基于Windows CE和工业以太网的塑窗清角机控制系统设计*

刘国营，胡天亮，2，张承瑞，2

(1.山东大学机械工程学院，济南 250061;2.高效与洁净机械制造教育部重点实验室(山东大学)，济南 250061)

基于Windows CE和工业以太网的塑窗清角机控制系统设计*

刘国营1，胡天亮1，2，张承瑞1，2

(1.山东大学机械工程学院，济南 250061;2.高效与洁净机械制造教育部重点实验室(山东大学)，济南 250061)

为提高塑窗清角机的自动化水平和系统可扩展性、开放性，提出一种基于Windows CE和工业以太网的塑窗清角机控制系统设计方案，给出了系统的软硬件结构、EtherMAC实时以太网运动控制平台特点、控制软件多线程结构及关键模块的实现。根据本文设计的系统结构，设备和上游设计管理单元的数据交互可以方便的实施。经实际工程验证表明，设计的系统可充分满足预期的要求。

Windows CE;EtherMAC;清角机;工业以太网

0 引言

塑料门窗具有坚固耐用、保温隔热性能好、气密隔音好等优点。随着人们对居住环境要求的不断提高，塑窗正迅速占领市场，成为目前用量最大的一类门窗，并有进一步取代金属门窗的发展趋势［1-2］。塑窗清角机是一种专门用于清理角缝的塑窗加工设备，它集气动、机械、数控技术为一体，是塑钢门窗大批量、多品种生产的理想设备。目前，我国塑窗清角机控制系统大多数为基于GM代码的封闭式数控系统，不仅难以满足不断变化加工需求，而且缺乏界面友好性，尤其是各种设备之间的通信联网功能与国外设备差距较大［3］。未来塑窗设备，不但应具有更高的自动化水平，大幅度提高加工效率，简化劳动强度，而且应具有强大的通信联网功能，以实现各数控设备之间互联及远程故障诊断和维修功能［3-4］。

Windows CE是微软公司开发的一个开放、可升级的嵌入式操作系统，它顺应计算机分散化、网络化的趋势，具有强大通讯功能，基于Windows CE的数控系统不但很好的满足了数控加工的要求，而且能增加数控系统的开放性、缩短开发周期、提高系统可扩展、可互换和互操作性［5］。信息技术的飞速发展，引起自动化领域的深刻变革，工业以太网以其开放性、高带宽等优点，在工业控制领域应用日益广泛［6］。本文介绍一种基于Windows CE和EtherMAC(Ethernet for Manufacture Automation Control)实时以太网运动控制平台的塑窗清角机控制系统，它采用全软件型开放式体系结构开发［7］，能够提供给用户最大的选择和灵活性。

1 控制系统需求分析

塑窗清角机是一种专用机器，锯片旋转作为主运动，X和Z两伺服轴联动实现锯片的直线或圆弧轨迹运动，以完成塑料门窗外角的清理，同时，夹紧气缸、定位气缸、上下铣刀、拉刀等根据左右定位、上铣刀复位、下铣刀复位等信号逻辑顺序输出，完成塑料门窗定位、夹紧等动作和上下窗面的清理。由分析可知，系统控制需求如下:

硬件方面:控制系统需要控制两个伺服驱动器和5个输出，同时提供4个输入接口以接收输入信号，且两轴可实现直线和圆弧插补。

软件方面:为方便用户操作和设备维护，数控系统软件应满足以下功能:

(1)控制系统应提供示教自学习功能以方便用户快速完成任意新型门窗加工程序的编制;

(2)为使加工过程更形象的展现给用户，系统在自动界面应动态显示当前加工状态(速度和坐标)和加工过程;

(3)机床参数需显示在界面上并易于修改，以调整参数适合不同加工要求;

(4)为方便机床故障诊断，需提供I/O诊断界面以实现故障的快速定位;

(5)系统软件应具有很好的可移植性和可维护性，以便以后软硬件系统功能的加强和升级;

