摘要：本文通過與傳統(tǒng)開放式數(shù)控系統(tǒng)概念相對比，提出了基于IEC61131-3的開放式數(shù)控系統(tǒng)的概念，然后在綜合國外技術的基礎上，對其軟硬件系統(tǒng)進行了分析總結，最后探討了開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。 關鍵詞：開放式數(shù)控系統(tǒng) IEC61131-3 OMAC PLCopen 0 引言 從近年來的市場情況來看，尤其是歐洲市場，由于IEC61131標準推廣應用，基于IEC61131-3的開放式數(shù)控系統(tǒng)已逐漸成為開放式數(shù)控系統(tǒng)的主流，有望成為未來開放式數(shù)控系統(tǒng)的標準：硬件系統(tǒng)按美國OMAC Packaging Workgroup（OMAC包裝工作組，簡稱OPW）概念分為三種，通過在軟件或硬件PLC上運行IEC61131-3語言編制的用戶軟件來實現(xiàn)運動控制、插補運算、G代碼控制等CNC標準功能，同時實現(xiàn)PLC邏輯控制功能。鑒于這種開放式數(shù)控系統(tǒng)在技術上的突破主要體現(xiàn)在采用IEC61131-3語言編程實現(xiàn)CNC功能，故稱為基于IEC61131-3的開放式數(shù)控系統(tǒng)。 1 硬件系統(tǒng) OPW為美國OMAC Users Group（OMAC用戶組）下設的一個工作組，致力于在包裝機械行業(yè)推廣運動控制解決方案，在其《包裝機械自動化導則》中確立了一整套數(shù)字化運動控制系統(tǒng)的概念。在綜合、擴展現(xiàn)有硬件系統(tǒng)結構的基礎上，OPW確立了三種硬件系統(tǒng)結構的概念，分別是控制器平臺系統(tǒng)結構（Controller-Based System Architecture）、PC平臺系統(tǒng)結構（PC-Based System Architecture）、驅動器平臺系統(tǒng)結構（Drive-Based System Architecture）。 OMAC雖然設在美國，但是受到歐洲控制系統(tǒng)供應商的廣泛支持，西門子、施耐德等多家歐洲廠商是該組織的成員，其中西門子公司嚴格按照OPW概念推出了Simotion系列運動控制產品，共有Simotion C、Simotion P、Simotion D三種，分別對應上述OPW三種平臺。 1.1 控制器平臺系統(tǒng) [align=center] 圖1：控制器平臺系統(tǒng)結構邏輯連接圖[/align] 按照OPW概念，圖1中所示控制器（Controller）作為控制系統(tǒng)的核心，是一獨立硬件實體，可實現(xiàn)邏輯控制與運動控制等功能；HMI是可選件，即使是PC做為HMI的硬件，也只能實現(xiàn)HMI軟件功能；分布式I/O及帶有數(shù)字設定接口的驅動器通過現(xiàn)場總線與控制器相連。 雖然OPW沒有明確指出控制器是何種控制器，但這里的控制器實際上是擴展了運動控制功能的PLC，主要因為：采用了與PLC相一致的硬件時鐘實現(xiàn)掃描周期與中斷等；其邏輯控制與運動控制功能均采用PLC標準編程語言IEC61131-3語言實現(xiàn)。西門子公司雖然未把Simotion C運動控制系統(tǒng)稱為PLC，但該產品實際上是在SIMATIC S7系列PLC基礎上擴展了運動控制功能，可以直接使用 SIMATIC S7系列 PLC的 I/O 模板及功能模板。從施耐德公司產品上，可以更加明顯地了解到這一點，其最初的運動控制產品就是在Modicon Premium系列PLC底板上插接運動控制功能模塊，直接在標準PLC上擴展了運動控制功能。 在實際應用中，PLC硬件有兩種結構形式，一種是傳統(tǒng)結構的PLC硬件系統(tǒng)，其組件全部安裝在獨立的機架上，另外一種是插入到PC主板中的插槽式PLC硬件系統(tǒng)。西門子Simotion C屬于前者，而施耐德Modicon Premium系列PLC有一款Atrium插槽式PLC，PLC的CPU及總線模塊集成在一塊PC板卡上，插入到PC的PCI總線插槽中，然后通過總線與外置機架上的運動控制功能模塊、I/O模塊等進行通信。Atrium插槽式PLC 完全獨立于PC運行：標準PC機的“重起”命令對插槽式PLC的操作模式不起作用；將PC機關閉后再打開，會導致槽式PLC管理的程序熱啟動，但是重啟動不會丟失應用程序內容；可插接在PC插槽中的 24 V電源允許插槽式PLC獨立于PC電源工作。 OPW共推薦了兩種現(xiàn)場總線，用于連接控制器與分布式I/O模塊及帶有數(shù)字設定接口驅動器：SERCOS與PROFIBUS總線。