（机械电子工程专业论文）数控系统内置式plc软件实现方法的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 计算机数控( c n c ) 系统作为制造形状复杂、高质量、高精度产品所必备的基础设 备，已成为当今先进制造技术的一个重要组成部分。可编程控制器( p l c ) 是以微处 理器为基础，综合了计算机技术与自动化技术而开发的新一代工业控制器，具有可 靠性高，适应性强，编程简单等优点。将p l c 技术集成到c n c 中，是当今数控领域 不可抗拒的发展潮流，它使得数控系统的可靠性、灵活性大大提高，具有很好的实 用价值。片 本文首先讲述了在华中数控系统中利用现有的计算机硬件资源、开关量输入输 出控制板、软件技术集成内置式p l c 的原理和软件实现方法，以及内置式p l c 在数 控机床中的作用。随后，在广泛分析、比较的基础上，作者运用面向对象方法分别 建立了梯形图、指令语句表两种p l c 编程语言的开发环境，并实现了解释型p l c 的 系统执行程序。最后，探讨了内置式p l c 在数控机床上，尤其是网络数控系统中的 些应用。 本文的新颖性在于首次将p l c 应用程序与系统程序分离开，并建立各自的开发 平台；给出了多种p l c 语言编程的统一数据接口，并介绍了利用其它厂家p l c 程序 的方法；提出了富有特性的梯形图语法规则及其编译算法。( 本软件系统在p c 机上运 行效果良好，性能稳定，在最新的世纪星数控系统中仿真运行效果也很好。 本论文所实现的p l c 功能只是智能化p l c 的一小部分，在开放性、集成化、网 络化方面还有大量研究空间，尤其是网络数控系统中p l c 的远程监控、故障诊断、 通讯等问题还需深入分析。手 关键词：可编程逻辑控制器；数控系统，梯形图 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ef u n d a m e n t a ld e v i c ei nm a n u f a c t u r i n gc o m p l e x p r o f i l ep r o d u c t sw i t hh i g h q u a l i t y a n dp r e c i s i o n ，c n c ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) s y s t e mi s r e g a r d e d a sa p r i m a r ye q u i p m e n t i na d v a n c e dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y b e i n g an e wg e n e r a t i o n i n d u s t r i a lc o n t r o l l e rw h i c hi n t e g r a t e st h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra n da u t o m a t i z a t i o n ， p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) h a s al o to fa d v a n t a g e ss u c ha sh i g hr e l i a b i l i t y ， a d a p t a b i l i t ya n de a s yt ob ep r o g r a m m e d ，e t c t h ep e r f o r m a n c eo fc n cs y s t e mw i l lb e i m p r o v e d ，a n d t h e f l e x i b i l i t y ，o p e n n e s s ，r e l i a b i l i t ye x p a n d e dg r e a t l y w i t ht h ep l c i n t e g r a t e di n t o i nt h i st h e s i s ，f i r s t ，t h em e t h o do f r e a l i z i n gb u i l d i np l c b a s e do n c o m p u t e rh a r d w a r e ， i oc i r c u i tb o a r da n ds o f t w a r et e c h n o l o g yi nh u a z h o n gt y p e ic n cs y s t e mi sd i s c u s s e d a n dt h ef u n c t i o n so fb u i l d i np l c d e s c r i b e d t h e n ，t h ep l cl a n g u a g e so fl a d d e rd i a g r a m ( l d ) a n di n s t r u c t i o nl i s t ( i l ) a r ei n t r o d u c e d ，w h o s e c h a r