時(shí)間:2018-02-09 10:34:25來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載
在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中,電氣設(shè)備的控制占有重要的地位。目前,一般采用可編程控制器(PLC)進(jìn)行機(jī)床電氣控制。PLC可靠性高,使用方便,對(duì)于復(fù)雜的,控制點(diǎn)數(shù)較多的應(yīng)用場(chǎng)合,可以在PLC基本單元外加上一定數(shù)目的擴(kuò)展單元,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電氣控制功能。在數(shù)控機(jī)床上。如果采用PLC進(jìn)行電氣控制,必需在PLC與NC間建立電氣聯(lián)系,否則,NC程序中的MST指令反映不到PLC中,PLC也就不可能做出相應(yīng)的動(dòng)作。目前市場(chǎng)上出售的PLC一般都具有通訊功能,可以利用這種功能在PLC與NC之間建立聯(lián)系。由于PLC的通訊方式為串行通訊,通訊速度比較低,對(duì)于數(shù)控機(jī)床的某些實(shí)時(shí)性要求很強(qiáng)的信號(hào)如急停,超程等。就難以勝任一必需采取其它措施滿足這些特殊需要,但這又增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。為了提高速度,降低戚本。在數(shù)控系統(tǒng)中t可以采用開關(guān)量I/O板加外接繼電器,配臺(tái)主機(jī)的軟件對(duì)電氣開關(guān)進(jìn)行控制。但此方案周NC主機(jī)要直接參與電氣控制邏輯的運(yùn)算過程。占用了主機(jī)的部分工作時(shí)間,增加了軟件的復(fù)雜程度。更重要的是。把過多的功能集中到主機(jī)使主機(jī)-發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)加大出于對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性的考慮。作者在研制五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的過程中。設(shè)計(jì)了一種嵌入式PLC.在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)。使故障風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)分散。
1嵌入式PLC的硬件結(jié)構(gòu)
我們研制的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)是一種基于工業(yè)PC的多CPU分布式開放化數(shù)控系統(tǒng)。做為其中的一部分,嵌入式PLC的設(shè)計(jì)也必需遵循開放化的原則。其硬件是模塊化的。按照標(biāo)準(zhǔn)的工控機(jī)插卡進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前,工控機(jī)的底板總線有兩類:ISA總線和PCI總線。ISA總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸速率比PCI總線要低得多。但已完全能夠滿足一般工業(yè)控制的需要,而且ISA總線對(duì)工控機(jī)擴(kuò)展卡的要求比PCI要寬松。從已有的工業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)看??煽啃砸脖容^高。因此我們?nèi)赃x擇ISA總線做為嵌入式PLC設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
嵌入式PLC的組成參圖1
嵌入式PLC的CPU采用Intel16位單片機(jī)80C196。其獨(dú)特的寄存器一累加器結(jié)構(gòu)以及三操作數(shù)指令可以大大減少程序中數(shù)據(jù)傳送類指令的數(shù)目,提高程序運(yùn)行的效率圖1中雙口存儲(chǔ)器用于PLC與數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)之間交換信息,數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行過程中.PLC在不斯地進(jìn)行電氣控制邏輯運(yùn)算的同時(shí)。也周期性地刷新雙口RAM中的內(nèi)容,把電氣開關(guān)狀態(tài).PLC運(yùn)行狀態(tài)等反映到雙口RAM中。有一部分面板按鍵如循環(huán)啟動(dòng),進(jìn)給保持。手動(dòng)等用于NC操作,不能按一般的I/O點(diǎn)處理。嵌入式PLC識(shí)別按鍵操作并在雙口RAM中維護(hù)一個(gè)循環(huán)隊(duì)刊記錄這些按鍵操作。另一方面,NC軟件根據(jù)加工程序中的M、S和T指夸修改雙口RAM中特定的數(shù)據(jù),PLC周期性地讀取這些數(shù)據(jù),并據(jù)此控制電氣設(shè)備的通斷。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高的信號(hào),PLC可在更新雙口RAM內(nèi)容后,通過ISA總線向NC發(fā)出中斷。