實際應用中許多產品中采用了其他方式：可以采用其他現(xiàn)場總線，比如施耐德采用了CANopen總線；對于傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)，也可不采用分布式I/O及采用傳統(tǒng)的±10V模擬信號與帶有模擬設定接口的驅動器相連接。 由于IEC61131-3語言編程工具的發(fā)展，控制軟件具有硬件無關性、可移植性等開放性特性，給了后起的控制系統(tǒng)供應商甚至機床制造廠家打破傳統(tǒng)控制系統(tǒng)供應商市場壟斷的機遇。在歐洲市場上，后起的控制系統(tǒng)供應商甚至機床制造廠家就像PC組裝廠家一樣，購買芯片等硬件元件，獨立配置控制器系統(tǒng)，購買專業(yè)軟件公司的IEC61131-3語言編程工具與軟件模塊，也可自行編制軟件模塊，從而打破了西門子公司等傳統(tǒng)控制系統(tǒng)供應商的壟斷。 1.2 PC平臺系統(tǒng) [align=center] 圖2：PC平臺系統(tǒng)結構邏輯連接圖[/align] 按照OPW概念，圖2中所示PC作為控制系統(tǒng)的核心，通過運行HMI（可選）、邏輯控制、運動控制等功能軟件，可實現(xiàn)HMI、邏輯控制與運動控制等功能；HMI硬件是可選件，一般為PC顯示器；分布式I/O模塊及帶有數(shù)字設定接口的驅動器通過現(xiàn)場總線與PC相連；PC機與機床上的分布式I/O及帶有數(shù)字設定接口的驅動器通過插入到PC機插槽上的總線卡通信聯(lián)系。 在PC平臺上實現(xiàn)I/O等控制功能，首先要通過IEC61131-3語言編程工具，在PC中模擬PLC硬件，也就是以軟PLC的方式實現(xiàn)各種控制功能。 PC平臺系統(tǒng)結構是最具開放性的硬件平臺，這是由于應用軟件運行在擴展了實時性能的MS Windows系列操作系統(tǒng)及通用工業(yè)PC機之上，控制系統(tǒng)提供商只需潛心于開發(fā)工具與軟件模塊等控制軟件即可。PC平臺系統(tǒng)產品的競爭力，主要來自于軟件，這給了后起的小型專業(yè)軟件公司打破傳統(tǒng)控制系統(tǒng)供應商市場壟斷的機遇，這也是開放式控制系統(tǒng)的優(yōu)越性所在。 1.3 驅動器平臺系統(tǒng) 按照OPW概念，圖3中所示集成了邏輯控制、運動控制軟硬件功能的多組驅動器為控制系統(tǒng)的核心，除了驅動器自身的軸控制功能，可實現(xiàn)邏輯控制與運動控制等功能；HMI軟硬件及獨立的PLC是可選件；分布式I/O模塊通過現(xiàn)場總線與驅動器相連。 [align=center] 圖3：驅動器平臺系統(tǒng)結構邏輯連接圖[/align] 這是一種分布式運動控制系統(tǒng)，驅動器實際上是集成了緊湊型控制器的智能驅動器，能獨立完成邏輯控制與運動控制功能。從目前掌握的資料來看，市場上只有西門子Simotion D一種驅動器平臺運動控制產品。 2 軟件系統(tǒng) 基于IEC61131-3的開放式數(shù)控系統(tǒng)的開放性主要體現(xiàn)在軟件方面。軟件系統(tǒng)可分為系統(tǒng)軟件、應用軟件。系統(tǒng)軟件包括實時操作系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、設備驅動程序等。應用軟件包括開發(fā)工具、用戶程序等。 2.1 系統(tǒng)軟件 操作系統(tǒng)的實時性這一問題對于PC平臺系統(tǒng)比較突出，這是因為PC上運行的MS Windows系列通用操作系統(tǒng)原本面向商業(yè)應用，并非面向工業(yè)實時控制。西門子公司等控制系統(tǒng)供應商曾對Windows的實時特性進行了測試，證實其存在“死機”、中斷延遲等問題，并不具備硬實時特性。控制器平臺及驅動器平臺系統(tǒng)則不需要PC必需的操作系統(tǒng)，而是嚴格按硬件時鐘循環(huán)調用指令，也就不存在操作系統(tǒng)的實時性這一問題。 解決操作系統(tǒng)的實時性問題，目前應用最廣的辦法是為Windows擴展實時特性。美國Ardence（原VenturCom）公司RTX（Real-time Extension for Windows），是內置于Windows的實時操作系統(tǒng)。RTX線程運行時，Windows的中斷被屏蔽，但Windows不能屏蔽RTX管理的中斷，Windows成為一個受RTX管理的任務，其優(yōu)先級最低。RTX可以保證任意線程的最差響應時間為50us。