(6)系统应预留以太网接口，以备未来设备间通讯及远程诊断。

2 数控系统硬件设计

2.1 EtherMAC实时以太网运动控制平台介绍

EtherMAC是面向整个制造自动化控制的实时同步工业以太网总线平台，由山东大学数控技术研究中心自主开发，具有如下优点:

(1)主控制器采用标准网卡，无需专有硬件，网络数据帧符合IEEE802.3标准，具有高度的开放性;

(2)采用线型拓扑结构，一个EtherMAC网段内可级联254个设备节点;

(3)使用双绞线时相邻节点间的传输距离达100米，适合分布安装，能显著节省布线，提高系统可靠性;

(4)高实时性和高同步性，周期和同步抖动均小于100ns;

(5)各种模块接口齐全，易于扩展，在多轴和多I/O及设备地域分散的大型复杂设备中的应用优势明显。

选用EtherMAC平台的两个运动控制模块和一个8输入8输出I/O模块即可满足系统硬件需求。

2.2 数控系统硬件结构

基于EtherMAC的数控系统硬件结构如图1所示。工控机选用运行Windows CE 6.0嵌入式实时操作系统的低功耗嵌入式工业主板，与设备节点通过10-BaseT的标准交叉网线相连。设备节点1接收X轴正负限位和X轴参考点信号输入，并控制X轴伺服驱动器输出;设备节点2，接收Z轴正负限位信号和Z轴参考点信号，控制Z轴伺服驱动器输出;I/O节点通过自主研发的IBus串行PLC总线与末节点Motion Node2相连，它提供了8路输入、8路输出，用于接收清角机各传感器信号输入，控制输出。整个系统的拓扑结构简单，工控机仅通过标准交叉网线与设备节点连接，大大减少了中间环节，简化了布线，提高整个数控系统的可靠性。

图1 系统硬件结构

3 数控系统软件设计

塑窗清角机数控系统的软件在Microsoft Visual Studio 2008软件开发平台上使用高级语言 C++开发。基于Windows CE的清角机控制系统软件结构如图2所示，应用程序采用模块化设计，分为用户界面层、核心运动控制层和EtherMAC驱动层。用户界面为用户提供系统操作界面，并显示系统当前运行状态;核心运动控制层执行插补运算、PLC逻辑运算、系统运行监控;EtherMAC驱动层实现上下位机实时通讯。

图2 系统软件结构

3.1 基于Windows CE的数控系统软件总体结构

数控系统是一个典型的实时多任务控制系统。各任务从实时性要求角度可划分为实时任务和非实时任务。为了满足嵌入式产品所普遍具有的实时性和高效性要求，Windows CE被设计成可抢占、多任务的操作系统，其多任务的实现方法就是多进程和多线程机制［8］。Windows CE支持256个线程优先级，且线程的时间片可调，这些为灵活调度任务提供支持，保证了基于Windows CE应用的实时性能［8］。

塑窗清角机控制系统中，实时任务包括插补运算、PLC和与下位机通讯，非实时任务包括界面显示、键盘扫描、用户界面层与核心运动控制层之间的通讯。根据实时性要求，整个控制系统软件分为一个主线程和三个子线程。主线程是Windows CE下每个应用程序都具备的，完成管理人机界面、线程间同步、向其它线程传递参数等功能。子线程包括键盘扫描线程、用户界面层与核心控制层通讯线程和运动控制及上下位机通讯线程。键盘扫描线程扫描用户输入，并将消息传递给操作系统;用户界面层与核心控制层通讯线程主要实现两大系统模块之间的通讯即用户界面将命令和程序传给核心运动控制层，核心运动控制层将系统当前运行状态传递给界面显示给用户。EtherMAC总线由下位机发起通讯，所以将运动控制和上下位机通讯放到一个线程，完成插补运算、PLC、上下位机通讯等功能。运动控制及上下位机通讯线程设最高优先级，并占有所有时间片，保证实时性。多线程结构如图3所示。

图3 多线程结构

3.2 人机界面设计

本文设计的塑窗清角机控制系统具有友好的人机界面，其作用主要是将数控系统的操作界面、系统运行状态显示在屏幕上，为操作者提供直观的操作环境，其结构如图4所示，包括自动加工、示教编程、型材管理、参数管理、故障诊断、帮助和回参考点。