a c t e r sa n d s y n t a x e s a r e d i s c u s s e di ne m p h a s e s t h e p r o g r a m m i n gp l a t f o r mf o rl d a n di li sb u i l tw i t ht h ei d e ao f o o p ( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) ，o uw h i c hw ec a ne d i t ，l o g i cc h e c k ，c o m p i l ea n d e m u l a t el da n di l t h ep l c s y s t e mp r o g r a ma n di t ss c a n n i n gp r i n c i p l ea r ei n t r o d u c e d t o o f i n a l l y t h e a p p l i c a t i o n so fb u i l d - i np l ci nh u a z h o n gn e t w o r kc n cs y s t e m a r e d i s c u s s e d ，i n v o l v e dw i t ht h el o n g r a n g em o n i t o r i n g ，t h ef a u l td i a g n o s i sa n de m u l a t i n g e t c t h en o v e l t yo ft h et h e s i sc o n s i s t so ft h r e e a s p e c t s f i s t ，i ts e p a r a t e sp l cs y s t e m p r o g r a m a n dp l c a p p l i c a t i o np r o g r a m a n d b u i l d i n gi t sd e v e l o p i n gp l a t f o r m si n d i v i d u a l l y s e c o n d l y ，i td e f i n e st h eu n i f o r m d a t ai n t e r f a c et h a tu s e d b ym a n yp r o g r a m m i n gl a n g u a g e s ， a n dt h em e t h o do fu t i l i z i n go t h e rm a n u f a c t u r e r sp l c p r o g r a m s t h i r d l y ，i tp r e s e n t s a p a r t i c u l a rs y n t a xa n dc o m p i l i n g a r i t h m e t i cf o rl d t h es o f t w a r ew o r k sw e l li nt h en e wh n c 一2 1s e r i e so fh u a z h o n gc n cc o l t d h o w e v e r ，t h en e w p l c s y s t e m sa p p l i c a t i o n sa r eb e g i n n i n gj u s tn o w ，t h e r e a r es t i l lm a n y v i r g i na r e af o r r e s e a r c h k e y w o r d s ：b u i l t i np l c ，c n c s y s t e m ，l a d d e rd i a g r a m 华中科技犬学硕士学位论文 1 1p l c 的产生与发展 1绪论 1 1 1 可编程序控制器的定义 可编程序控制器是一种以计算机( 微处理器) 为核心的通用工业控制装置。早 期的可编程序控制器只能进行开关量的逻辑控制，被称为可编程序逻辑控制器 ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，简称p l c 。现代可编程序控制器采用微处理 器作为中央处理单元，其功能大大增强，它不仅具有逻辑控制功能，还具有算术运 算、模拟量处理和通讯等功能。 1 9 8 5 年，国际电工委员会( i e c ) 在其颁布的可编程序控制器标准草案第二稿 中，对可编程序控制器的定义如下：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系 统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执 行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模 拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。当应用于机床控制时，p l c 又可称 为可编程机床控制器( p m c ) 。“”。 1 1 2 p l c 的产生与发展u 。