德國3S（Smart Software Solution）公司CoDeSys SP RTE（Real Time Extension），同樣是內置于Windows的實時操作系統(tǒng)，由PC主板上的硬件時鐘周期性調用，然后由RTE每毫秒產生兩個硬件中斷，一個用于執(zhí)行CoDeSys任務，另一個用于執(zhí)行Windows任務。1毫秒為默認時鐘周期，可以更改，最短為50us，用于兩個中斷的時間比例也是可以設置的。也就是說，RTE把一個時鐘周期分時用于CoDeSys任務與Windows任務，二者互不干擾。 目前通用數(shù)控系統(tǒng)的插補周期一般為1ms或1ms以下，以上兩種Windows的實時擴展，均保證了Windows應用于數(shù)控系統(tǒng)的實時特性。 2.2 應用軟件 應用軟件包括開發(fā)工具與用戶程序。PC平臺系統(tǒng)中的PC既可以運行開發(fā)工具，也可以運行用戶程序，而控制器平臺與驅動器平臺系統(tǒng)自身可以運行用戶程序，可以另接PC運行開發(fā)工具。 2.2.1 開發(fā)工具 隨著IEC61131標準的推廣，涌現(xiàn)出許多符合這一標準的開發(fā)工具，如3S公司的CoDeSyS，Infoteam公司的OpenPCS等。IEC61131是國際電工委員會頒布的PLC國際標準，規(guī)定了二大類編程語言：文本化編程語言和圖形化編程語言。前者包括指令清單語言（IL）和結構化文本語言（ST），后者包括梯形圖語言（LD）、功能塊圖語言（FBD）和順序功能圖（SFC）。這些語言，最初是用于編制PLC邏輯控制程序的，但是由于PLCopen國際組織及專業(yè)化軟件公司的努力，也可以用來編制運動控制與插補運算程序。 IEC61131編程語言是工控編程語言，與C語言等高級編程語言相比，在數(shù)據(jù)結構、程序結構、指令等方面相似（主要指的是ST語言），但是大幅簡化，更易于自動化工程師掌握，使得用戶能夠自行編制運動控制與插補運算程序，自行定義數(shù)控代碼，這樣具有了高度的開放性。 由于采用了適應自動控制要求的國際標準語言IEC61131-3語言，基于IEC61131-3的開放式數(shù)控系統(tǒng)有著高度的開放性與強大的生命力。 2.2.2 用戶程序 用戶程序指的是由IEC61131-3語言編制的實現(xiàn)邏輯控制、運動控制、插補運算功能的PLC程序，可以解讀并執(zhí)行G代碼編制的數(shù)控加工程序。對于結構化的用戶程序，最重要的是軟件模塊。由于基于IEC61131-3控制系統(tǒng)的開放性，軟件模塊可以由控制系統(tǒng)供應商編制，也可由用戶編制，其使用對用戶開放。對于開放式系統(tǒng)所要求的互換性、可移植性、硬件無關性等來說，主要體現(xiàn)在軟件模塊的互換性、可移植性、硬件無關性，這就產生了軟件模塊標準化的需求。 PLCopen國際組織致力于推廣IEC61131-3語言的應用，其成員包括了世界主流控制系統(tǒng)供應商，上文中提到的西門子、施耐德、3S、Infoteam等公司均是其成員。作為一個國際組織，PLCopen與其成員西門子、施耐德等公司又同是美國OMAC組織的成員，在制定《包裝機械自動化導則》工作中發(fā)揮了重要作用。實際上，由于PLCopen專注于IEC61131-3語言的推廣，主要側重于軟件方面，它在硬件平臺、機械結構等方面的設想體現(xiàn)在OPW的《包裝機械自動化導則》中。 PLCopen國際組織在其技術規(guī)范《運動控制功能塊》中制定了一整套標準的運動控制功能塊。為了實現(xiàn)標準化，PLCopen分析定義了7種機床狀態(tài)，機床的運動軸總是處于所定義的一種狀態(tài)之下，運動命令使軸在這些狀態(tài)之間相互轉換，一根軸的運動命令總是順序執(zhí)行的。具體的狀態(tài)、狀態(tài)間的轉換及功能塊定義見圖4。 PLCopen定義的7種狀態(tài)為：1）Stand still保持靜止；2）Homing回原點；3）Discrete motion斷續(xù)運動；4）Continous motion連續(xù)運動；5）Synchronized同步運動，這就涉及了多軸運動；6）Stopping停止；7）Error stop故障停止。其中，3）、4）、5）為運動狀態(tài)。 [align=center] 圖4：功能塊狀態(tài)行為注：此圖為PLCopen在技術規(guī)范《運動控制功能塊》Version1.0中的定義。[/align] 狀態(tài)之間的轉換定義了功能塊功能，共有單軸運動控制功能塊MC_MoveAbsolute等10種，多軸運動控制功能塊CamIn等5種，另有信息傳遞功能塊MC_ReadStatus等10種，調用這有限的25種功能模塊進行編程，就可實現(xiàn)機床的運動控制。 