（机械制造及其自动化专业论文）开放式数控系统中的软plc的研究开发.pdf

a b s t r a c t o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mi st h er e s e a r c hh o t s p o to fn ct e c h n o l o g y n o w w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h e p e r f o r m a n c e o f h i g hs p e e d ，h i g h e f f i c i e n c y ，h i g hp r e c i s i o na n di n t e l l i g e n c e ，m o r ea n dm o r ef u n c t i o n s w h i c hm a k e st h es o f t w a r ec a r r yo u ta l lo ft h en cf u n c t i o n sa n dm i n i m i z e t h es c a l eo fh a r d w a r ea r ed e m a n d i n g m a c h i n el o g i c ，t h ek e r n e lo ft h ew h o l e m o t i o nc o n t r o l ，i sn e c e s s a r i l yr e a l i z e d t h r o u g hs o f t w a r et o o ，w h i c h a c c e l e r a t e st h ed e v e l o p m e n to fs o f t p l c t h i sp a p e rd e s i g n st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r mo fs o f t p l ci n t h eo p e nn cs y s t e mb a s e ds e r c o si n t e r f a c e ，o nt h eb a s eo fw h i c hs o f t p l c s y s t e mi sd e v e l o p e d t h es o f t p l cs y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t so fc o n t e n t s ， o n ei ss o f t p l cd e v e l o p i n gs y s t e m ，t h eo t h e ri ss o f t p l cr u n n i n gs y s t e m s i m u l a t o r a tt h eb e g i n n i n go fs o f t p l cd e v e l o p i n gs y s t e m ，u s e r sw o r ko u tt h e l a d d e rd i a g r a m ，t h e nc h e c k e db ys o f t p l cd e v e l o p i n gs y s t e ma c c o r d i n gt h e p r i n c i p l et of i n di ft h e r ei ss o m el o g i ce r r o r s i fn oe r r o ro c c u r s ，t h e l a d d e rd i a g r a mc a nb et r a n s f e r r e dt ocp r o g r a mw h i c hw o r k sa st h ei n p u t o ft h es o f t p l cr u n n i n gs y s t e ms i m u l a t o r t h es p e c i a lc o m p i l i n gp r o g r a m f o rp l ci sn o tp r o g r a m m e di n t h i s p a p e r ，a n d t h es o f t p l cp r o g r a mi s c o m p i l e db yt h ec o m p i l e ro fv c + + 6 0 ，t h e n b ee x e c u t e d t h es o f t p l cr u n n i n gs y s t e ms i m u l a t o r i nt h i s p a p e r i s d e s i g n e d a c c o r d i n gt h e “c y c l es c a n ”w o r km o d eo fp l c i ne v e r yw o r k i n gc y c l e ， p l cg ot h r o u g ht h r e es t e p st or u np r o g r a m ，w h i c hi n c l u d ei n p u ts a m p l i n g ， e x e c u t i n g u s e r s sp r o g r a ma n do u t p u tr