1 在p l c 出现之前，机械控制及工业生产控制是用工业继电器实现的。1 9 6 8 年， 美国通用汽车公司提出把计算机和继电器控制系统结合起来的设想。1 9 6 9 年，美国 数字设备( d e c ) 公司研制出世界上第一台p l c ，用它来代替传统的继电器控制系统， 并在g m 公司的汽车自动装配线上试用获得了成功。 进入8 0 年代，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使得可编程控制器 有了突飞猛进的发展，功能日益增强，已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，具 备模数转换、数模转换、高速计数、速度控制、位置控制、轴定位控制、温度控制、 p i d 控制、远程通讯、高级语言编辑以及各种物理量转换等功能。特别是远程通讯 功能的实现，易于实现柔性加工和制造系统( f m s ) ，使得p l c 如虎添翼，被人们称 为现代工业控制三大支柱之一。 多年来，可编程序控制器及其组成系统在我国冶金、电厂、轻工石化、矿业、 水处理等行业更是到了广泛的应用，并取得了显著的经济效益。p l c 技术经过3 0 多 年的应用和开发，现已发展到智能化p l c 阶段。但是近几年来，e h 于集散控制系统 ( d c s ) 、工业控制机( i p c ) 的崛起，p l c 份额有所下降，已形成三足鼎立之势，以 华中科技大学硕士学位论文 致于功能上互相交错，使用中共同配合。 1 2p l o 的特点与功能 1 2 1p l o 的特点 p l c 是自动控制技术、计算机技术、通讯技术三者结合的高科技产品，具有可 靠性高，适应性好，接口功能强，编程简单、直观，模块化结构，集三电于一体( 用 于逻辑控制的电气控制装置，用于过程控制的电动单元组合仪表，用于运动控制的 电气传动控制装置) ，安装、维修简单，p l c 网络性价比高等优点。 1 2 。2 p l c 的应用”1 微电子技术、微机技术及控制技术的迅猛发展与综合，促进了p l c 的进步，使 其成为工业控制的首选产品，应用领域也日趋扩大，远远超出单纯继电器和逻辑程 控范围。例如，结合现代制造系统的形成及先进制造技术的采用，机械制造业已逐 步实现了单机自动化、生产线自动化、车间及工厂生产综合自动化，p l c 在实现 f m s c i m s i m s i 业及建筑机器人控制和大部分分散型控制系统中起着非常重要的 作用。现代p l c 能够集中反映当今电气控制世界先进水平，结合数控技术、工业机 器人技术和c i m s 构成机械工业自动化的三大支柱和重要组成部分，形成了先进制造 技术基础技术、新型单元技术和集成技术群的基础和必要条件。 p l c 在工业自动化中起着举足轻重的作用，已广泛应用于机械、冶金、石油、 化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。具体地概括一下，主要用于 以下几个方面： 1 开关量的逻辑控制 2 模拟量的闭环控制 3 数字量的智能控制 4 数字采集与监控 5 通讯、联网及集散控制 1 3p l o 的组成结构与工作过程”“1 1 3 1p l o 的组成结构 从结构形式上可以将p l c 分为两类：分为独立式p l c 和内置式p l c 。独立式p l c 就是指功能和结构上单独形成一个整体的p l c ，市面上卖的都是这种；内置式p l c 2 华中科技大学硕士学位论文 是指它的各组成部分或功能模块分散到其它设备内部，往往作为其它设备的功能补 充形式存在。独立式p l c 又分模块式和整体式两种： 图1 1 模块式p l c 逻辑图 1 、模块式p l c ：将p l c 各部分分成若干个单独的模块，如c p u 模块、i 0 模块、电源模块和各种功能模块。模块式p l c 由框架和各种模块组成。模块插在插 座上，通过总线连接。一般大、中型p l c 采用模块式结构，如图1 1 所示。 2 、整体式p l c ：又称单元式或箱体式。整体式p l c 是将电源、c p u 、i 0 部件 图1 2 整体式p l c 逻辑框图 都集中装在一个机箱内。一般小型p l c 采用这种结构，如图1 2 所示。 内置式p l c 中各组成部分或模块分散开来，甚至与机床上的其它控制系统共同 使用硬件或软件资源。但基本工作原理类似，实现的功能可随系统的要求而灵活地 配置，比如f a n u cs e r i e sp m c 就是一例，下章要讨论的p l c 也是这种。 但是，不管是那种类型的p l c ，它的基本组成部分都少不了c p u 、存储器、输入 输出组件、编程器，其工作过程都是一样的。 3 华中科技大学硕士学位论文 1 3 2p l o 的工作过程 p l c 的工作过程，采用循环扫描方式。通过扫描，可完成各输入点的状态采集或 输入数据采集、用户程序逻辑解算、各输出点的状态更新、故障诊断以及复位监视 定时器等功能。系统r a m 区中设为i 0 开关的映象单元，对应输入端、中间继电器、 定时计数器和输出端的状态。扫描程序中的操作数据并不直接来自输入或输出接 口，而是来自映象寄存区，映象区中的数据在输入采样和输出锁存时周期性地不断 刷新。 系统的循环扫描过程分为三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段和输 出刷新阶段。 