基于開放式數控系統軟件的PLC設計

楊金韜

摘 要：從數控技術產生并應用至今，數控系統經歷了從專用封閉式體系向開放式模塊化結構的發展過程，其輔助控制功能由可編程邏輯控制器來實現，而傳統PLC并不能滿足開放式數控系統的需求。因此，基于PLC機的采用軟件實現控制功能的軟PLC技術出現并不斷發展起來。本文首先介紹了PLC的概念及特點，之后講述了PLC結構與工作原理，然后敘述了開放式數控系統對軟PLC需求，最后詳細介紹了軟件PLC的開發運行系統。

關鍵詞：開放式；數控系統；軟件；PLC設計

1 PLC的概念及特點

可編程控制器是一種以微處理器為核心的用于工程自動控制的工業控制機，其本質是一臺工業控制專用計算機。PLC一般具有以下的特點：運行穩定，可靠性高；控制功能強；編程簡單，使用方便；適用于惡劣的工業環境、抗干擾能力好；功能完善，具有各種接口，與外部設備連接極方便；擴充方便，組合靈活，簡單易學。

2 PLC的結構與工作原理

2.1 PLC的結構

PLC是由中央處理器（CPU）、存儲器、編程器、輸入/輸出單元、電源和外部設備組成。中央處理單元是整個系統的核心，負責協調各個部分的工作。

2.2 PLC的工作原理

PLC的工作過程是周期掃描的工作過程。通過編程器或其它輸入設備輸入用戶程序存放在PLC的用戶存儲器中。當PLC開始運行時，CPU根據系統監控程序的規定順序，通過掃描，完成各輸入點的狀態采集或輸入數據采集、用戶程序的執行、各輸出點狀態更新、編程器鍵 入響應和顯示更新及CPU自檢等功能。PLC的循環掃描工作方式，每個掃描周期分為輸入采樣、程序執行和輸出控制三個階段。PLC在輸入采樣階段，首先掃描所有端子，并將各輸入存入內存中各對應的輸入映像寄存器。接著進入程序執行階段，在這個階段，輸入映像寄存器與外界隔離，無論信號如何變化，其內容保持不變直到下一個掃描周期。在程序執行階段，PLC會按照先左后右，先上后下的順序對程序進行逐行逐句掃描。當指令中存在輸入、輸出指令時，PLC從輸入映像寄存器中讀入上一階段的狀態，從輸出映像寄存器讀入對應輸出映像寄存器的當前狀態。然后進行相應的運算，運算結果存入元件映像寄存器中。在輸出刷新階段，在所有指令執行完畢后，輸出映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態轉存到輸出鎖存寄存器中，通過一定方式輸出，驅動外部負載。

3 開放式數控系統對軟件PLC的需求分析

數控系統中的PLC按照存在形式可分為硬件PLC和軟件PLC，按與CNC裝置的關系可分為獨立式PLC和內置式PLC，它們有各自的優、缺點。本文主要講述一下數控系統中最常見的軟件PLC的優點：1）具有開放的體系結構：軟件PLC具有寬范圍的I/O端口和多種現場總線的接口，支持多種硬件，也解決了傳統PLC互不兼容的問題。傳統PLC的指令集是固定的，軟件PLC具有第三方軟件接口，可支持多種語言編程（包括高級語言），可允許用戶根據需求，靈活擴展系統功能，指令集可以更加豐富。2）遵循國際工業標準：如IEC1131-3標準，大大提高了PLC程序的可讀性、可維護性和可移植性。3）能充分利用PC機的資源：如大容量的內存、高速CPU及其它硬件，且更加可靠。4）具有更強的數據處理能力：能夠在短時間內處理大量數據，利用PC機的軟件平臺處理一些比較復雜的數據及數據類型，如浮點數和字符串等。且數據管理更加方便，可以利用操作系統提供的功能，方便地通過建立文件或者數據庫的方式管理數據。5）節約成本和培訓費用。

4 PLC的開發運行系統及總體結構設計

運行系統是軟件PLC的核心，完成輸入處理、程序執行、輸出處理等工作。通常由I/O接口、通信接口、系統管理器、錯誤管理器、調試內核和編譯器組成。軟件PLC運行系統以文件模擬輸入、輸出映象區，將開發系統生成的程序編譯連接成可執行文件運行，用輸出結果反映I/O狀態的改變。

PLC的基本原理和開發系統應實現的基本功能，將系統分為編輯和編譯兩大模塊。根據IEC1131-3對PLC編程語言的規定和五種語言的各自特點，目前選擇了圖形模式語言梯形圖LD和文本模式語言指令表IL作為本系統的編程語言。因為梯形圖是目前應用最廣泛的直觀的編程語言；指令表語言不但簡單易學，而且非常容易實現，且IEC1131-3的其它語言如功能塊圖、結構化文本、梯形圖等都可以轉換為指令表語言。由于系統的開放性，可以根據以后的需要，將其他三種編程語言加載到系統中來。根據本實驗室已經開發的運行系統，開發系統需要生成的目標代碼為C/C++語言的形式。也就是說，開發系統需要將梯形圖等編程語言轉換為運行系統指定的格式，命令才能運行。這就需要一個解釋編譯的過程。將梯形圖轉換為C/C++命令，可以采用兩種方法：1）直接法：梯形圖表示的電氣控制線路呈矩陣排列模式，因此，可以依靠矩陣的運算，將梯形圖直接轉換為C/C++語言命令，然后用系統自帶的C編譯器進一步編譯運行。2）間接法：梯形圖與指令表的一一對應關系，可以把梯形圖程序轉換為文本形式的指令表語言，再對指令表語言進行處理，最終生成目標代碼。

總結：開放式數控系統能很好地解決頻繁變化的需求與封閉控制之間的矛盾，從而建立一個統一的可重構的系統平臺。

[參考文獻]

[1]梁宏斌，王永章，李霞.開放式數控系統與標準化[J].計算機集成制造系統. 2012（09）.

[2]白艷艷，陳衛福，于春娜.開放式數控系統中軟PLC的研究開發[J].機械管理開發. 2011（03）.

[3]周峰，王新華，李劍峰，溫燕杰，張威.軟PLC編輯系統的設計與實現[J].計算機工程與應用.2012（07）.