五轴数控铣床软PLC控制系统的研究

0 引言

　　随着开放式数控系统的发展，采用软件控制缩小硬件规模、降低成本是目前高端数控机床的发展趋势。软PLC以软件形式实现了传统PLC的控制功能，具有开放的体系结构、强大的网络通讯功能和更强的数据处理能力等特点。目前，国外已有成熟的软PLC产品，如：Servo Works软件中的PLC引擎模块、SOFTPLC公司的SoftPLC、西门子的SIMATIC WinAC等等。国内对软PLC也进行了研究，取得了一些进展。文献给出了一种基于DSP／BIOS嵌入式的软PLC执行系统构架，文献提出了一种基于tLC／OS．II的软PLC的实现方法，从一定程度上提升了软PLC的稳定性，但他们采用的是专用操作系统，不符合开放的要求和趋势，且软PLC控制系统的功能和稳定性与国外相比有很大差距。

　　五轴数控铣床具有很高的加工精度和效率，能够一次性完成三轴铣床很难加工的大型、复杂的自由曲面，但需要其软PLC控制系统更快地做出响应。因此，性能稳定的软PLC和更快的数据传输速率非常重要。文献提出了一种基于SERCOS接口的软PLC系统，但未对软PLC运行系统深人分析，文献则详细描述了软PLC多任务的实现方法，但未给出实现函数等细节。因此，本文针对上述问题对五轴数控铣床的软PLC控制系统进行了研究。

1 软PLC控制系统的总体结构

　　1.1 软件平台的选择

　　与其它开放的操作系统相比，Windows具有丰富的软件资源和极高的市场占有率，有利于多任务软件的开发。但它不是实时操作系统，无法满足软PLC实时性的要求归j。可向WindowsXP系统内核嵌入实时扩展子系统RTX(Real—Time Extension)解决实这一问题。所以本文选用WindowsXP+RTX5．0作为软PLC的开发和运行的软件平台，既符合开放的要求，又能满足数控系统和软PLC的实时性。

　　1.2 软PLC控制系统的总体结构

　　五轴数控铣床软PLC的控制流程如图1所示。当有加工信息输入时，首先软CNC进行分析、译码，然后将M、S、T等开关量信息交由软PLC进行处理，最后将CPU处理完的开关量信息通过I／O接口输出，通过控制主电路电器元件通断来驱动铣床部件动作。

图1五轴数控铣床软PLC的控制流程

　　软PLC控制系统由开发系统和运行系统两部分组成。开发系统是一个标准通用的开发环境，采用国际标准IEC61131．3中的五种开发语言编写用户程序，利用通信接口模块将可执行的目标代码传送给运行系统。运行系统是整个软PLC控制的核心，负责解释和执行用户程序，将开关量控制信息输出给电气部分，以驱动设备动作。

　　合理的设计软PLC的结构有利于提升控制系统的稳定性。根据软件组件的思想，可将软PLC控制系统分为几个具有独立功能的模块，模块间定义规范的接口。五轴数控铣床软PLC控制系统总体结构如图2所示。

图2软PLC控制系统结构框图

　　由于软PLC开发系统只是提供一个开发环境和控制方案，而目标代码的执行是由运行系统完成，因此下面重点对软PLC运行系统各模块进行分析。

2 软PLC运行系统的设计

　　2.1 系统管理模块

　　系统管理模块是软PLC运行系统的“大脑”，用于运行时分配系统资源，调度任务线程并监控系统的运行状态。在一个扫描周期内，如何调度各任务线程是保证软PLC稳定运行的关键。本文利用RTXAPI函数库中提供的RtSetThreadPriority()函数根据执行的先后顺序设定各任务线程优先级，当某一任务事件触发后，线程队列中等级最高的线程优先获得CPU时间片被执行，从而实现任务线程的合理调度。任务线程执行过程如图3图示。

图3软PLC任务线程执行过程

　　2.2 通信接口模块

　　通讯接口模块用于建立软PLC运行系统与开发系统、软CNC、人机操作面板以及其它应用程序进行数据通讯任务。其中，软PLC开发系统与运行系统采用COM组件方式进行通讯，即开发系统作为客户端向运行系统传送目标代码，运行系统作为服务器端接收目标代码并反馈软PLC的运行状态。

　　软PLC运行系统与软CNC、人机操作面板通过访问自创建的共享内存区单元PLC—CNCbuffer、PLC—Platebuffer进行数据交换。由Communication类来实现上述通信任务。

　　2.3 存储模块

　　存储模块用来保存软PLC运行过程中所需的数据、操作指令和数据地址，可表示为：存储模块=数据地址+数据+操作指令，因此将其分为三个子模块：用户程序存储模块、数据存储模块和指令存储模块。

　　用户程序存储模块用于保存开发系统编译完成的目标代码。这些目标代码是C／C++语句；例如ANDx0操作对应如下C++代码：

　　{strcpy(m—statement．m—basicorder．address[O]，”x0”)； ／／提取软元件X0中保存的数据m—statement．m—basicorder．funcname=INSTRUCTION—AndBit；／／提供对数据Xo的操作p_execute一>pstru—fun·clist一>insertAtBack(m—statement)； ／／更新链表数据域中的数据}

　　数据存储模块用于存储输入／输出端子的状态、内部继电器、定时器的状态和功能块逻辑运算的中间结果等数据。这些数据作为全局变量供软PLC控制系统各模块进行访问和修改。在执行用户程序过程中，CPU根据指令存储模块中指令参数的地址来访问数据存储模块区，获取数据进行逻辑运算。