图4 人机界面构成

在自动加工界面下，用户选择型材后，可进行启动、暂停、复位等操作，并可在加工过程中任意切换单段、连续两种运行状态，还可以通过界面上的加工仿真随时了解当前加工状态。同时，还可通过编辑按钮切换至程序编辑状态，方便地修改型材加工程序，如图5所示。

图5 自动模式界面

示教编程使操作者彻底摆脱GM代码指令。操作者只需示教加工一遍型材，并在每一步执行后点击一下添加按钮，就可完成型材加工程序的编制，并可方便地对程序修改、删除、复制等，大大简化了程序编制过程。

型材管理可以快速查找、删除、修改型材程序，实现对加工型材程序的管理。

参数分为制造商参数和用户参数。修改制造商参数如加速度、电机运动方向等可使数控系统适应特定机床，修改用户参数如速度、刀具动作时间可获得最大加工效率。制造商参数提供密码保护，防止操作者对制造商参数的错误修改。

故障诊断用于显示出现的故障及初步解决方法。

帮助界面为操作者提供了该系统的使用操作说明。

回参考点界面用于显示机床找参考点过程，回零完毕后并显示HOME开关距离Z向脉冲个数，方便用户调整参考点位置。

3.3 人机界面与运动控制通讯

模块化设计是本数控系统的特点之一。用户界面模块与运动控制模块独立设计，模块间通过共享内存的方式实现通讯。共享内存的创建主要通过两个函数完成:CreateFileMapping()函数创建一个映射文件对象，MapViewOfFile()函数将创建成功的文件映射对象的视图映射进地址空间，同时得到此映射视图的首地址［9-10］。共享内存创建后，发送方根据得到的首地址将数据写到共享内存中，接收方周期性从共享内存中相应位置读取即完成数据交换。

人机界面层与核心运动控制层之间需要交换的数据分为三类:加工指令类数据、状态类数据和请求类数据。加工指令类数据由人机界面写入共享内存，核心控制层读取，并转化为自动加工模块规定的数据格式，包括型材加工程序和程序长度。状态类数据由核心运动控制层周期性写入共享内存，人机界面周期读取并显示在界面上，包括当前位置、速度、运行状态、输入状态及各种报警信息等。请求类数据指人机界面命令或通知核心运动控制层执行某项命令的数据。这类数据只有在命令改变时写入共享内存，核心运动控制层周期性读取到指令发生变化时，执行相应的命令。

3.4 运动控制逻辑

运动控制逻辑部分是塑窗清角机控制系统的核心部分。系统为简化用户操作，摒弃了传统的GM代码编程方式，程序执行时根据刀具类型和当前输入状态来确定是否满足程序执行条件，执行插补或输出。程序执行流程如图6所示。系统接收到启动命令后，检测是否满足运行条件(夹紧且定位复位)，若满足，读取程序段命令，判断是否满足该程序命令执行条件，在满足条件的情况下，执行相应的程序命令。不同的刀具类型对应不同的程序执行逻辑:

图6 程序运行流程图

(1)刀具类型为上铣刀时，在满足下铣刀复位和定位复位的前提下，程序插补至执行目标位置，上铣刀输出设定时间后，停止输出并复位，上铣刀程序段运行结束。

(2)刀具类型为下铣刀时，在满足上铣刀复位和定位复位的前提下，程序插补至目标位置，下铣刀输出设定时间后，停止输出并复位，下铣刀程序段运行结束。

(3)刀具类型为锯刀时，若满足上铣刀复位、下铣刀复位和定位复位，程序插补至命令目标的过程中，锯刀输出，插补结束，锯刀程序段结束。

(4)刀具类型为拉刀时，若满足上铣刀复位、下铣刀复位和定位复位，拉刀输出设定时间到达工作位置后，程序插补至目标位置，拉刀取消输出并延时设定时间，拉刀程序段结束。

以上逻辑避免了可能出现的刀具干涉等情况的发生，最大程度保证了加工过程中机器及操作者的安全。

3.5 上位机与EtherMAC运动控制平台通讯

EtherMAC实时以太网运动控制平台为方便基于该平台的数控系统的开发，提供了EtherMAC.dll动态链接库，作为上层应用程序与EtherMAC总线通讯的桥梁。EtherMAC.dll提供了所有与EtherMAC通讯有关的函数。开发者只需在VC++程序中调用动态链接库就能完成上位机与EtherMAC之间的数据交换。