e f u r b i s h i n g t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h et i m e ro f f e r e db yw i n d o w st or e a l i z e “c y c l es c a n ”a n da c h i e v e s t h es o f t p l cs y s t e mi n t r o d u c e di nt h i sp a p e ri so n l y a j l a t t e m p tt o r e a l i z el o g i cc o n t r o li nt h eo p e nn cs y s t e mb a s e ds e r c o si n t e r f a c e w i t h t h ei n c r e a s eo fe x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g eo ft h ep r o g r a m m e r ，t h ef u n c t i o n s s u p p l i e db y t h es o f t p l cs y s t e mw i l l b e c o m em o r e c o m p l e t e a n dm o r e p o w e r f u l k e yw o r d s ：o p e nn cs y s t e m ，s e r c o si n t e r f a c e ，s o f t p l c ，l a d d e rd i a g r a m 第l 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 数控系统发展简史 第1 章绪论 自1 9 4 6 年诞生世界上第一台电子计算机以来，由于计算机技术在机床上的应 用，于1 9 5 2 年在美国诞生了第一台数控机床。纵观数控系统发展史，可分为两 个阶段。数控( n c ) 阶段( 1 9 5 2 1 9 7 0 年) ，这个阶段经历了三代，即第一代 电子管：第二代晶体管：第三代小规模集成电路。计算机数控( c n c ) 阶段( 1 9 7 0 年现在) 计算机数控阶段也经历了三代，即第四代小型计算机；第五代 微处理器和第六代基于p c ( 国外称为p c b a s e d ) 。 1 1 2 数控技术的作用和地位 数控技术，简称数控( n u m e r i a lc o n t r o l ，即n c ) 。它是用数字化信息进行 控制的自动控制技术。采用数控技术的机床，或者说装备了数控系统的机床，称 之为数控机床。数控机床是机、电、气、液、光高度体化的产品。数控的广泛 含义是指对流程工业的过程控制和对离散工业运动控制而言的，机床数控仅仅是 运动控制中的一种类型。 数控技术的问世已有5 0 多年的历史，计算机数字控制技术( c o m p u t e rn u m e r i c c o n t r o l ，简称c n c ) 是从2 0 世纪7 0 年代开始发展起来的机床控制新技术，它是综 合了计算机、自动控制、电气传动、测量和机械制造等各种技术而形成的一门边 缘学科。计算机数控技术是数控机床的关键技术，数控机床又是推行f m c ( 柔性 制造单元) 、f m s ( 柔性制造系统) 以及c i m s ( 计算机集成制造系统) 等的基础。 计算机数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术，是当今世界机械 制造技术的高技术之一，是振兴国家机床行业、增强制造业国际竞争能力的基础。 我国每年都有大量机电产品进口。这也从宏观上说明了机床数控化的必要性。 1 1 3 开放式数控系统 自从1 9 5 2 年美国麻省理工学院伺服机构实验室研制出第一台三坐标铣床以 来，数控技术再制造行业，特别是航天航空工业中被广泛地采用。无论再硬件还 是软件方面，数控技术地发展速度都非常迅猛。随着制造业的迅速发展，中小批 量生产的趋势日益增强，对数控机床的柔性和通用性提出了更高的要求，希望市 第l 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 数控系统发展简史 第1 章绪论 自1 9 4 6 年诞生世界上第一台电子计算机以来，由于计算机技术在机床上的应 用，于1 9 5 2 年在美国诞生了第一台数控机床。纵观数控系统发展史，可分为两 个阶段。数控( n c ) 阶段( 1 9 5 2 1 9 7 0 年) ，这个阶段经历了三代，即第一代 电子管：第二代晶体管：第三代小规模集成电路。计算机数控( c n c ) 阶段( 1 9 7 0 年现在) 计算机数控阶段也经历了三代，即第四代小型计算机；第五代 微处理器和第六代基于p c ( 国外称为p c b a s e d ) 。 1 1 2 数控技术的作用和地位 数控技术，简称数控( n u m e r i a lc o n t r o l ，即n c ) 。它是用数字化信息进行 控制的自动控制技术。采用数控技术的机床，或者说装备了数控系统的机床，称 之为数控机床。数控机床是机、电、气、液、光高度体化的产品。数控的广泛 含义是指对流程工业的过程控制和对离散工业运动控制而言的，机床数控仅仅是 运动控制中的一种类型。 