　　指令存储模块用于存储PLC指令。每条指令对应一个C++函数，函数中封装了对数据的操作。例如：逻辑与指令对应函数ReadInputAndBit()，具体实现如下：

　　2.4 程序执行模块

　　程序执行模块用于解释和执行目标代码，通过调用相应的C++函数对堆栈进行操作，获取控制信息。下面以五轴数控铣床主轴正转梯形图程序(图4)说明软PLC指令的执行过程。

图4五轴数控铣床主轴正转梯形图程序

　　图3所示梯形图程序执行过程如下：

　　第一步：清除堆栈stack，遇到X0串联，将X0压人栈顶；第二步：遇到xl串联，弹出栈顶元素，将xl和X0逻辑或运算的结果压人栈顶；第三步：遇到并联分支点A；创建临时变量temp=0，将栈顶元素的值赋给temp，并弹出栈顶元素；第四步：遇到)(3串联，将)(3压人栈顶；第五步：遇到X4串联，弹出栈顶元素)(3，将X4与X3进行逻辑或运算，结果压人栈顶；第六步：遇到并联分支点B，弹出栈顶元素，将栈顶元素与temp进行逻辑或运算，结果赋给temp；第七步：遇到Y0串联，将Y0压入栈顶；第八步：遇到Y1串联，弹出栈顶元素Y0，将Yl和Y0逻辑与运算的结果压入栈顶；第九步：遇到并联分支点C；弹出栈顶元素，将栈顶元素与temp进行逻辑或运算，结果赋给temp；第十步：遇到x2串联，将temp与X2逻辑与运算的结果压入栈顶；第十一步：遇到Y0线圈，将栈顶元素的值赋给Y0并弹出堆栈；第十二步：将Y0值输出，清除堆栈stack。程序执行模块不断循环解释执行软PLC指令，直到执行END指令。软PLC程序执行模块工作过程如图5所示。注意：这里的跳转指令不是指PLC系统中的跳转指令，而是指梯形图程序中复杂的并联分支块引起的跳转。

图5软PLC解释和执行指令流程图

　　2.5 I／O接口模块

　　I/O接口模块是软PLC与输入输出设备进行数据交换的通道，用于将I／O板卡采集到的机床信号写进输人映像寄存器，同时将输出映像寄存器中软元件的状态输出给端子。I／O读写过程分为两步：第一，根据五轴数控铣床电气I／O端口分配表在软PLC系统内存中建立对应物理I／O节点变量，完成端口配置；第二，调用I／O接口模块内部的读写函数，在下一个扫描周期开始将软元件状态输出，完成数据交换。

　　为智能读取数据和进一步提高I／O接口物理层的开放性，软PLC采用图6所示结构对I／O数据存储区的变量统一编址。

图6按字节、字和双字方式编址

　　I／O接口模块采用按位、字节、字和双字的寻址方式向读写函数提供操作数地址，并把I／O数据存储器变量区划分为6个区域，每个区域存储相应变量数据。其中，按位寻址的尾部编址采用了字节号加分隔符加位号的形式。

3 软PLC控制系统的接口设计

　　SERCOS(Serial Real—time Communication System)是一种用于CNC和数字伺服传动系统之间通信的数字接口和数据交换协议，能够实现工业控制计算机与数字伺服系统、传感器和可编程控制器I／O口之间的实时数据通信。SERCOS—III是SERCOS发展的最新阶段，采用光纤传输，速率高达100Mbit／s；可利用软件SoftSERCANS对主站进行控制，缩减了数控系统的硬件；此外还具有双环型拓扑结构¨引，增强了系统的安全性。软PLC控制系统采用sERCOS一Ⅲ接口可缩减数据采集的时间，进一步提升系统的响应能力、开放性和可靠性。基于SERCOS．III接口的开放式数控系统结构如图7所示。

图7 基于SERCOS·Ⅲ接口的开放式数控系统结构

　　图7 基于SERCOS·Ⅲ接口的开放式数控系统结构SERCOS．III采用报文形式实现主从站的通讯，报文有三种类型：主站数据报文MDT、应答报文AT和以太网报文。其工作时序如图8所示。

图8 SERCOS-Ⅲ工作时序

　　SERCOS-III主站在接收到AT后将所有报文信息存储到SofiSERCANS创建的共享缓存区。软PLC和软CNC通过指针访问该存储单元获取所需数据。类CPLCIOControl提供了访问该共享区域的接口。

4 软PLC运行系统的仿真测试

　　软4牛-3己台为WindowsXP+RTX5.0，硬件平台为PC。利用VC++6．0编辑开发的软PLC运行系统仿真界面如图9所示。运行软PLC运行系统，当点击主轴正转按钮时，所对应的软逻辑在输入映像区的状态发生改变，通过调用程序中的指令，将主轴正转控制信号输出，主轴正转指示灯亮。

　　经图10所示五轴数控铣床测试，软PLC控制系统实现了对五轴数控铣床开关量的控制。

5 结束语

　　通过研究传统PLC对五轴数控铣床开关量信号的控制，利用C++面向对象技术和模块化的思想编辑开发了软PLC控制系统，实现了对五轴数控铣床开关量的控制，进一步增强了数控系统的开放性，促进了全软件开放式数控系统和软PLC技术的进一步发展。