在输入采样阶段，p l c 以扫描方式顺序读入所有输入端的状态( o n o f f ) ，并将 此状态存入映象寄存器。在以后的程序执行期间，即使输入状态有变化，输入映象 寄存器的内容也不会改变，这些变化只能在一个工作周期的输入采样阶段才被读入。 在程序执行阶段，p l c 按先左后右、先上后下的顺序对机床基本控制部分的指令 以及用户程序的每条指令进行扫描，从输入映象寄存器“读入”所有端子的状态， ( 若程序中需要读入某输出状态，则也在此时读入) ，然后进行逻辑运算，运算结果 再存入输出映象寄存器。 输出刷新阶段就是在所有指令执行完毕以后，输出映象寄存器中的所有输出状 态在本阶段转存到输出板，实现p l c 实际输出。 1 4p l o 的发展趋势与当前研究现状叶”1 1 4 1 p l o 的发展趋势 长期以来，p l c 始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控 制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提 供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。另一方 面，p l c 还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工 业p c 所带来的冲击。p l c 需要解决的问题依然是新技术的采用、系统丌放性和价格。 目前p l c 发展呈现出以下趋势： 1 ) 高功能、高速度和大容量，形成与d c s 相抗争的大系统 2 ) 微型、小型p l c 功能明显增强 3 ) 体系结构向多样化方向发展 4 ) 与p l c 配套的智能模板发展迅猛 5 ) 编程语言多样化 4 华中科技大学硕士学位论文 6 ) 集成化发展趋势增强 由于控制内容的复杂化和高难度化，使p l c 与p c 集成、p l c 与d c s 集成、p l c 与p i d 集成、与i n t e r n e t 集成成为可能，并强化了通讯能力和网络化，尤其是以 p c 为基础的控制产品增长率最快。最流行的是向p c 技术融合，p l c 日益加速渗入 到d c s 、c n c 的领地。 7 ) 自诊断功能有明显增强趋势 p l c 用于设备监控、故障诊断的功能日益加强。 8 ) 网络化和强化通信能力是p l c 重要发展方向 丰富的网络连接、高速的数据交换、开放的监控系统成为最新组成的系统的特 色。 9 ) 向开放性转变 国际电工协会( i e c ) 在1 9 9 2 年颁布了i e c l l 3 1 - 3 可编程序控制器的编程软件标 准，为各p l c 厂家编程的标准化铺平了道路。开放式p l c 除了在灵活性方面比传统p l c 具有截然不同的优势外，还具有其他优点，如能够缩短系统投放到市场的周期，降 低系统投资费用，提高从工厂底层到企业办公自动化的数据信息流动效率等。 1 4 2 国内外p l c 技术研究现状 在全球工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控 制软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有p l c ，但这种趋 势也许不会继续发展下去。随着软p l c ( s o f t p l c ) 控制组态软件技术的诞生与进一步 完善和发展，安装有s o f t p l c 组态软件和基于工业p c 过程控制系统的市场份额正在 逐步得到增长，这些事实使传统p l c 供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化，他 们必须面对现实，在传统p l c 的技术发展与提高方面作出更加开放的高姿态。对于 控制软件来讲，这是p l c 控制器的核心，p l c 供应商正在向工业用户提供开放式的 编程组态工具软件，而且对于工业用户表现得非常积极。此外，开放式通信网络技 术也得到了突破，其结果是将p l c 融入更加开放的工业控制行业。 走在基于p c 控制技术的最前列的美国s t e e p l e c h a s es o f t w a r ei n c ( s s i ) 研究 了v l c 系列软件。v l c 是s s i 开发出的世界上第一个基于p c 和w i n d o w sn t 的真 正实时控制器。它所提供的h a r dr e a l t i m e 概念在性能上大大超过传统的p l c 。 不久前，s i e m e n s 公司公布了一套新的基于开放式控制系统的软件产品，即3 0 版本的s i m a t i cw i n a c ( w i n d o w s 自动化中心) 。w i n a c 是基于w i n d o w sn t ，与s i m a t i c s 7p l c 兼容的适合于工业p c 的控制系统解决方案。w i n a c3 0 提供了具有较高集成 度的p r o f i b u s 现场总线局域网的连接性能，以及远程程序设计环境。 华中科技大学硕士学位论文 s o f t p l c 公司也提供了一种工控软件产品t e a l w a r e ，有人非常形象地把这种软 件产品称作穿着工业p c 衣服的p l c 。 