数控技术的问世已有5 0 多年的历史，计算机数字控制技术( c o m p u t e rn u m e r i c c o n t r o l ，简称c n c ) 是从2 0 世纪7 0 年代开始发展起来的机床控制新技术，它是综 合了计算机、自动控制、电气传动、测量和机械制造等各种技术而形成的一门边 缘学科。计算机数控技术是数控机床的关键技术，数控机床又是推行f m c ( 柔性 制造单元) 、f m s ( 柔性制造系统) 以及c i m s ( 计算机集成制造系统) 等的基础。 计算机数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术，是当今世界机械 制造技术的高技术之一，是振兴国家机床行业、增强制造业国际竞争能力的基础。 我国每年都有大量机电产品进口。这也从宏观上说明了机床数控化的必要性。 1 1 3 开放式数控系统 自从1 9 5 2 年美国麻省理工学院伺服机构实验室研制出第一台三坐标铣床以 来，数控技术再制造行业，特别是航天航空工业中被广泛地采用。无论再硬件还 是软件方面，数控技术地发展速度都非常迅猛。随着制造业的迅速发展，中小批 量生产的趋势日益增强，对数控机床的柔性和通用性提出了更高的要求，希望市 北京工业大学工学硕士学位论文 场提供能够适应不同加工需求，迅速高效、低成本地构筑面向用户地控制系统， 并大幅度地降低维护和培训的成本，同时还要求数控系统具有方便的网络功能， 以适应未来车间面向任务和订单的生产组织和管理模式。为此，近十年来，随着 计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很快。 目前正朝标准化开放体系结构的方向前进。 就系统硬件和软件组成及其结构形式而言，当今世界上的数控系统大致可分 为4 种类型： ( 1 )传统数控系统。如f a n u c0 系统、m i t s u b i s h im 5 0 系统、s i e m e n s8 1 0 系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。尽管也可以由用 户做人机界面，但必须使用专门的开发工具( 如s i e m e n s 的w s 8 0 0 a ) ， 耗费较多的人力，而对它的功能扩展、改变和维修，都必须求助于系 统供应商。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于 开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在接受挑战， 己逐渐减小。 ( 2 )“p c 嵌入n c ”结构的开放式数控系统。如f a n u c l 8 i 、1 6 i 系统、 s i e m e n s8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统、a b9 3 6 0 等数控系统。这是由 于一些数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术，又想利 用计算机丰富的软件资源而开发的产品。然而，尽管它也具有一定的 开放性，但由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还 是不开放的。因此，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复 杂、功能强大，但价格昂贵。 ( 3 )“n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统。它由开放体系结构运动控 制卡+ p c 机构成。这种运动控制卡通常选用高速d s p 作为c p u ，具有 很强的运动控制和p l c 控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单 独使用。它开放的函数库供用户在w i n d o w s 平台下自行开发构造所需 的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动 化控制各个领域。如美国d e l c at a u 公司用p 凇c 多轴运动控制卡构 造的p l a c n c 数控系统、日本m a z a k 公司用三菱电机的m e l d a s m a g i c 6 4 构造的m a z a t r o l6 4 0c n c 等。 ( 4 )s o f t 型开放式数控系统。这是一种最新开放体系结构的数控系统。 它提供给用户最大的选择和灵活性，它的c n c 软件全部装在计算机 中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i 0 之间的标准化通用 接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、c d r o m 和相应的驱 动程序一样。用户可以在w i n d o w sn t 平台上，利用开放的c n c 内核， 开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统。与前几种数 控系统相比，s o f t 型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而 最有生命力。