面向数控机床的嵌入式软PLC开发系统的研究

王永高

摘 要：近年来，随着计算机技术和超大规模集成电路技术的迅速发展以及IEC61131-3标准的出现，软PLC得到突飞猛进的发展。该文主要以嵌入式软PLC开发系统的实现为研究内容，详细分析了嵌入式软PLC在数控机床中的应用及其设计实现方法。

关键词：嵌入式软PLC 数控机床 数字化控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（c）-0081-01

1 嵌入式软PLC的相关理论基础

1.1 嵌入式软PLC的硬件平台及其功能

嵌入式软PLC硬件平台是由微处理器、存储器、输入输出设备和外围电路组成的计算机硬件系统，是系统软件和应用软件运行的硬件基础。嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心构件，起到控制整个系统的执行的作用。它与由内存、I/O端口、电源等构成的外围电路组成一个完整的嵌入式目标系统。外部设备包括存储设备、I/O设备和打印设备等，用于嵌入式系统与现场环境的交互。在应用于具体的控制系统时，使用者会根据应用的不同，选择不同的硬件平台。嵌入式PC与标准PC完全兼容，它的硬件结构和软件开发平台与标准PC相同，可以能完成与普通PC相同的工作。

在各种嵌入式PC中，近年来，PC104嵌入式工控板发展迅速，这是一个专门为工业控制总线的嵌入式控制系统，嵌入式控制系统是一个优化的、小的、堆栈结构。它基于CPU板堆叠在扩展卡中形成一个完整的计算机系统。PC104扩展卡包括网卡、数字I/O卡、RS232/485通讯卡、A/D卡等。

1.2 嵌入式软PLC系统的体系

嵌入式软PLC系统的整体结构一般包括由运行系统和开发系统两大部分。其中运行系统一般由接口模块、管理模块、內核调试器等组成。它运行于嵌入式硬件平台上，可开发系统生产的目标代码，进而起到控制机床的作用。开发系统可提供编译、编辑、调试等各种功能。其编辑功能的实现一般遵循IEC61131-3标准，能支持多种PLC编程语言，编译功能是将编辑的PLC梯形图程序转换成目标代码，调试功能是将PLC程序经检错、修改、试运行得到正确可靠的目标代码。最后通过通信接口将目标程序传输到硬件系统中，继而对机床动作进行控制。

2 PLC与数控机床的连接方式

通用可编程控制器与数控机床的连接方式是一种外部电路的连接方法，通过数控系统的I/O端口发送控制命令。无触点开关可编程控制器的输入端，完成可编程控制器控制的机床电器逻辑。可编程控制器与数控机床的强电、数控装置I/O的连接线大致可以分为3类：

（1）PLC的输入输出端与机床面板信号连接。有数控机床操作面板上的各种类型的按钮，按钮开关直接连接到PLC的输入端，PLC实时扫描按键状态，当输入信号。

（2）PLC输出端与机床电气信号连接。数控机床PLC的主要功能是控制电气设备的高压部分，每个操作控制逻辑存储在计算机中，根据数控系统发出的指令操作。

（3）连接到PLC的输入端与数控机床的数控装置的I/O端口。该开关的输出端通过PLC内部逻辑控制信号的输入和系统控制面板的决定。梯形图程序的最大特点是触点“软接触”，触点使用无限制。

3 数控加工代码的实现方法

当前数控程序已有ISO标准，可以分为准备（G指令），辅助（M指令），工具（T），主轴（S指令），进给（F指令）功能。准备（G指令）的刀具与工件主要规定的相对运动功能的指令、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏移等多种加工操作。辅助功能指令主要控制夹紧和松开机床电气部分由主轴换向，冷却液开关；T指令与刀具的选择和补偿有关；S指令指定主轴转速；F指令指定加工时的进给速度。

（1）M指令的实现方法。

M指令主要有程序停止、主轴顺时针旋转、主轴停止、准备换刀等。其中一部分是由数控系统本身的硬件和软件来实现，还有一部分需要数控装置与PLC相结合来实现。

（2）T指令的实现方法。

在PLC上实现的主要是刀具选择。其过程如下：运行数控程序，当遇到包含某个刀具编码的换刀指令时，对应的数控装置I/O口变成高电平，使PLC输入端的软开关接通，换刀电机正转，当旋转到位（有检测触点）后，换刀电机反转，使刀架下落压紧，压紧力足够大时，微动开关接通，换刀电机停止运转。

（3）S指令的实现方法。

S功能主要完成对主轴转速的控制，常用的有代码法和直接指定法。代码法是S后面跟二位数字，这些数字不直接表示主轴转速的大小，而是机床主轴转速数列的序号；直接指定法是S后面直接就是主轴转速的大小，例如S1500表示主轴转速是1 500r/min。

（4）运行系统的实现过程。

嵌入式软PLC运行系统能够在嵌入式硬件的支持下，把控制程序中的每个程序段或部分程序段进行解释执行。解释执行PLC控制程序的具体步骤有输入釆样、指令解释、输出刷新、巡回扫描等。输入釆样阶段是把PLC梯形图程序中与输入触点相关的信息传递到对应的寄存器，然后将釆集到的触点状态存储到系统的内部存储器中，最后将内部存储器中数据状态复制到输入映像区中，以方便PLC程序在执行的时候使用。指令解释就是将PLC梯形图程序一行一行地解释、分解，最终转化为执行机构可以执行的代码，并将代码信息存储到相应的映像区中。输出刷新阶段中，映像区中的数据状态被保存到输出寄存器，然后被输出。只有三个阶段分别完成各自的任务并紧密衔接起来，才能使运行系统正常运行，实现系统的控制功能。

4 结语

PLC的产生为各种应用提供了极其可靠的控制，关键之一在于它能持续发展，并与现代工业需要相适应。因此，PLC控制装置必将在自动控制领域得到更广泛的应用。

参考文献

[1] 阳俊将.面向数控系统的软PLC的研究与设计[D].广州：华南理工大学，2012.

[2] 卓民.PC上的虚拟控制器一“软PLC”技术[J].计算机光盘软件与应用，2011（23）：93.

[3] 侯艳君.软PLC编程系统软件的设计[J].电子技术应用，2012，38（6）：141-144.