4 实验验证

图7所示为本文所述的塑窗清角机，经实际操作验证，该控制系统完全满足设计要求，单件加工时间小于12s，具有加工速度快、清角精度高等优点，已成功在工程中应用。目前正在此结构上进一步研究与工厂自动化网络的数据互联。

图7 清角机外观

5 结束语

本文设计的系统充分利用了Windows CE操作系统的实时性和EtherMAC总线的开放性，设计者可通过修改或增添相应模块满足将来不断变化的加工需求，同时，借助于Windows CE强大的网络通讯功能，易于构筑连接各数控设备的控制网络，实现设备间加工信息共享，易于扩展基于以太网的远程故障诊断和维修服务等功能。基于Windows CE和Ether-MAC实时以太网运动控制平台开发的全软件型塑窗清角机控制系统具有布线简单，开放性好等优点，可实现“一网到底”，对未来网络化、信 息化数控系统开发具有重大借鉴意义，符合未来数控系统发展方向。

［1］那永林，刘书桂，王中伟.数控清缝清角机床［J］.制造技术与机床，2001(3):47－48.

［2］郭玉军.PVC塑料窗的组装工艺研究［D］.2005年中国工程塑料复合材料技术研讨会论文集，193－197.

［3］景艳，马兆岭.浅论塑窗设备电气控制技术的发展演变及前景展望［J］.山东机械，2002(2):3－7.

［4］姜峥嵘，王治深，等.基于Windows CE.Net数控系统的插补控制［J］.制造技术与机床，2006(12):44－49.

［5］朱利东，殷苏民.基于嵌入式实时操作系统的开放式数控系统的研究［J］.机床与液压，2004(1):92－94.

［6］徐皑冬，王宏，等.工业以太网实时通信技术［J］.信息与控制，2005(1):60－65.

［7］康榜联，文怀兴.基于Windows CE.的高速数控雕铣机控制系统开发［J］.机械设计与制造，2008(1):96－98.

［8］黄丹，邵惠鹤.基于Windows CE平台的多线程编程［J］.嵌入式操作系统应用，2007，23(2):53－55.

［9］ Microsoft Corporation.CreateFileMapping Function(Windows).MSDN Library.2008.4.

［10］ Microsoft Corporation.MapViewOfFile Function(Windows).MSDN Library.2008.4.

(编辑 赵蓉)

The Control System Design of Plastic W indow Corner Cleaning Machine Based on W indows CE and Industrial Ethernet

LIU Guo-ying1，HU Tian-liang1，2，ZHANG Cheng-rui1，2
(1.School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China;2.Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacturing(Shandong University)，Jinan 250061，China)

In order to improve the automation ability of the plastic w indow corner cleaning machine and enhance its system expansibility and openness，this paper built a soft control system based on W indows CE and Industrial Ethernet.The software and hardware structure is designed.Features of EtherMAC(Ethernet for Manufacture Automation Control)real-time Ethernetmotion control platform，multithread structure of the control software and the implementation of key modules are given.W ith this structure，the data exchange between manufacturing unit and upstream management unit can be easily done.The engineering verification proves that the system can fully meet the expected demands.

W indows CE;EtherMAC;corner cleaning machine;industrial ethernet

TP273

A

1001－2265(2012)06－0056－04

2011－11－15;

2011－11－25

国家自然科学基金(51075241);山东省博士后创新项目专项资金(200903060);山东大学自主创新基金和山东省优秀中青年科学及奖励基金(BS2009ZZ002)

刘国营(1986—)，男，山东梁山人，山东大学机械工程学院机械电子工程专业研究生，主要从事数控技术研究等，(E－mail)liugy2005sdu@126.com。