其典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 、德国p o w e r 2 第1 章绪论 a u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等。 从上述分类介绍中，我们可以总结出开放式数控系统应该具有以下特征“1 ： ( 1 ) 对使用者是开放的：应该可以采用先进的图形交互方式支持下的 建议编程方法，使得数控机床的操作更加容易； ( 2 ) 对于机床制造商是开放的：即应该允许机床制造商在开放式c n c 系统软件的基础上开发专用的功能模块以及用户操作界面： ( 3 ) 对于硬件的选择是开放的：即一个开放的c n c 系统应该能够在不 同的硬件平台上运行； ( 4 ) 对于主轴及进给驱动系统是开放的：即能控制不同厂商提供的主 轴及进给驱动系统； ( 5 ) 对于数据传输以及交换是开放的：即应该能支持各种标准的数据 传输与交换协议。 目前学术界和工业界对“开放式”数控系统的争论颇多，还没有统一的定 义，但其强调的系统特性是相似的，即以上几点。 i e e e ( 国际电气电子工程师协会) 定义的开放系统是：“具有下列特性的系统 可称为开放系统：符合系统规范的应用可运行在多个销售商的平台上，可与其他 的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。o “它有五个方面的系 统特性：系统互换性、可伸缩性、可移植性、互操作性和可扩展性。它实质上是 一种通用计算机上的标准应用程序，而非传统数控系统那样包含许多插件板的专 有硬件系统n “。 研究开放式数控体系的主要目的是解决变化繁杂的需求与控制系统专一固 定的框架之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统工具平台，极大地增强 数控系统的柔性和适应性。开放式数控系统的实现对数控系统制造商、机床生产 商以及最终用户都有较大益处。3 。系统制造商可以在共同的标准平台上建立广泛 的合作，实现协作式开发，专注于提高系统本身的性能，缩短开发周期，降低开发 费用；机床生产商不仅可以根据需要配置最合适的控制系统，还可以将自己独特 的软件集成到系统控制器，形成自己的特色产品；最终用户可以说是开放式控制 系统的最大受益者“1 ，他们可以最大限度地按照自己的需要选择产品，通过系统 特定功能模块的配置满足其个性需要，实现系统的集成和扩展，同时，开放也使 得系统的操作、维护更加方便。 1 1 4 国内外开放式数控系统的研究 数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接 影* j n - - 个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世 界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。 由于受到p c 机飞速发展的启示，美国的学者于1 9 8 7 年提出开放性体系的思 3 第1 章绪论 a u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等。 从上述分类介绍中，我们可以总结出开放式数控系统应该具有以下特征“1 ： ( 1 ) 对使用者是开放的：应该可以采用先进的图形交互方式支持下的 建议编程方法，使得数控机床的操作更加容易； ( 2 ) 对于机床制造商是开放的：即应该允许机床制造商在开放式c n c 系统软件的基础上开发专用的功能模块以及用户操作界面： ( 3 ) 对于硬件的选择是开放的：即一个开放的c n c 系统应该能够在不 同的硬件平台上运行； ( 4 ) 对于主轴及进给驱动系统是开放的：即能控制不同厂商提供的主 轴及进给驱动系统； ( 5 ) 对于数据传输以及交换是开放的：即应该能支持各种标准的数据 传输与交换协议。 目前学术界和工业界对“开放式”数控系统的争论颇多，还没有统一的定 义，但其强调的系统特性是相似的，即以上几点。 i e e e ( 国际电气电子工程师协会) 定义的开放系统是：“具有下列特性的系统 可称为开放系统：符合系统规范的应用可运行在多个销售商的平台上，可与其他 的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。o “它有五个方面的系 统特性：系统互换性、可伸缩性、可移植性、互操作性和可扩展性。它实质上是 一种通用计算机上的标准应用程序，而非传统数控系统那样包含许多插件板的专 有硬件系统n “。 研究开放式数控体系的主要目的是解决变化繁杂的需求与控制系统专一固 定的框架之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统工具平台，极大地增强 数控系统的柔性和适应性。开放式数控系统的实现对数控系统制造商、机床生产 商以及最终用户都有较大益处。3 。系统制造商可以在共同的标准平台上建立广泛 的合作，实现协作式开发，专注于提高系统本身的性能，缩短开发周期，降低开发 费用；机床生产商不仅可以根据需要配置最合适的控制系统，还可以将自己独特 的软件集成到系统控制器，形成自己的特色产品；最终用户可以说是开放式控制 系统的最大受益者“1 ，他们可以最大限度地按照自己的需要选择产品，通过系统 特定功能模块的配置满足其个性需要，实现系统的集成和扩展，同时，开放也使 得系统的操作、维护更加方便。 