基于PLC的嵌入式數控機床控制系統(tǒng)設計

劉霞

摘? 要：由于PLC技術具備的高可靠性、強抗干擾性、適用于惡劣生產環(huán)境等優(yōu)勢，在工業(yè)控制領域中得到了廣泛的應用。對此，基于PLC技術提出一種新的嵌入式數控機床控制系統(tǒng)，通過對其硬件結構及數控機床控制數據通信接收、基于PLC的控制數據映射設計，最終實現系統(tǒng)對數控機床控制程序的執(zhí)行。通過對比實驗進一步證明，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比誤差率更低，更具有應用價值。

關鍵詞：PLC;嵌入式;數控機床;控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.8 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2020）06-0107-02

Abstract： Because of the advantages of high reliability， strong anti-interference and suitable for harsh production environment， PLC technology has been widely used in the field of industrial control. In view of this， a new embedded CNC machine tool control system is proposed based on PLC technology. Through the communication and reception of its hardware structure and CNC machine tool control data， and the design of control data mapping based on PLC， the system finally realizes the execution of CNC machine tool control program. Through the comparative experiment， it is further proved that the error rate of this system is lower than that of the traditional control system， and it has more application value.

Keywords： PLC; embedded; CNC machine tool; control system

引言

PLC也稱為可編程控制器，是由計算機實現對繼電器的控制發(fā)展而來的一種全自動化的控制裝置。PLC具備傳統(tǒng)繼電器中操作簡單、成本低廉等優(yōu)勢，同時又具備計算機中運用靈活、功能完備的優(yōu)勢，因此在眾多要求可靠性高且工作環(huán)境惡劣的領域得到而很好的發(fā)展，但目前仍沒有一套結構完善、功能強大的基于PLC的數控機床控制系統(tǒng)[1]。傳統(tǒng)數控機床的控制主要是通過人為的方式進行，一旦設備出現故障會嚴重影響工作人員的人身安全，因此本文提出一種全新的基于PLC的嵌入式數控機床控制系統(tǒng)，通過對其硬件結構及軟件中的功能進行設計，為工業(yè)控制領域的安全生產提供保障。

1 基于PLC的嵌入式數控機床控制系統(tǒng)硬件設計

基于PLC的嵌入式數控機床控制系統(tǒng)硬件部分是由微型處理器、存儲設備、輸入輸出設備以及設備之間連接的電路組成的系統(tǒng)硬件結構。硬件結構為系統(tǒng)中的軟件及軟件的運行提供良好的運行環(huán)境[2]。硬件結構中，嵌入式的微型處理器裝置是本文系統(tǒng)的硬件核心部分，主要負責控制整個嵌入式數控機床的運行[2]。外部設備主要用于本文系統(tǒng)與數控機床現場的環(huán)境進行交互，其中包括用于對數據信息進行保留的存儲設備、計算機接口設備以及用于制作控制過程中數據表格的打印設備等。在本文系統(tǒng)實際應用過程中，用戶可以根據不同的需要，選擇不同的硬件平臺。因此，在系統(tǒng)中的嵌入式計算機應該與標準計算機完全兼容，并且其它硬件結構也應與標準計算機相同，實現本文系統(tǒng)完成與標準計算機相同的工作任務。

保證本文設計的基于PLC的嵌入式數控機床控制系統(tǒng)能夠在數控機床現場惡劣的環(huán)境當中正常的運行，在系統(tǒng)輸入接口處位置的連接線路選用具備光電隔離工能以及濾波功能的電路[3]。輸入接口的線路主要用于接收和收集開關量輸入的信號以及模擬量信號。通過微型處理器設備的輸入接口線路一般是由寄存設備、選通線路以及帶有中斷請求邏輯的線路三部分構成，將以上三種組成結構連接在一個芯片上形成完整的電路集成。

在輸出接口線路中的繼電器裝置輸出時，由于繼電器裝置上的線圈與兩個導體間可供電流通過的接觸面是相互隔離的，因此可以將其分別連接在具有不同性質以及不同電壓等級的電路當中。根據這一原理，在本文設計的系統(tǒng)上可以利用PLC將繼電器裝置輸出電路中的內部電路與PLC的外部驅動在電路中間完全的隔離，實現兩部分結構在不受另一方影響的情況下，穩(wěn)定的運行。

2 基于PLC的嵌入式數控機床控制系統(tǒng)軟件設計

基于PLC對嵌入式數控機床控制系統(tǒng)軟件功能的設計包括對數控機床控制數據通信的接收功能、基于PLC的控制數據輸入映射功能、控制狀態(tài)值邏輯處理功能以及控制程序最終的執(zhí)行功能。圖1為基于PLC的嵌入式數控機床控制系統(tǒng)運行基本流程。