几年来，有一些p l c 系统已经内藏了w e b 服务器，这无疑又为p l c 系统增加了 更多的特点。 在为将p l c 连接到e t h e r n e t 和w e b 上提供技术支持方面，s c h n e i d e r 公司已经 成了先驱者之一。最近，该公司推出了一种运行于p r e m i u mp l c 平台的新型快速 e t h e r n e t ( 1 0 0 m b s ) 模件。该模件为p l c 能够连接到t c p i p 的e t h e r n e t 提供了全双 工自适应l o l o o m b s 的连接速度，现场过程控制器之间可以共享实时数据信息，自 动扫描m o m e n t u mi o 模件和其他任何基于m o d b u s 通信协议的现场控制设备，采用 一个嵌入式w e b 服务器提供h t m l 通信服务，同时提供了s n m p 用于标准网络通信管 理。 s i e r r a 公司所提供的8 0 5 1 型工业通信桥路能够让彼此之间互不兼容的p l c 、 d c s 、r t u 和s c a d a 系统很好地集成在一起。这种工业通信桥路通过r s 一2 3 2 、4 2 2 、 4 8 5 ，或者e t h e r n e t 通信链路实现了高速网络应用。 m o e l l e r 电子公司先前一直采用具有自主版权的通信协议，而现在也已经开始 转向开放网络协议。他们所推出的被叫做x i 0 n 的新一代i o 结构体系将成为其p l c 开发完整的一部分。利用该结构体系可以进行片段和模块式的设计工作，它所集成 的网关允许连接到e t h e r n e t 、p r o f i b u s d p 、d e v i c e n e t 、c a n o p e n 以及更多的网络 系统。叭”1 1 5 课题的来源和本文所做的工作 计算机数控( c n c ) 系统作为制造形状复杂、高质量、高精度产品所必备的基础设 备，已成为当今先进制造技术的一个重要组成部分。p l c 是自动控制技术、计算机 技术、通讯技术三者结合的高科技产品，它具有可靠性高、适应工业现场的高温、 冲击和振动等恶劣环境的特点。这两项技术一个是当前最流行的制造技术，一个是 工业自动化中及其热门的控制技术，将数控系统和p l c 集成在一起，将实现数控技 术的新发展，世界上大型数控生产厂家大多采用这种方式。 1 5 1 课题的来源和意义 华中数控系统中利用现有的计算机硬件资源、开关量输入输出控制板、软件技 术已经集成了内置式p l c ，但是它的应用开发环境还有很多不足之处。 华中数控股份有限公司现有的内置式p l c 应用程序，长期以来一直是用高级语言 6 华中科技大学硕士学位论文 c 编写，虽然运行效率高，但c 语言编写程序时涉及到太多的底层函数、变量、宏 以及与n c b i o s 的接口，使得程序本身晦涩难懂又缺乏灵活，用户一般都是有经验的 工程技术人员，对梯形图、指令语句表编程比较熟悉，而对c 语言编程较生疏；另 外，对公司多年来的技术支持情况和客户反映统计表明，半数以上的问题与p l c 程 序有关。 旧版的p l c 应用系统没有自己的指令系统，仅靠编写c 语言函数来实现逻辑控 制，除了难以读懂外，逻辑复杂时还难以把握。对于每一个具体机床都要重新编写、 编译程序，以后的任何改动也需重新编译，效率不高，掌握不好的情况下难以编译 成功；很少利用到可编程控制器的机理，特别是扫描、自诊断机制，倒象是一个由 大量i f 语句组成的实时控制程序。这些制约满足不了当前市场的迫切需求及开放性 数控的要求，为了增强华中内嵌p l c 的功能，特别是网络通讯、故障诊断、远程监 控等，有必要开发开放性的p l c 指令系统及其应用开发平台。 由于以上原因，本人接受了武汉华中数控股份有限公司的研究课题，在已具有 p l c 开关量i o 板，p l c 与c n c 接口规范的基础上，利用华中数控系统二次开发平 台实现p l c 梯形图、指令语句表两种编程语言的开发环境，并重新编制解释型p l c 的系统执行器。 1 5 2 本文的立题和主要研究工作 本文主要讲述了在华中数控二次开发平台上实现p l c 应用平台的方法，它包括 梯形图的编辑、语法检查、编译，指令语句表的编辑、语法检查、编译，它们之间 的转换，仿真等；再此之前先介绍了内置式p l c 实现原理、华中数控系统开发平台； 其次论述了p l c 系统程序的开发，它包括p l c 指令系统、扫描过程、驻留内存方法。 随后讨论了网络数控中p l c 的应用，主要有远程监控、故障诊断等：对w i n d o w s 平 台的p l c 编程环境也做了一些工作。 华中数控内置式p l c 是利用数控系统的计算机硬件资源、机床输入输出控制板、 软件p l c 技术集成的，也是p l c 的一种，因此第一章简单介绍了一般p l c 的基本原 理、功能作用、产生发展、应用范围以及发展趋势和国内外研究现状。 第二章首先简单介绍了华中数控系统体系结构及其开放性，接着讲述了内置式 p l c 的特点、工作原理以及它在华中数控系统中的具体功能。 第三章从总体上对开发p l c 应用平台作了概要论述，其次，对华中数控系统的 二次开发环境也作了描述。 第四章详细介绍了运用面向对象方法实现梯形图、指令语句表的方法，以及多 种数据接口。 