1 1 4 国内外开放式数控系统的研究 数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接 影* j n - - 个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世 界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。 由于受到p c 机飞速发展的启示，美国的学者于1 9 8 7 年提出开放性体系的思 3 想。这种思想要求不同场上的部件能无缝地组合在起，组成高性能价格比的 c n c 系统。 这个思想实质上是通过制定开放式c n c 的规范，在开放的软硬件平台上，系 统的各部件可由不同的厂商来制造，依靠众多厂商的力量来生产高性能价格比的 c n c 系统，从而打破专用系统的垄断“1 。 国际研究现状：开放式数控系统是当今数控技术发展的趋势。开放式数控系 统的开发是一项高难度的系统工程，它需要大量的资金和优秀人才，而这一点， 一般的企业无法承受。在国外，也是将它作为一种战略目标，在政府的资助下进 行的。早在1 9 8 1 年，为了拟定并推进关于新一代开放式控制系统地详细分析和 规范，美国国防部就开始了名为n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r 下一代控制 器) 计划，成立了“美国国家制造科学中心( n c m c ) ”。其后有许多相关的研究计 划在世界各国相继启动，其中较有影响的是欧洲的o s a c a ( 自动化系统中控制器 的开放体系结构) 、美国的0 姒c ( 开放式模块化控制器) 计划、日本的j o p o s e c ( 控 制器的开放式系统环境) 研究计划以及加拿大的n r c 计划。近几年，国外部分数 控系统的设计已开始在一定范围内实现其开放性：如德国i n d r a m a t 公司的 m t c 2 0 0 系统，美国v i c k e r se l e c t r o n i cs y s t e m 公司的a c r a m a t i e 2 1 0 0 系统“1 。 国内研究现状：我国的数控技术经过“六五”、“七五”、“八五”到现在“九 五”的近2 0 年的发展，基本上掌握了关键技术，国内已有华中i 型、中华i 型、 航天i 型和蓝天i 型四种开放性控制系统，利用总线式，模块化：开放型，嵌入 式；多渠道软、硬件结构。目前大部分还处在封闭式阶段，距国际水平还有一定 差距0 1 。国内的开放控制系统各有优点，但适合我国国情的应是将所有数控功能 全软件化的集成式结构，因为这种结构的硬件规模最小，不但有利于降低系统成 本，而且更重要的是可以有效提高系统的可靠性。因此，我们在开发新型数控系 统时，应优先选用新型高性能c p u ( 如高主频的p e n t i u mi i 、p e n t i u ml l i 等) 作为系统的运算和控制核心，并尽量用软件来实现数控的所有功能“1 。现在我们 可以选用主频为2 g 的c p u ，各种运算速度都可以相应的提高。 目前国内比较有代表性的新型开放式数控系统研究主要有以下几种 1 0 1 ( 1 ) 基于软件芯片的开放式数控系统“ 前华中理工大学提出了一种基于软件芯片的开放式数控系统的实现 模式。在该模式中，通过对数控软件的标准化与规范化的研究，运用面 相对象的机制，把数控系统的功能进行抽象并进行封装，将数控软件设 计成具有稳定通用的接口，可以重用的软件芯片，每一个软件芯片完成 数控系统的一个独立模块的功能。例如插补功能由插补芯片来完成，位 置控制功能就由位置芯片来完成，并且通过建立一个数控系统软件芯片 集成开发环境擞控系统软件芯片库用来对软件芯片进行管理，用户 可以对软件芯片库进行检索、浏览以及维护，还可以添加自己制作的经 过测试证明合格的新的软件芯片。用户在组装数控系统或者进行二次开 4 第1 章绪论 发的时候，可以将芯片库中检索出的软件芯片按照自己所要求的功能进 行修改或者直接重用，并且与自己新开发的软件芯片一起组装成目标数 控系统，这样开发一套新的数控系统将比以前节省更多的时间，而且数 控系统总体质量也可比以前有大幅度的提高。 ( 2 ) 基于w i n d o w s9 5 n t 下的开放式数控系统“” 该系统采用上下位机通讯模式，上位机工作在w i n d o w s 环境下，下 位机工作在d o s 环境下并根据实时性的强弱和数据量的大小的不同把数 据流分为加工数据和限时数据。其中加工数据主要是指经过数据预处理 得到的加工轨迹及相关数控指令。上位机把这些数据计算好，通过网络 供下位机使用。下位机根据这些数据进行自主式控制，处理实时信息。 限时数据主要是指实时突发性信息、联络协调信息、人工干预信息等， 数据量少而简单，并且实时性要求也不是非常严格，此类数据以面向连 接的数据流形式传输，简单而可靠。该模式全方位开放，上位机下位机 相对独立，采用模块化结构，可以快捷方便地组建数控系统，还可以利 用网络实现远程制造。 ( 3 ) 基于s e r c o s 现场总线的开放式数控系统 图卜1 基于开放式数控系统的硬件结构 f i g 卜l t h ef i r m w a r es t r u c t u r eo fo p e nn cs y s t e mb a s e dp c s e r c o s ( s e r i a lr e a l - - t i m ec o m m u n i c a t i o ns p e c i f i c a t i o n ) 总线 是一种用于高速，高精度运动控制的现场总线接口和数据交换协议，是 目前用于数字伺服和传动数据通信的唯一国际标准 1 3 0s e r c o s 采用光 缆连接，构成一个封闭的环路，根据伺服系统和p l c 的不同地址，利用 插在计算机中的s o f t s e r c a n s 卡实现计算机与数字伺服系统之间的实时 数据通信。