面向數控機床的嵌入式軟PLC開發系統的研究

王永高

摘 要：近年來，隨著計算機技術和超大規模集成電路技術的迅速發展以及IEC61131-3標準的出現，軟PLC得到突飛猛進的發展。該文主要以嵌入式軟PLC開發系統的實現為研究內容，詳細分析了嵌入式軟PLC在數控機床中的應用及其設計實現方法。

關鍵詞：嵌入式軟PLC 數控機床 數字化控制

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0081-01

1 嵌入式軟PLC的相關理論基礎

1.1 嵌入式軟PLC的硬件平臺及其功能

嵌入式軟PLC硬件平臺是由微處理器、存儲器、輸入輸出設備和外圍電路組成的計算機硬件系統，是系統軟件和應用軟件運行的硬件基礎。嵌入式微處理器是嵌入式系統的核心構件，起到控制整個系統的執行的作用。它與由內存、I/O端口、電源等構成的外圍電路組成一個完整的嵌入式目標系統。外部設備包括存儲設備、I/O設備和打印設備等，用于嵌入式系統與現場環境的交互。在應用于具體的控制系統時，使用者會根據應用的不同，選擇不同的硬件平臺。嵌入式PC與標準PC完全兼容，它的硬件結構和軟件開發平臺與標準PC相同，可以能完成與普通PC相同的工作。

在各種嵌入式PC中，近年來，PC104嵌入式工控板發展迅速，這是一個專門為工業控制總線的嵌入式控制系統，嵌入式控制系統是一個優化的、小的、堆棧結構。它基于CPU板堆疊在擴展卡中形成一個完整的計算機系統。PC104擴展卡包括網卡、數字I/O卡、RS232/485通訊卡、A/D卡等。

1.2 嵌入式軟PLC系統的體系

嵌入式軟PLC系統的整體結構一般包括由運行系統和開發系統兩大部分。其中運行系統一般由接口模塊、管理模塊、內核調試器等組成。它運行于嵌入式硬件平臺上，可開發系統生產的目標代碼，進而起到控制機床的作用。開發系統可提供編譯、編輯、調試等各種功能。其編輯功能的實現一般遵循IEC61131-3標準，能支持多種PLC編程語言，編譯功能是將編輯的PLC梯形圖程序轉換成目標代碼，調試功能是將PLC程序經檢錯、修改、試運行得到正確可靠的目標代碼。最后通過通信接口將目標程序傳輸到硬件系統中，繼而對機床動作進行控制。

2 PLC與數控機床的連接方式

通用可編程控制器與數控機床的連接方式是一種外部電路的連接方法，通過數控系統的I/O端口發送控制命令。無觸點開關可編程控制器的輸入端，完成可編程控制器控制的機床電器邏輯。可編程控制器與數控機床的強電、數控裝置I/O的連接線大致可以分為3類：

（1）PLC的輸入輸出端與機床面板信號連接。有數控機床操作面板上的各種類型的按鈕，按鈕開關直接連接到PLC的輸入端，PLC實時掃描按鍵狀態，當輸入信號。

（2）PLC輸出端與機床電氣信號連接。數控機床PLC的主要功能是控制電氣設備的高壓部分，每個操作控制邏輯存儲在計算機中，根據數控系統發出的指令操作。

（3）連接到PLC的輸入端與數控機床的數控裝置的I/O端口。該開關的輸出端通過PLC內部邏輯控制信號的輸入和系統控制面板的決定。梯形圖程序的最大特點是觸點“軟接觸”，觸點使用無限制。

3 數控加工代碼的實現方法

當前數控程序已有ISO標準，可以分為準備（G指令），輔助（M指令），工具（T），主軸（S指令），進給（F指令）功能。準備（G指令）的刀具與工件主要規定的相對運動功能的指令、機床坐標系、坐標平面、刀具補償、坐標偏移等多種加工操作。輔助功能指令主要控制夾緊和松開機床電氣部分由主軸換向，冷卻液開關；T指令與刀具的選擇和補償有關；S指令指定主軸轉速；F指令指定加工時的進給速度。

（1）M指令的實現方法。

M指令主要有程序停止、主軸順時針旋轉、主軸停止、準備換刀等。其中一部分是由數控系統本身的硬件和軟件來實現，還有一部分需要數控裝置與PLC相結合來實現。

（2）T指令的實現方法。

在PLC上實現的主要是刀具選擇。其過程如下：運行數控程序，當遇到包含某個刀具編碼的換刀指令時，對應的數控裝置I/O口變成高電平，使PLC輸入端的軟開關接通，換刀電機正轉，當旋轉到位（有檢測觸點）后，換刀電機反轉，使刀架下落壓緊，壓緊力足夠大時，微動開關接通，換刀電機停止運轉。

（3）S指令的實現方法。

S功能主要完成對主軸轉速的控制，常用的有代碼法和直接指定法。代碼法是S后面跟二位數字，這些數字不直接表示主軸轉速的大小，而是機床主軸轉速數列的序號；直接指定法是S后面直接就是主軸轉速的大小，例如S1500表示主軸轉速是1 500r/min。

（4）運行系統的實現過程。

嵌入式軟PLC運行系統能夠在嵌入式硬件的支持下，把控制程序中的每個程序段或部分程序段進行解釋執行。解釋執行PLC控制程序的具體步驟有輸入釆樣、指令解釋、輸出刷新、巡回掃描等。輸入釆樣階段是把PLC梯形圖程序中與輸入觸點相關的信息傳遞到對應的寄存器，然后將釆集到的觸點狀態存儲到系統的內部存儲器中，最后將內部存儲器中數據狀態復制到輸入映像區中，以方便PLC程序在執行的時候使用。指令解釋就是將PLC梯形圖程序一行一行地解釋、分解，最終轉化為執行機構可以執行的代碼，并將代碼信息存儲到相應的映像區中。輸出刷新階段中，映像區中的數據狀態被保存到輸出寄存器，然后被輸出。只有三個階段分別完成各自的任務并緊密銜接起來，才能使運行系統正常運行，實現系統的控制功能。

4 結語

PLC的產生為各種應用提供了極其可靠的控制，關鍵之一在于它能持續發展，并與現代工業需要相適應。因此，PLC控制裝置必將在自動控制領域得到更廣泛的應用。

參考文獻

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