华中科技大学硕士学位论文 第五章首先介绍了p l c 的执行机理，可能出现的一些问题；接着剖析了网络数 控中p l c 的应用，以及p l c 仿真、监控、故障诊断等技术。 1 6 本章小结 内置式p l c 是p l c 技术的一种，为了更好地理解内置式p l c 工作原理，本章简 单介绍了一般p l c 的基本原理、功能作用、产生发展、应用范围以及发展趋势和国 内外研究现状，使我们更清晰地认识了p l c 的功能和应用范围。随后，介绍了本课 题的来源、意义与本文所作的工作。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 华中数控系统内置式p l c 介绍 2 1 华中数控系统及其开放性简介“”删 华中i 型开放式数控平台采用工业p c 机上配适配器卡的结构，是基于通用3 2 位工业p c 机和d o s 平台的开放式体系结构，硬件上与通用p c 微机完全兼容，随着 计算机的升级换代，系统也同样得到升级和发展：在软件上系统模块独立，层次功 能划分清晰，在源代码、类模块、功能模块上实现了共享和重用，具有较好的模块 化、层次化特征，系统配套能力强且扩展与伸缩性较好，便于二次开发，较好地实 现了c a d c a p p c a m 一体化。 2 1 1 华中i 型开放式数控系统的体系结构 华中i 型数控系统是p c 直接数控，其硬件平台可以是通用p c 机或工业p c 机。 图2 1 华中i 型开放式数控系统体系结构 其体系结构如图2 1 所示。虚线框内为标准p c 机配置，系统控制部件包括d m a 控制 器( 外部设备如软盘等与内存进行高速数据传送) 、中断控制器( 作系统中断用) 、 定时器( 作系统定时用) 等，外存包括硬盘和软盘或电子盘。华中i 型开放式c n c 系统是建立在总线基础上的模块化设计的拓扑结构，它采用标准总线技术解决了硬 件公用及结构可拓扑的问题，采用开放化、模块化、标准化的结构设计解决了硬件 9 华中科技大学硕士学位论文 的标准化问题。 其中，开关量输入控制是由m c 4 1 0 3 控制板实现，开关量输出控制是由h c 4 2 0 3 控制板实现( 外观见附录所示) 。它们均有6 个通道，每个通道有8 个开关量( 共6 8 = 4 8 路) 。均采用p c 总线( i s a 总线) 标准设计，可适用于各种p c 机组成的工 业控制系统。在c p u 的控制下可直接访问板上6 个字节输入通道的任意一个，读取 受控现场的开关量状态信息或数字量信息。 它们由于采用了光电隔离技术，使得系统与受控现场直接相连的开关量输入接 口线路实现了电隔离，去掉了彼此间的公共地线和一切电器联系，从而免除了因公 共地线所带来的各种干扰，实现受控现场产生的各种具有破坏性的暂态过程与主机 系统完全隔离，保证主控系统可靠地运行在稳定的环境中。 2 1 2 华中i 型数控系统的开放性 华中i 型数控系统以通用工控机作为平台，采取p c 标准插件形式的开放式运动 控制器为控制核心，以运动子程序的方式解释执行数控程序( g 代码，支持用户扩 展) ，p l c 子程序的方式实现机床逻辑控制。从而使得其内核的体系结构层次分明， 其功能特性可由上层软件灵活制定d 6 1 ，应用层软件全部采用面向对象技术封装，形 成了自己的软件芯片库。这种比较先进的开放式系统实现了人机界面和内核接口的 部分开放，使得在其上开发软件p l c 成为可能。 2 2 数控系统的内置式p l o 概述 2 2 i 内置式p l o 与独立式p l o 的比较 所谓内置式p l c ，就是利用数控系统的计算机硬件资源、输入输出控制板，结 合软件技术在数控系统内集成p l c 功能，有的公司称之为p m c ( p r o g r a m m a b l em a c h i n e c o n t r 0 1 ) 。 独立式p l c 虽然有很多优点，但也有不足之处。它的主要缺点是： 1 、p l c 的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的：如专用总线、专家通信网 络及协议，i o 模板不通用，甚至连机柜、电源模板亦各不相同： 2 、所有p l c 的i o 模块，均被插在p l c 的主机箱或附在p l c 主机箱旁的扩充 机箱内，不能被安置在前端现场。这是因为p l c 的i 0 与主c p u 通讯或产品的可 靠性不足以保证其放置在恶劣现场环境中使用。 3 、当一台p l c 操作能力达满负荷时，需要做系统扩充的话，没有其他的选择 余地，只有更换另一个更高平台的p l c ；而高一层次的p l c ，往往需要更换成不 1 0 华中科技大学硕士学位论文 同的应用程序，而原有的软件代码，必须用人逐一地转换到另一个操作环境一 虽然是不同层次的同一系列的p l c 产品，均是来自同一厂家，但也必须这样做。 4 、独立式p l c 采用程序固化的方法，将系统启动、自检、i o 驱动程序写入 r o m 中，而且将各种控制、检测功能模块、所有固定参数也全部固化。这将大大 限制开放性数控的灵活性。 而内置式p l c 不但可以克服这些缺陷，而且还具有自身的众多优点。 2 2 1 内置式p l c 优点。2 、4 2 、删 1 、内装式p l c 从属于c n c 装置。