实时数据通信主要完成p c 与伺服之间命令值和实际值的数 据交换。北京工业大学于2 0 0 2 年开发出的基于w i n d o w sn t 的开放式数 控系统就是一个基于s e r c o s 总线的完全开放的数控系统，由于系统硬 件的简化，整个开发过程主要是软件的设计。软件的开发的操作系统是 w i n d o w sn t 4 0 ，运行环境是嵌入n t 内核的r t x 实时子系统，及v i s u a l c + + 6 0 集成开发环境。本系统的硬件结构如图卜1 所示。 1 1 5 开放式数控系统未来发展趋势 随着计算机技术的发展，为了满足市场的普及型和个性化需要，现代制造技 术对数控技术提出了更高的要求，数控软件的开发也就成为现代数控领域的项 关键技术。借助微机进行数控系统的开发可达到事半功倍的效果，目前这已成为 数控领域的国际趋势。研究开放式数控系统，可以根据用户需要，比较容易地对 整个数控系统进行重新组合，提高系统的可移植性、可伸缩性、可维护性和兼容 性。在当代，数控技术的典型应用是f m c f m s c i m s ，其趋势是向高速化、高精度 化、高效加工、多功能化、复合化和智能化方向发展。其主要动向是研制开放式 全功能通用数控系统。 目前，开放式数控面临一些课题“1 ：一致性人机界面( m m i ) ：软件为基础的 控制器：重视实时控制的开放与应用：由人机界面开放，内核有限开放向外核完 全开放；具备网络功能。 开放式数控发展的未来趋势：在控制技术、接口技术、感测技术、执行技术、 软件技术等5 方面开发优质、先进、适销、经济、合理、开放的数控系统；需要 利用新的加工表述语言，简化设计、生产准备、加工过程，减少数据存储量，用 6 4 位的c p u 实现三维曲面加工，进一步适应高精度、高效率、高自动化要求， 实现网络化，进一步实现自动化生产的无人化、智能化、集成化。 1 2 课题的提出 1 2 1 软p l c 的产生及其作用 p l c 是数控机床上数控系统与机床之间的接口，如图1 2 所示。它主要处理 数控机床运行过程中各种开关量的控制信息。 图l - - 2p l c 在数控机床中的位置 f i g 1 - - 2t h ep o s i t i o no fp l ci nn cm a c h i n et o o l s 研究开放式的数控系统，软p l c 的研究是个主要方面。软p l c 是基于p c 开放式数控系统采用软件实现控制的关键技术。随着p c 机进入计算机数控系统， 使用p c 的开放式c n c ( p c n c ) 已经成为数控系统发展的新趋势。可编程控制器 ( p l c ) 在处理开关量的控制问题时起着重要作用，是数控系统的重要组成部分。 可是，p l c 的生产厂家众多，各种机型互不兼容，没有明确一致的标准，在编程 元件的种类。数目、编程语言等方面各不相同。企业经常由于引进成套设备的原 因，或出于特殊功能要求的考虑，购买了不同生产厂家不同机型的p l c 。一般低 6 1 1 5 开放式数控系统未来发展趋势 随着计算机技术的发展，为了满足市场的普及型和个性化需要，现代制造技 术对数控技术提出了更高的要求，数控软件的开发也就成为现代数控领域的项 关键技术。借助微机进行数控系统的开发可达到事半功倍的效果，目前这已成为 数控领域的国际趋势。研究开放式数控系统，可以根据用户需要，比较容易地对 整个数控系统进行重新组合，提高系统的可移植性、可伸缩性、可维护性和兼容 性。在当代，数控技术的典型应用是f m c f m s c i m s ，其趋势是向高速化、高精度 化、高效加工、多功能化、复合化和智能化方向发展。其主要动向是研制开放式 全功能通用数控系统。 目前，开放式数控面临一些课题“1 ：一致性人机界面( m m i ) ：软件为基础的 控制器：重视实时控制的开放与应用：由人机界面开放，内核有限开放向外核完 全开放；具备网络功能。 开放式数控发展的未来趋势：在控制技术、接口技术、感测技术、执行技术、 软件技术等5 方面开发优质、先进、适销、经济、合理、开放的数控系统；需要 利用新的加工表述语言，简化设计、生产准备、加工过程，减少数据存储量，用 6 4 位的c p u 实现三维曲面加工，进一步适应高精度、高效率、高自动化要求， 实现网络化，进一步实现自动化生产的无人化、智能化、集成化。 1 2 课题的提出 1 2 1 软p l c 的产生及其作用 p l c 是数控机床上数控系统与机床之间的接口，如图1 2 所示。它主要处理 数控机床运行过程中各种开关量的控制信息。 图l - - 2p l c 在数控机床中的位置 f i g 1 - - 2t h ep o s i t i o no fp l ci nn cm a c h i n et o o l s 研究开放式的数控系统，软p l c 的研究是个主要方面。软p l c 是基于p c 开放式数控系统采用软件实现控制的关键技术。随着p c 机进入计算机数控系统， 使用p c 的开放式c n c ( p c n c ) 已经成为数控系统发展的新趋势。