软PLC的软件平台

软PLC由开发系统和运行系统两部分组成。开发系统就是用户按照要求绘制梯形图，然后将梯形图转变为标准C程序，这样可以利用vc++编译器将其编译为目标代码[10]；运行系统就是运行开发系统通过Vc++程序编译链接成的可执行文件，得到期望的输出结果，然后用此结果反应I／O状态的改变。基于SERCOS接口的软PLC其软件驱动器仍为Soft SERCANS。SoftSERCANS是PLC与底层运动执行部件的接口(SERCOS接口的国际标准化已经完全实现向底层运动执行部件的开放性)，而Soft PLC作为Soft SERCANS与用户界面及网络通讯等模块之间的接口的一部分，为用户开发出专用的数控软件提供了一个最简洁的平台。见图5所示的为软PLG软件体系结构。

3数控机床主轴控制的软PLC实现

本文通过一个基于数控机床主轴控制的实例来验证开发的软PLC系统。见图6所示的是主轴运动控制的梯形图。

主轴可以在手动和自动方式下工作，其旋转有正转和逆转两种情况。手动和自动两种工作方式互锁，正转和逆转也互锁。不管主轴处于正转还是逆转，当停止旋钮开关接通时。主轴都会停转。表1所列的就是要用到的一些元素。

按照表1的对应关系，初始化输入输出元素后，就可以开始绘制梯形图了。完整的梯形图见图6。经过编译后的运行界面见图7。点击“开始”按钮，读入address.c程序后，用鼠标左键点击输入框各个指示灯，让它发亮(变黑)，PLC程序就开始运行。要实现正确的逻辑控制，必须通过单击鼠标左键给各变量重新赋值。图8所示的界面就是当手动信号为ON、主轴顺转时，梯形图的输出情况。从此图可以看到，手动和自动互锁，因为当手动信号HS.M和自动信号AS.M都为ON时，只有HAND有输出，AUTO没有，当然这与先给手动信号置“I”有关。同理，可以看出主轴顺转和逆转互锁。

4软PLC的速度测试

本文开发的软PIE系统把梯形图扫描语言变成了结构化c语言，并采用if语句成功实现了所有逻辑。由于结构化if语句执行速度非常快，因此软PIE的执行速度也相应地得到了提高。为了验证这一点，本文采用数字示波器结合PTX实时子系统提供的实时函数对3800多行控制机床主轴的if语句进行了测试。结果显示其执行时间为528us(一般的PLE扫描时间为几毫秒到几十毫秒)。可见，软PLC的执行速度得到了大幅度提高。

5结论

本文针对开放式数控系统的主轴控制的软PLC实现问题进行了研究，主要结论如下：

(1)利用vC++编译器成功开发出了软PLC系统，并实现了PLC程序编译、运行和基本功能。

(2)数控机床主轴控制的运行实例证明所开发的软PLC系统能准确可靠地运行，达到了预期逻辑控制的目的，表明所开发的软PLC系统在开放式数控系统中应用稳定，经数字示波器结合FI'X实时子系统提供的实时函数测试，表明软PLC的执行速度得到了大幅度提高。