p l c 与c n c 间的信号传送在c n c 装置内部即可 实现，而p l c 与机床之间则通过c n c 输入输出接口电路来实现信号传送。它一般作 为一种基本的或可选择的功能提供给用户。它的性能指标如输入输出点数、程序最 大步数、每步执行时间、程序扫描周期、功能指令数目等是根据所从属的c n c 系统 的规格、性能，以及适用机床的类型等来确定。其硬件和软件与c n c 系统其它功能 一起统一设计和制造。因此，其硬件和软件整体结构十分紧凑，且p l c 所具有的功 能针对性强，技术指标亦较合理、实用，对单机数控设备尤其适用。 2 、内置式p l c 灵活。在系统的具体结构上，可以和c n c 共用c p u ，也可单独使 用一个c p u ：硬件电路可与c n c 其他电路制作在一块印制线路板上，也可单独制成一 块附加板；一般不单独配置i o 接口电路，而是使用c n c 装置本身的i o 接口实现 与m t 间的信号传送；所用的电源由c n c 装置提供。一般c n c 与p l c 的连接如图2 2 所示。 3 、采用内置式p l c 结构，使c n c 系统可以具有某些高级的控制功能。它与c n c 系统结合一起对机床分别进行顺序控制和坐标进给控制，使机床控制功能强、可靠 性高、灵活性大。因此，绝大多数全功能c n c 系统都具有内装式p l c 功能，如原f a n u c 公司f s 系列、s i e m e m s 公司s i n u m e r i k 系列、a b 公司的8 2 0 0 、8 4 0 0 等系列。 4 、内置式p l c 采用p l c 与p c 集成，即将计算机、p l c 及操作人员的人一机接口 结合在一起，使p l c 能利用计算机丰富的软件资源，而计算机能和p l c 的模块交互存 取数据。高性能c p u 、大容量内存使得编程容易和维护方便，开放的体系结构提供灵 活性，最终降低成本和提高生产率。强大的操作系统，高级语言开发环境，键盘、鼠 标、和显示器等输入输出设备，可获得功能强、开放性和可扩充性优良、人机操作 界面友好、硬件调试方便的p l c 应用环境。 因此数控系统中大多采用与c n c 集成的内置式p l c 。网络数控中内置式p l c 的 功能还可以扩展到远程故障诊断、网络通讯、远程监视等，同时，数控系统的可靠 性、灵活性以及开放性也得以提高。 l l 华中科技大学硕士学位论文 图2 2 内置式p l c 和c n c 连接方式 2 3 华中数控系统内置式p l c 介绍 2 3 1 华中数控系统中内置式p l c 的工作流程汹1 3 1 图2 3 详细地给出了内置式p l c 的功能模块结构和工作流程，输入输出接口负 责从输入板读取机床侧的信号，并进行软件滤波，同时把p l c 逻辑运算的结果发送 到输出板，完成信号的输出；p l c 模块根据用户提供的程序对逻辑信号进行运算， 从而把机床端输入信号x 转化为供p l c 转换器使用的g 信号，同时把从p l c 转换器 来的f 信号转化为对机床的输出信号y ( 参见图2 4 ) ：引入p l c 转换器是为了增强 c n c 系统的通用性，它主要负责将g 信号转换成供c n c 系统可以识别的、预先定义 好的数据格式，同时还负责将c n c 系统发出的命令转换p l c 识别的f 信号。其中 宣bp i r 输 + l 麟 入 输 机 p l c 一 入 输 c n c 转换器 一陌磊十 出 输 一 接 出 床 一，1卜 口 一 板 1 卜 图内置式工作流程示意图 l 、给 的信号： 华中科技大学硕士学位论文 主要有机床各坐标基准点信号，m 、s 、t 功能的应答信号等。 2 、p l c 给机床的信号： 主要是控制机床执行件的执行信号，如电磁铁、接触器、继电器的动作信号 以及确保机床各运动部件状态的信号及故障指示。 3 、机床给p l c 的信息： 主要有机床操作面板上各开关、按钮等信息，其中包括机床的起动、停止， 机械变速选择，主轴正反转、停止，冷却液的开关，各坐标的点动和刀架、 夹盘的松夹等信号，以及上述各部件的限位开关等保护装置、主轴伺服保护状 态监视信号和伺服系统运行准备等信号。 2 3 2 华中数控系统内置式p l o 的功能啪 3 ” 华中数控中p l c 调度的主要任务有：报警处理，m 、s 、t 处理，急停和复位处 理，虚拟轴驱动程序，刀具寿命管理，操作面板开关处理，指示灯显示，突发事件 处理等。其中： 1 、主轴转速的s 功能： 通常用s 二位或s 四位代码指定主轴转速。c n c 装置送出s 代码( 如二位代 码) 进入p l c ，经过电平转换( 独立式p l c ) 、译码、数据转换、限位控制和d a 变换，最后输给主轴电机伺服系统。为了提高主轴转速的稳定性，增大转矩、 调整转速范围，还可增加1 2 级机械变速档。 2 、刀具功能t ： p l c 控制对加工中心自动换刀的管理带来了很大的方便。自动换刀控制方式 有固定存取换刀方式和随机存取换刀方式，它们分别采用刀套编码制和刀具编 码制。在固定存取换刀控制中，归还旧刀具的位置是固定的，刀具选择指令以 及刀库中刀具存取位置，均以存放刀库的刀套编号为目标。随机换刀控制中， 还刀位置是随机的，不以刀套编号作为存取地址来控制取刀、换刀，仅以刀具 自身的直接编号为目标。