0 引言
基于PC的控制系统为用户提供了一个多功能、集成化的开放式平台，其特点在于大幅度提高了系统的连接性、灵活性和信息存储能力。随着计算机技术的迅猛发展以及PLC国际标准的制定，软PLC这种新兴技术发展起来，在保留硬PLC功能的基础上，具有如下特点：采用面向现场总线网络的体系结构，具有开放的通信接口，如以太网、高速串口等，利用各种相关的国际工业标准和一系列的事实上的标准，全部采用软件来实现传统PLC的功能。本系统将Pc与软PLC相结合，可以使得系统的结构更加紧凑，维护更加方便．而且适应现代化生产的需要。
1 数控转塔冲床的组成
本文以ET-300系列数控转塔冲床为研究对象，其结构示意图如图1所示。
图1 ET-300数控转塔冲床的结构示意图
ET-300数控转塔冲床属于机械飞轮驱动式转塔冲床，它由以下几部分构成：
1)数控系统。数控系统是转塔冲床实现自动加工的核心，它能够实时监测转塔冲床的工作状态以及加工环境，接受操作人员输人的操作命令，控制机床各功能部件协调动作来完成加工任务。数控系统主要包括主控机、显示器、键盘、操作面板以及功能强大的控制软件。
2)伺服系统。伺服系统是转塔冲床的最主要部件之一，它直接驱动各轴运动，接受数控系统的运动命令并实现转塔冲床各轴速度、位置的精确控制。伺服系统包括z轴电动机伺服、Y轴电动机伺服、l轴(转塔轴)电动机伺服、c轴(转模轴)电动机伺服。
3)电气系统。电气系统主要包括转塔冲床所用到的各种传感器，气动控制回路以及数控系统与电动机、传感器、气动部件等的连接。电气柜是电气系统的枢纽，所有外围电气元件或者通过电气柜与数控系统相连，或者直接安装在电气柜中。
4)机床床身。主要包括底座、外罩等，为转塔冲床其他部件的安装提供一个平台，同时也为机床正常工作提供安全防护以及良好的抗震等性能。
5)传动系统。包括主轴传动机构、x轴传动机构、Y轴传动机构、t轴(转塔轴)传动机构、c轴(转模轴)传动机构。其功能主要是将各伺服轴的运动和动力输出转换成加工中所需的动作。主轴采用连杆机构将电动机的旋转变为打击头的直线往复运动等。
6)辅助部件。包括定位装置、工件夹钳等，主要实现一些特殊的功能。
2 数控系统的设计
控制系统分为两部分：硬件部分和软件部分。控制系统硬件部分主要包括IPC，总线系统，伺服系统和端子系统等，通过采用EtherCAT以太网现场总线技术，工控机与EtherCAT总线连接．实现IPC与伺服系统和端子系统的通信，进而控制伺服驱动器来驱动伺服电动机完成相应动作。端子系统连接外部传感器和执行开关等，来完成信息的传输与反馈。其组成结构如图2所示。工控机采用BECKHOFF提供的C6150，配备PC控制面板，EtherCAT总线耦合器选用EKlll0，由机床的结构示意图可以知道，该数控转塔冲床有4根轴，故需配备4个伺服驱动器，根据分析，选用BECKHOFF的AX2010和AX2020两种规格的伺服驱动器。端子模块选用ELl008—8通道数字量输入端子模块，EL2008--8通道数字量输出端子模块。输入、输出端子模块的个数根据连接外部的传感器和执行器的数目来确定。
图2控制系统的硬件组成示意图
控制系统软件部分是实现控制系统功能的核心部分，主要包括人机界面(HMI)程序、TwinCAT平台、软PLC、组态软件、上位机程序和操作系统。TwinCAT是软PLC和组态软件的运行平台，是软件部分的基础。上位机程序基于TwinCAT平台上，负责实现用户操作命令和TwinCAT控制功能的通信与交互。IPC上采用的是Windows XP操作系统，简便友好，符合用户的需求。
图3 HMI功能结构图
在经过一段时间的开发后，设计了如图4所示的人机界面，简洁易操作，符合HMI设计原则。同时根据生产需求，需要进行图形模拟和实时监控，图4中根据给出的G代码，能够在板材上模拟冲孔的过程，同时也可以直接生成冲孔完成后的示意图。