根據圖1中系統(tǒng)的運行基本流程對系統(tǒng)中數控機床控制數據通信接收、基于PLC的控制數據映射以及實現數控機床控制程序執(zhí)行進行詳細的說明。

2.1 數控機床控制數據通信接收

數控機床控制數據通信接收是系統(tǒng)運行的第一個階段，是通過接口板獲取端口上的控制數據信息[4]。由于在系統(tǒng)實際運行中，控制數據信息常常會存在無效數據。因此，需要利用PLC以掃描的方式，按照控制順序對接收到的控制數據進行采集，并將其中有效的控制數據填入到存儲器當中，再進入系統(tǒng)的處理階段當中。在進行程序控制執(zhí)行的階段，通過數控機床控制數據通信接收保證當輸入的控制數據發(fā)生變化的情況下，存儲器當中已有的控制數據不會受到影響發(fā)生改變，控制數據的改變只會通過在下一階段中的控制數據通信接收改變。

2.2 基于PLC的控制數據映射

當完成數控機床控制數據通信接收后，再次通過系統(tǒng)的計算機接口實現對控制數據的通信，并獲取到2個8位數的16進制數，通過對該數據進行映射，最終獲取到每個控制點位上的數值，再用特定的變量對每個點位的數值進行保存，實現區(qū)域性映射[5]。基于PLC的控制數據映射是系統(tǒng)中一項十分重要的環(huán)節(jié)，只有通過這一環(huán)節(jié)才能將用戶輸入的參數信息轉換為具體的功能，從而在系統(tǒng)當中實現對數據機床的控制。通過本文上述數據的采集階段，已經將用戶編寫的語言程序轉變?yōu)榱讼到y(tǒng)可以運行的數據，再利用計算機接口板的端口狀態(tài)對信息進行實時的存儲，并將其輸入到映射區(qū)域當中，通過映射環(huán)節(jié)再將數據中原本的語義、詞義等分析出來，從而做出正確的控制。

2.3 實現數控機床控制程序執(zhí)行

為了實現系統(tǒng)對數控機床控制程序執(zhí)行，首先需要根據用戶實際輸入的信息，經過控制程序執(zhí)行后得到相應的預想結果[6]。在邏輯構造當中，根據設備元件的各項信息將保留的輸出控制數據的變量與系統(tǒng)中對應的位置進行連接，實現設備元件與系統(tǒng)端口額的額狀態(tài)數值實時連接的效果。

通過編譯環(huán)節(jié)將控制程序差分成多個不同的單元，再將其分別進行轉換。在每個邏輯當中都分別對應一個數據機床上的設備元件，節(jié)點位置表示各個控制邏輯與邏輯功能的節(jié)點。再對邏輯進行后序周游，并在后序周游的過程中，系統(tǒng)開始對各個控制命令進行邏輯運算，并將運算結果輸出到映射區(qū)域。最終通過映射區(qū)域輸出的結果執(zhí)行相應的控制程序，實現對數控機床的控制。

3 實驗論證分析

3.1 實驗準備

首先將本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)共同建立在實時操作系統(tǒng)環(huán)境當中，分別選取兩種規(guī)格、型號完全相同的數控機床作為實驗對象，設置本文系統(tǒng)為實驗組，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)為對照組，分別在實驗組和對照組中添加一位實驗人員作為系統(tǒng)的使用用戶，對兩組系統(tǒng)輸入同樣的數控機床控制信息，待兩組系統(tǒng)均完成相應的運行后，將兩組系統(tǒng)的實驗結果相關數據進行記錄。

3.2 實驗結果及分析

根據記錄的實驗結果，計算出兩組系統(tǒng)的誤差率，并繪制成如圖2所示的實驗結果對比圖。

從圖2中的兩條曲線可以看出，實驗組的誤差率明顯低于對照組的誤差率。且實驗組的誤差率曲線波動幅度較緩，而對照組的誤差率波動幅度較大。因此通過對比實驗證明，本文提出的基于PLC的嵌入式數控機床控制系統(tǒng)對數控機床的控制準確性和穩(wěn)定性更高，更適用于實際工業(yè)控制領域對數據機床的控制。

4 結束語

本文針對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中存在的問題，結合PLC的優(yōu)勢，提出一種基于PLC的嵌入式數控機床控制系統(tǒng)，并通過對比實驗進一步證明了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性。但本文在研究的過程中仍然存在某些方面的問題，例如系統(tǒng)中除控制功能外其它功能涉及較少、系統(tǒng)本身可支持的元件較少等。因此在后續(xù)的研究中，還將針對這兩個方面的問題進行更加深入的研究。

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