对于刀套编码的t 功能处理过程是：c n c 装置送出t 代 码指令给p l c ，p l c 经过译码，在数据表内检索，找到t 代码指定的新刀号所在 的数据表的表地址，并与现行刀号进行判别比较。如不符合，则将刀库回转指 令发送给刀库控制系统，直到刀库定位到新刀号位置时，刀库停止回转，并准 备换刀。 3 、辅助功能m 是很广泛的。 根据不同的 l 代码，可控制主轴的正反转及停止，主轴齿轮箱的变速，冷去 液的开、关、卡盘的夹紧和松开，以及自动换刀装置机械手取刀、归刀等运动。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 c n c 和p l c 协调配合共同完成数控机床的控制，其中c n c 主要完成与数字运算 和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控制等；p l c 主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受c n c 的控制 代码m ( 辅助功能) 、s ( 主轴转速) 、t ( 选刀、换刀) 等顺序动作信息，对其进行译 码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装 夹、刀具的更换等一些辅助动作；它还接受机床操作面板的指令，方面直接控制 机床的动作，另一方面将一部分指令送往c n c 用于加工过程的控制。内嵌式p l c 与 c n c 间的信息传送在c n c 内部实现，p l c 与机床间的信息传送是通过c n c 的i o 接 口电路实现。 2 3 3 华中数控系统内置式p l o 的实现原理“” 在数控系统中，p l c 主要负责n c 和机床之间的逻辑信号处理和通讯。图2 4 给 出了p l c 与c n c 系统软件接口示意图。 图2 4 中表示的符号意义如下： x 寄存器为机床输出到p l c 的开关信号，最大可有1 2 8 组( 或称字节，下同) ； y 寄存器为p l c 输出到机床的开关信号，最大可有1 2 8 组： g j x 数控 1 内置式 j 机 fp l c 系统 r 床 y j b 、pl r 寄存器 嚣缚甬新 图2 4 华中数控系统中实现内置式p l c 的逻辑图 r 寄存器为p l c 内部中间寄存器，共有7 6 8 组； g 寄存器为p l c 输出到计算机数控系统的开关信号，最大可有2 5 6 组； f 寄存器为计算机数控系统输出到p l c 的开关信号，最大可有2 5 6 组； p 寄存器为p l c 外部参数，可由机床用户设置( 运行参数子菜单中的p m c 用户参 数命令即可设置) ，共有1 0 0 组； b 寄存器为断电保护信息，共有1 0 0 组。 x 、y 寄存器会随不同的数控机床而有所不同，主要和实际的机床输入输出开 关信号( 如限位开关、控制面板开关等) 有关。但x 、y 寄存器一旦定义好，软件就不 能更改其寄存器各位的定义；如果要更改，必须更改相应的硬件接口或接线端子。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 r 寄存器是p l c 内部的中间寄存器，可由p l c 软件任意使用。 g 、f 寄存器由数控系统与p l c 事先约定好的，p l c 硬件和软件都不能更改其寄 存器各位( b i t ) 的定义。 p 寄存器可由p l c 程序与机床用户任意自行定义。 c n c 系统任务调度 位置控制 低级p l c 基于优先级的抢 先式调度核心 空闲f 时间 霉 高级p l c 匝叵卜一l 蓠主黼卜堙 图2 5p l c 调度的方式 数控软件系统采用模块化和结构化的设计方法，模块的划分是以c n c 数控任务 为依据。各模块之间通过数据缓冲区进行联系，其中与p l c 发生联系的数据缓冲区 有r 、x 、y 、f 、g 、b 、t 、c 、d 等数据区( 在n c b i o s 中开辟的) 。同时c n c 系统软 件具有多任务性，各任务占用c p u 是通过循环轮流和中断优先相结合的方法来解决 的( 参见图2 5 ) 。 华中数控系统与一般的数控系统相似，也采用多重中断和前后台方式。如图2 5 所示插补运算、位置控制、p l c 程序为前台程序，实时性要求较高，采用基于优先 级的抢占式中断调用；后台程序由g 代码解释器、刀具补偿、人机界面显示等组成， 实时性较弱一些，只有在前台程序空闲时才会被调用，因此采用基于时间片的轮流 调度，并用链表形式的就绪队列、等待队列来管理。核心是由时钟中断模块和任务 调度组成的实时多任务系统，时钟中断模块是通过修改i n t8 1 1 号中断向量，将定时 周期改为l m s 。这样，各模块的优先级可由时间片的大小来决定，就绪队列按时间 片大小排序，时间片小的任务始终排在前面。 由于逻辑控制和开关量控制中对实时性要求有差异，系统将p l c 程序分为两部 分，高级p l c 和低级p l c 。前者主要处理紧急停止，超程，循环启动，进给保持等 实时性要求高的事件，后者处理机床基本输入输出和辅助功能( l 、s 、t ) 。p l c 程 序的执行就是通过与c 语言有类似语法的编程语言对这些输入输出位和中间变量 的操作进行运算的过程。图2 5 表明了同时具有中断和时间片轮转的c m 任务调度 1 5 华中科技大学硕士学位论文 系统是如何执行p l c 程序的。当比p l c 优先级高的