3 人机界面设计
人机界面或称人机交互(human computer interaction，HMI)是系统与用户之间进行信息交互的媒介。随着信息技术的高速发展，HMI在工业控制中取得了广泛的应用，接下来所要做的是设计有效便捷舒适的HMI来完成工业生产的要求。
编程语言采用C#，在Visual Studio．NET 2008上编写绘制HMI，在HMI设计过程中，考虑到绝大多数用户对于标准Windows系统较为熟悉，因此尽量采用兼容标准Windows界面的特征。同时根据生产实际的要求进行分析，确定HMI的功能结构，如图3所示。
4 基于TwinCAT的软PLC系统结构和技术实现
4.1 软PLC系统结构
软PLC基于PC，通过软件方法实现传统PLC的计算、控制、存储以及编程等功能，通过I／O模块以及现场总线等物理设备完成现场数据的采集以及信号的输出，它简化了工厂的自动化的体系结构，把控制、通信、HMI以及各种特定的应用全部合为一体，运用于同一个硬件平台上，降低了经济成本，减少了资源浪费，实现了工控领域长期渴望的量身定制，组态简便，迅速到位的需求。软PLC系统通常由开发系统和运行系统两部分组成。如图5所示。
图5软PLC系统结构图
编程系统主要用于PLC应用程序的开发。运行系统负责整个系统的管理和对应用程序的执行，两者都为同一IPC内，两者之间通过DLL文件进行通信。
4.2 软PLC的技术实现
本系统中软PLC的实现通过BECKHOFF提供的专用软件TwinCAT，使Pc用作可编程控制器，其编程工具符合IEC 6113l一3标准，可连接所有的公共现场总线和用于I／O信号的Pc卡，带用户接口的数据通讯和使用微软开放式标准程序(OPC，OCX，DLL)；若对控制器的可靠性和控制性能要求较高时，可选择插槽式PIg；，提高实时控制性能，因为其拥有自己的操作系统，有可靠的数据存储和准确的重新启动功能。本系统中采用软件式PLC，即TwinCAT PLC。
4.3 TwinCAT PLC的使用
TwinCAT PLC作为一种纯粹的软PLC．允许在一个PC机上同时运行4个虚拟“PLC CPU”，每个可最多运行4个用户任务。TwinCAT PLC以顺序扫描用户程序的运行方式，周期性地循环工作。在一个循环周期内，分成输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。和其他PLC有所不同，TwinCAT PLC在输入采样阶段，并不是依次地读入所有输入状态和数据．而是选择性地读取。可以将TwinCATPLC的输入点看成一个串点序列．每个串点或某个串点列都匹配一个判断条件，一旦条件不满足，将跳开对应的输入端点，在该周期内不执行对这些输入端点的读取。这是TwinCAT PLC自身的一个特点，可以使得PLC有着更快的执行效率。
PLC程序可使用一种或多种语言编程。符合IEC61131—3标准：IL(指令表)，LD(梯形图)，FBD／CFC(功能块图)．SFC(顺序功能图)，ST(结构化文本)。如图6所示为数控转塔冲床的PLC编程环境，该界面被分为三个部分：对象列表、变量声明和程序表示。人机界面上的操作，经过I／O模块进行通信，传送到PLC中，从而改变其中定义的变量值，这些变量都与I／O通道中的端子建有逻辑一物理连接，以此来执行用户所要求的操作。
5 结束语
基于PC的数控转塔冲床的控制系统，将Pc与软PLC相结合，通过内置软PLC实现机床与人机界面的交互。可以将控制、通信、人机界面以及各种可扩展的应用程序集中到一个多功能集成化的硬件平台上，从而大大简化了工业自动化的控制结构，对于迅猛发展的工业现代化进程有着重要的意义。
(审核编辑: 沧海一土)