這里運(yùn)用雙口RAM完成NC與嵌入式PLC之間的信息交換,與采用并行口的方案相比。該方法簡(jiǎn)潔明了,無需復(fù)雜的通訊協(xié)議,NC可以隨時(shí)了解外部設(shè)備開關(guān)狀態(tài)而不需額外消耗時(shí)間。效率高于其它實(shí)現(xiàn)方式。
圖1中包括一片的靜態(tài)RAM芯片6264,用后備電池供電-主要用于存儲(chǔ)PLC梯形圖程序。在NC中對(duì)電氣控制邏輯進(jìn)行編程,編譯后經(jīng)雙口RAM存入6264中。PLC運(yùn)行這部分程序。完成電氣控制。
2軟件設(shè)計(jì)
嵌入式PLC軟件設(shè)計(jì)有兩部分內(nèi)容,一個(gè)是工控PC機(jī)中相關(guān)程序設(shè)計(jì),另一個(gè)是嵌入式PLC自身所帶監(jiān)控程序設(shè)計(jì)。前者的主要功能模塊參圖2。
梯形圖編程模塊為用戶提供方便的PLC電氣控制邏輯編程手段,其生成結(jié)果為梯形圖文件。梯形圖文件僅存儲(chǔ)I/0點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系,其格式與嵌入式PLC所用CPU類型無關(guān),以提高編程模塊的適應(yīng)性及可重用性。梯形圖編譯模塊則用于把該文件轉(zhuǎn)化為一系列的80C196機(jī)器指令,并加上一些必要的附加指令,產(chǎn)生BIN文件,即機(jī)器碼文件。此部分應(yīng)當(dāng)考慮到PLC中I/O點(diǎn)的資源分布情況,使最后生成的BIN文件的指令與實(shí)際I/O資源協(xié)調(diào)一致。通訊模塊用于把BIN文件傳輸?shù)诫p口RAM中,再由PLC監(jiān)控程序把它轉(zhuǎn)儲(chǔ)到6264中。此部分提供用戶開發(fā)接口,以便用戶自行控制BIN文件的傳輸,為用戶提供對(duì)PLC進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程的功能。監(jiān)控模塊提供用戶I/O點(diǎn)監(jiān)視與設(shè)置、PLC運(yùn)行狀態(tài)/編程狀態(tài)設(shè)置等功能,方便用戶現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。另外,為了使用戶能夠在自主開發(fā)的應(yīng)用程序中對(duì)嵌入式PLC進(jìn)行有效的監(jiān)控,此部分也提供開放的用戶接口。
嵌入式PLC的監(jiān)控程序主要實(shí)現(xiàn)以下功能:6264中邏輯處理程序(即由工控機(jī)傳來的BIN文件)及運(yùn)行狀態(tài)的有效性檢驗(yàn),I/O點(diǎn)及雙口RAM映射區(qū)域的周期性刷新,運(yùn)行故障監(jiān)鍘,面板按鍵的檢測(cè)等。當(dāng)6264中已存有有效的BIN文件,且已設(shè)置好有效的運(yùn)行標(biāo)志時(shí),啟動(dòng)運(yùn)行6264中的邏輯處理程序。另外在運(yùn)行期問。運(yùn)用WatchDog對(duì)運(yùn)行是否正常加以監(jiān)視。防止并處理諸如運(yùn)行6264中程序時(shí)發(fā)生超時(shí)錯(cuò),6264中的邏輯處理程序出錯(cuò)等異常情況此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下:
(1)采用插卡式設(shè)計(jì),NC與PLC之間無多余導(dǎo)線連接,可靠性高,實(shí)時(shí)性有保證。
(2)運(yùn)用雙口RAM進(jìn)行信息交換。速度快,線路簡(jiǎn)潔。
(3)嵌入到工拉機(jī)系統(tǒng)中。開發(fā)、調(diào)試、使用和維護(hù)方便。便于與用戶的軟硬件組臺(tái)成更復(fù)雜的系統(tǒng)。
3在數(shù)控系統(tǒng)中使用嵌入式PLC