可编程控制器 ( p l c ) 在处理开关量的控制问题时起着重要作用，是数控系统的重要组成部分。 可是，p l c 的生产厂家众多，各种机型互不兼容，没有明确一致的标准，在编程 元件的种类。数目、编程语言等方面各不相同。企业经常由于引进成套设备的原 因，或出于特殊功能要求的考虑，购买了不同生产厂家不同机型的p l c 。一般低 6 档p l c 配备简易的编程器，中、高档的p l c 有微机上的编程、仿真软件，然而它 们互不兼容。如果能在计算机上实现不同p l c 应用程序，对数控系统的构造是非 常有意义的。同时建立开放式数控系统时，利用“软件芯片”是方便快捷的。 融合了软p l c 、软c n c 技术的基于s e r o c s 接口的开放式数控系统体系结构如 下： ! 三二 三 二二至堕二二二 图1 - - 3 基于s e r c o s 接口的开放式数控体系模块结构 f i g 1 - - 3o p e nn cs y s t e ms t r u c t u r eb a s e ds e r c o s 软件p l c 其独立的硬件部分主要就是i 0 输入输出模块，它将现场信号转换 成p c 机可以接受的信号电平，同时可以把p c 机的信号电平转换成现场控制部分 所需要的电平。利用通用的i o 输入输出模块可提高其可靠性、性能价格比。由 于所控对象不同，其接受的输入信号电压和输出信号电压也各异，所需的i 0 点 数和功能也不同。软件p l c 的定时、计数等功能，可以在p c 机内由软件来实现， 也可以通过在硬件模块上添加相应的元件，实现所需的功能。 1 2 2 课题来源 随着开放式数控系统的发展，开放的程度逐步加深，目前已发展到全部内核 层开放，软p l c 的研究开发就成了必然趋势。2 0 0 2 年5 月，我们北京工业大学 在德国i n d r a m a t 公司的硬件支持下，开发出了w i n d o w s 环境下基于s e r c o s 接口 7 啬南昌啬 档p l c 配备简易的编程器，中、高档的p l c 有微机上的编程、仿真软件，然而它 们互不兼容。如果能在计算机上实现不同p l c 应用程序，对数控系统的构造是非 常有意义的。同时建立开放式数控系统时，利用“软件芯片”是方便快捷的。 融合了软p l c 、软c n c 技术的基于s e r o c s 接口的开放式数控系统体系结构如 下： ! 三二 三 二二至堕二二二 图1 - - 3 基于s e r c o s 接口的开放式数控体系模块结构 f i g 1 - - 3o p e nn cs y s t e ms t r u c t u r eb a s e ds e r c o s 软件p l c 其独立的硬件部分主要就是i 0 输入输出模块，它将现场信号转换 成p c 机可以接受的信号电平，同时可以把p c 机的信号电平转换成现场控制部分 所需要的电平。利用通用的i o 输入输出模块可提高其可靠性、性能价格比。由 于所控对象不同，其接受的输入信号电压和输出信号电压也各异，所需的i 0 点 数和功能也不同。软件p l c 的定时、计数等功能，可以在p c 机内由软件来实现， 也可以通过在硬件模块上添加相应的元件，实现所需的功能。 1 2 2 课题来源 随着开放式数控系统的发展，开放的程度逐步加深，目前已发展到全部内核 层开放，软p l c 的研究开发就成了必然趋势。2 0 0 2 年5 月，我们北京工业大学 在德国i n d r a m a t 公司的硬件支持下，开发出了w i n d o w s 环境下基于s e r c o s 接口 7 啬南昌啬 技术的开放式数控系统体系结构，并在其基础上成功的实现了软c n c 控制，而且 将其应用于横切机，这样基于s e r c o s 接口的软p l c 的研究开发也因此拉开了序 幕。当前，软p l c 的研究开发是开放式数控系统中可编程控制器研究的重点和难 点。 1 3 课题研究的现实意义 开放式数控系统能很好地解决变化频繁的需求与封闭控制之间的矛盾， 重而建立一个统一的可重构的系统平台，增强数控系统的柔性，降低制造成本。 开放的目的就是使n c 控制器与当今的p c 机类似。系统构筑于一个开放的p c 平 台上，具有模块化的组织结构。允许用户根据需要进行选配和集成，更改或扩展 系统的功能迅速适应不同的应用需求，即系统具有互换性、可伸缩性、可移植性、 互操作性、可扩展性等等。 开放式数控系统满足了目前技术、市场、生产组织结构等多方面快速变化对 数控系统的柔性和通用性提出的要求，为将来车间自动化向更高层次的集成提供 了广阔的前景。同时，它保护了数控系统和数控机床生产企业开发的一次投资， 并从根本意义上满足用户的专项需求，极大的提高了作为我国国民经济基础产业 制造业的世界市场竞争力。 软p l c 是一种基于i p c ( 工业控制计算机) 或e p c ( 嵌入式p c ) 的软逻辑控 制软件，与传统的p l c 一样，主要用于工业控制领域的开关量逻辑控制、顺序控 制、定时器控制、技术控制、模拟量控制、闭环过程控制( p i d 控制) 等“”。研 究软p l c ，可以打破以前各p l c 生产厂家的产品互不兼容的局限性，缩短产品开 发周期，使p l c 性能价格比提高，带来巨大经济效益。 如今我国己加入w t o ，在国际数控设备激烈的竞争环境中，开发出具有自主 版权的国内一流的高性能数控软件，有利于推动我国数控技术的发展，缩短我国 在此行业与发达国家的差距，以及发展我国的制造业。