機床設備生產廠家可向3S、Infoteam等專業(yè)軟件公司購買開發(fā)工具與運動控制功能塊，選擇一種控制系統(tǒng)硬件平臺，根據(jù)設備的工作原理編制PLC程序，自行定義G代碼、編制代碼程序，以多重選擇語句CASE……OF……調用代碼程序的方式實現(xiàn)CNC控制，這在歐洲機床行業(yè)較為普遍。 PLCopen在技術規(guī)范《運動控制功能塊》中為插補運算專設一部分，但是這一部分仍在建設中，至今沒有公布任何標準性文件。另外，PLCopen并未在其技術規(guī)范中引入G代碼，如需G代碼控制，仍需用戶自行定義編制。但是，PLCopen的某些成員，比如德國3S公司、Beckhoff公司，已經(jīng)在用IEC61131-3語言實現(xiàn)插補運算與標準G代碼控制方面取得了進展，推出了相應的產品。 現(xiàn)以德國3S（Smart Software Solution）公司CoDeSys Version2.3.7.2為例簡要介紹。CoDeSys中有一個可選組件Softmotion用于實現(xiàn)標準G代碼控制。除了總線、驅動器等硬件的驅動程序，所有組件均用IEC61131-3語言編制，適用于PC平臺系統(tǒng)結構。目前能實現(xiàn)包括主軸在內的9軸控制，其中兩軸用于非線性插補，其他軸為線性插補。在CNC程序編輯器中能同時以圖形與文本的形式編制G代碼程序，編程語言遵循DIN66025標準。 為了實現(xiàn)標準CNC代碼控制需應用多種功能模塊，其中插補模塊、轉換模塊、直接設置點輸入模塊這三種模塊對理解CNC代碼控制的實現(xiàn)過程較為關鍵。插補模塊對G代碼程序進行處理，把G代碼所描述的連續(xù)軌跡轉變成離散的路徑位置點，然后由轉換模塊把這些位置點分解為每一個軸上的座標點，再由直接設置點輸入模塊分別控制每一個軸的驅動器，實現(xiàn)目標軌跡。插補模塊有兩個，SMC_Interpolator和SMC_Interpolator2D，除了后者能實現(xiàn)正、反兩方向的插補運算，二者功能相同。目前轉換模塊有六種，根據(jù)機床運動學原理進行分類，分為龍門系統(tǒng)（Portal Systems）、帶有刀具偏置的龍門系統(tǒng)（Portal Systems with Tool Offset）、帶有靜態(tài)驅動器的H型龍門系統(tǒng)（H- Portal Systems with Stationary drives）、2關節(jié)平面關節(jié)機器人系統(tǒng)（2-Jointed Scara-Systems）、3關節(jié)平面關節(jié)機器人系統(tǒng)（3-Jointed Scara-Systems）、并聯(lián)運動系統(tǒng)（Parallel Kinematics），每種又分正、反方向轉換的模塊。直接設置點輸入模塊通過驅動器制造商提供的驅動器驅動程序通信，實現(xiàn)對驅動器的控制，根據(jù)控制原理的不同，可以分為按位置控制、按速度控制、按力矩控制三種。 3 結論 綜上所述，由于基于IEC61131-3的開放式數(shù)控系統(tǒng)采用了PLC標準編程語言IEC61131-3語言，具有了高度的開放性，尤其在硬件系統(tǒng)及運動控制功能塊方面形成了標準，使得其推廣應用前景光明。但是在插補運算方面，尚未形成標準，這將是未來發(fā)展所需解決的問題。 我國數(shù)控行業(yè)可以借鑒國外同行業(yè)開發(fā)新產品的經(jīng)驗。開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向在軟件。目前，可從控制器平臺著手，購置芯片等硬件配置控制器，使用專業(yè)化軟件公司提供的開發(fā)工具；然后再以這些開發(fā)工具為基礎進行二次開發(fā)，最終研發(fā)出自己的基于IEC61131-3的開放式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)工具。實際上，國外某些著名控制系統(tǒng)供應商都在這樣做，比如施耐德公司2007年推出的最新運動控制產品Lexium PAC，硬件結構屬于控制器平臺，開發(fā)工具即采用了3S公司的CoDeSys；西門子公司Simotion系列運動產品采用的開發(fā)工具Scout即是在Infoteam公司的OpenPCS基礎上二次開發(fā)而來。 參考文獻： [1] OMAC.Guidelines for Packaging Machinery Automation,Version 3.1[M],2006.”Used with permission of the OMAC Packaging Workgroup;www.omac.org”. 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