如前所述。數(shù)控機(jī)床的電氣控制可以采用三類方法。即:外裝式PLC,虛擬PLC和嵌入式PLC如果采用常規(guī)的程序設(shè)計(jì)方法,對(duì)于以上三種電氣控制方式。就得設(shè)計(jì)不同的軟件接口,數(shù)控系統(tǒng)軟件主體就會(huì)直接涉及到電氣控制的實(shí)現(xiàn)方式及其細(xì)節(jié)。一但控制方式發(fā)生變化,將不得不對(duì)軟件進(jìn)行大量修改。這樣編寫出的軟件通用性差,難以適應(yīng)變化為了增加軟件與設(shè)備之間的相互獨(dú)立性。我們運(yùn)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了開放化設(shè)計(jì)。
顯然,不論哪一種控制方式,其目標(biāo)都是相同的。經(jīng)認(rèn)真分析,我們找出了三者之問的共同點(diǎn),由此得出一抽象類CPLC,它提供了數(shù)控機(jī)床電氣控制所有的外部特征,為數(shù)控系統(tǒng)主體軟件提供了完備的接口函數(shù),數(shù)控系統(tǒng)中其它部分只需調(diào)用相應(yīng)接口函數(shù)就可使電氣開關(guān)做出相應(yīng)的動(dòng)作。但該部分不涉及電氣操作過程中的細(xì)節(jié)??紤]到數(shù)控系統(tǒng)中電氣控制點(diǎn)數(shù)比較多,為每個(gè)控制動(dòng)作如液壓開,液壓關(guān)等等各設(shè)計(jì)一個(gè)接口函數(shù)會(huì)導(dǎo)致過多的接口函數(shù),應(yīng)用不方便,因此,我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)通用的接口函數(shù),其定義如下:
如果定義液壓開關(guān)編號(hào)為1,冷卻開關(guān)編號(hào)為2,……,
則開液壓的函數(shù)調(diào)用為
在抽象類CPIC的基礎(chǔ)上,針對(duì)三種方式分別定義了派生類CExternalPlc、CVirtualPLc和CEmbedPLc,在這些類中,才真正對(duì)接口函數(shù)編程,完成硬件操作。按照這種設(shè)計(jì)思想得到的電氣控制部分軟件具有圖3所示的結(jié)構(gòu)。由圖中3可以看出,這種設(shè)計(jì)方法在數(shù)控系統(tǒng)主體軟件與電氣控制硬件之間加入了抽象類層次,使其相互依賴性減弱,成為相對(duì)獨(dú)立的兩部分。運(yùn)用這種方法得到的數(shù)控系統(tǒng)軟件具有與設(shè)備無關(guān)的特征當(dāng)有新的硬件設(shè)備出現(xiàn)時(shí)。只需在原抽象類上派生出新的類,按照共同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接口函數(shù)進(jìn)行解釋。操縱硬件做出相應(yīng)的動(dòng)作即可,無需對(duì)軟件其它部分做任何修改。太太提高了軟件設(shè)計(jì)的效率。實(shí)際上。在對(duì)接口函數(shù)參數(shù)的意義做出明確的規(guī)范后,其它任何人都可以參照該規(guī)范設(shè)計(jì)出新的電氣控制硬件及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序,集成人系統(tǒng)中。這也就是數(shù)控系統(tǒng)開放化設(shè)計(jì)的主要目的。
4結(jié)束語(yǔ)
數(shù)控系統(tǒng)的開放化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)者的知識(shí)范圍和經(jīng)駐密切相關(guān)。只有在充分了解現(xiàn)有設(shè)計(jì)技術(shù)及用戶需要,并對(duì)其近期內(nèi)的發(fā)展做出預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用工程設(shè)計(jì)方法,才有可能得到完善的開放化數(shù)控系統(tǒng)。目前對(duì)開放化的討論多著眼于系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。操作系統(tǒng)及開發(fā)環(huán)境。具體如何實(shí)現(xiàn)開放化特別是軟件的開放化則談的很少。本文從硬件到軟件對(duì)電氣控制子系統(tǒng)進(jìn)行了開放化設(shè)計(jì)。對(duì)此做出了有益的探索。該子系統(tǒng)已集成人我們開發(fā)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)中。從使用效果來看,其開放的接口標(biāo)準(zhǔn)以及與設(shè)備無關(guān)的軟件設(shè)計(jì)有助于減少編寫數(shù)控系統(tǒng)主體軟件時(shí)的錯(cuò)誤,有較強(qiáng)的適應(yīng)性和可靠性。
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