尤其随着p c 进入数控领 域，极大的丰富了数控系统的软硬件资源，有利于实现模块化，开放化。 1 4 研究内容 梯形图是p l c 编程的标准语言之一，它直观易学，用它编的程序给人们的印 象是p l c 还是“继电器控制箱”，很容易跟现场实际相结合，因此梯形图编程称 为p l c 区别于其它种类控制器最大的特征。从每年美国 c o n t r o le n g i n e e r 杂 志上统计的世界p l c 情况来看，8 0 以上的p l c 仍是以梯形图为主要编程手段。 无疑，梯形图的使用，为p l c 的发展起了巨大的推动作用 1 6 q 本课题由梯形图绘制作为切入点，通过构造梯形图矩阵表实现了梯形图到c 程序的转化，然后用v c + + 环境下的c + + 编译器将其编译成目标代码，最后在一个 技术的开放式数控系统体系结构，并在其基础上成功的实现了软c n c 控制，而且 将其应用于横切机，这样基于s e r c o s 接口的软p l c 的研究开发也因此拉开了序 幕。当前，软p l c 的研究开发是开放式数控系统中可编程控制器研究的重点和难 点。 1 3 课题研究的现实意义 开放式数控系统能很好地解决变化频繁的需求与封闭控制之间的矛盾， 重而建立一个统一的可重构的系统平台，增强数控系统的柔性，降低制造成本。 开放的目的就是使n c 控制器与当今的p c 机类似。系统构筑于一个开放的p c 平 台上，具有模块化的组织结构。允许用户根据需要进行选配和集成，更改或扩展 系统的功能迅速适应不同的应用需求，即系统具有互换性、可伸缩性、可移植性、 互操作性、可扩展性等等。 开放式数控系统满足了目前技术、市场、生产组织结构等多方面快速变化对 数控系统的柔性和通用性提出的要求，为将来车间自动化向更高层次的集成提供 了广阔的前景。同时，它保护了数控系统和数控机床生产企业开发的一次投资， 并从根本意义上满足用户的专项需求，极大的提高了作为我国国民经济基础产业 制造业的世界市场竞争力。 软p l c 是一种基于i p c ( 工业控制计算机) 或e p c ( 嵌入式p c ) 的软逻辑控 制软件，与传统的p l c 一样，主要用于工业控制领域的开关量逻辑控制、顺序控 制、定时器控制、技术控制、模拟量控制、闭环过程控制( p i d 控制) 等“”。研 究软p l c ，可以打破以前各p l c 生产厂家的产品互不兼容的局限性，缩短产品开 发周期，使p l c 性能价格比提高，带来巨大经济效益。 如今我国己加入w t o ，在国际数控设备激烈的竞争环境中，开发出具有自主 版权的国内一流的高性能数控软件，有利于推动我国数控技术的发展，缩短我国 在此行业与发达国家的差距，以及发展我国的制造业。尤其随着p c 进入数控领 域，极大的丰富了数控系统的软硬件资源，有利于实现模块化，开放化。 1 4 研究内容 梯形图是p l c 编程的标准语言之一，它直观易学，用它编的程序给人们的印 象是p l c 还是“继电器控制箱”，很容易跟现场实际相结合，因此梯形图编程称 为p l c 区别于其它种类控制器最大的特征。从每年美国 c o n t r o le n g i n e e r 杂 志上统计的世界p l c 情况来看，8 0 以上的p l c 仍是以梯形图为主要编程手段。 无疑，梯形图的使用，为p l c 的发展起了巨大的推动作用 1 6 q 本课题由梯形图绘制作为切入点，通过构造梯形图矩阵表实现了梯形图到c 程序的转化，然后用v c + + 环境下的c + + 编译器将其编译成目标代码，最后在一个 技术的开放式数控系统体系结构，并在其基础上成功的实现了软c n c 控制，而且 将其应用于横切机，这样基于s e r c o s 接口的软p l c 的研究开发也因此拉开了序 幕。当前，软p l c 的研究开发是开放式数控系统中可编程控制器研究的重点和难 点。 1 3 课题研究的现实意义 开放式数控系统能很好地解决变化频繁的需求与封闭控制之间的矛盾， 重而建立一个统一的可重构的系统平台，增强数控系统的柔性，降低制造成本。 开放的目的就是使n c 控制器与当今的p c 机类似。系统构筑于一个开放的p c 平 台上，具有模块化的组织结构。允许用户根据需要进行选配和集成，更改或扩展 系统的功能迅速适应不同的应用需求，即系统具有互换性、可伸缩性、可移植性、 互操作性、可扩展性等等。 开放式数控系统满足了目前技术、市场、生产组织结构等多方面快速变化对 数控系统的柔性和通用性提出的要求，为将来车间自动化向更高层次的集成提供 了广阔的前景。同时，它保护了数控系统和数控机床生产企业开发的一次投资， 并从根本意义上满足用户的专项需求，极大的提高了作为我国国民经济基础产业 制造业的世界市场竞争力。 软p l c 是一种基于i p c ( 工业控制计算机) 或e p c ( 嵌入式p c ) 的软逻辑控 制软件，与传统的p l c 一样，主要用于工业控制领域的开关量逻辑控制、顺序控 制、定时器控制、技术控制、模拟量控制、闭环过程控制( p i d 控制) 等“”。研 究软p l c ，可以打破以前各p l c 生产厂家的产品互不兼容的局限性，缩短产品开 发周期，使p l c 性能价格比提高，带来巨大经济效益。 如今我国己加入w t o ，在国际数控设备激烈的竞争环境中，开发出具有自主 版权的国内一流的高性能数控软件，有利于推动我国数控技术的发展，缩短我国 在此行业与发达国家的差距，以及发展我国的制造业。尤其随着p c 进入数控领 域，极大的丰富了数控系统的软硬件资源，有利于实现模块化，开放化。