（机械工程专业论文）数控机床plc功能的研究.pdf

摘要 随着数控技术的发展，数控机床p l c 功能已经成为其不可或缺的功能。但是 目前国内数控机床p l c 功能与国际主流数控品牌之间还存在一定的差距，迫切 需要将数控机床p l c 功能进一步完善。本文在分析数控系统p l c 功能特点的基 础上，将数控机床的p l c 功能分为三大部分进行研究： 1 p c 机端上位机p l c 编程软件的开发与实现。主要研究了在v c + + 环境下， p l c 的梯形图程序编辑功能的实现，引入功能块编程，简化了梯形图编程的难度。 在梯形图编辑显示的基础上，采用数据链表堆栈的算法实现了梯形图向指令语言 的逻辑转化，最终可生成数控机床可以识别的文件。对每个指令语言的逻辑进行 分析，实现了指令语言向梯形图的转化。 2 对数控系统终端的p l c 功能进行研究，为了和工业p l c 相区别，数控 系统终端p l c 称为p m c 。这一部分将p m c 功能分为梯形图的编辑、显示，i 0 状态的显示和译码这几部分，逐个进行分析，并一一得以实现。 3 研究并分析了数控机床p m c 几种常用的通信方式。本文采用了c a n 总 线的通信方式，获取i 0 点和梯形图元件的实时状态，显示在系统的终端的界面 上。最终实现了p m c 梯形图的状态监测和i 0 点状态的显示。 综上所述，本文主要以数控机床p l c 的功能为研究对象，对p l c 功能进行 分解，逐步加以讨论。最终，通过机床实际应用，证明了本文理论的正确性。 关键词：p l c ，软件，数控机床，梯形图，监视功能 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc n ct e c h n ol o g y t h ep l cf u n c t i o no fc n cm a c h i n e t o o lh a sb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l ef e a t u r eo fc n cm a c h i n et o o l s h o w e v e r ，c n c m a c h i n et o o l sa n dp l cf u n c t i o ni nc h i n ad e v e l o p m e n th a sl a g g e db e h i n ds o m eo t h e r c o u n t r i e s t h ep l cf u n c t i o no fc n cm a c h i n et o o l sn e e df u r t h e ri m p r o v e m e n t t h i s p a p e rb e g i nw i t h s t a t u so fp l cf u n c t i o n ，t a k e nd e p t hr e s e a r c ho ft h ep l c f u n c t i o n a l i t yo ft h ec n c m a c h i n e t h ep l ct oc n cm a c h i n et o o l si sd i v i d e di n t o t h r e ep a r t s 1 t h ef i r s tp a r ti st h ep cs o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n di m p l e m e n t a t i o n i tm a i n l y r e s e a r c ht h ep l cl a d d e rp r o g r a ms o f t w a r ei nv c - 卜+ e n v i r o n m e n t t h ei n t r o d u c t i o no f f u n c t i o nb l o c kp r o g r a m m i n g ，s i m p l i f y i n gt h ed i f f i c u l t yo fl a d d e rp r o g r a m m i n g u s i n g as t a c ka l g o r i t h ma c h i e v e dl a d d e rl o g i ci n t oi n s t r u c t i o nl i s t ，a n du l t i m a t e l yt o g e n e r a t et h ef i l ew h i c hc a ni d e n t i f i e db yc n cm a c h i n et o o l s a tt h es a m et i m e ， a n a l y s i se a c hl o g i c a lo fl a n g u a g ei n s t r u c t i o n ，a n dt h e na c h i e v et h ei n s t r u c t i o nl i s tt o t h el a d d e rd i a g r a m 2 r e s e a r c hp l cf u n c t i o no nc n ct e r m i n a l ，i no r d e rt of a c i l i t a t ea n dt o d i s t i n g u i s hw i t hi n d u s t r i a lp l c p l co nc n c t e r m i n a li sc a l l e dp m c t h i ss e c t i o ni s d i v i d e dt h ep m cf u n c t i o ni n t ol a d d e re d i t i n g ，d i s p l a y s ，i os t a t u sd i s p l a ya n dd e c o d e ， a n dt h e nd i s c u s s e da n di m p l e m e n t e d 3 f i n a l l y r e s e a r c ha n da n a l y s i s s e v e r a lc o m m o nc o m m u n i c a t i o no fc n c m a c h i n et o o l s u s i n gt h ec a nb u sc o m m u n i c a t i o n ，a c c e s st oi op o i n t sa n dl a d d e r c o m p o n e n t sr e a l - t i m es t a t u s ，a n dd i s p l a yi nt h es y s t e mi n t e r f a c e ，a c h i e v et h ep m c l a d d e ro fc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n di op o i n ts t a t u sd i s p l a y i ns u m m a r y ，t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c ht h ep l cf u n c t i o no fc n cm a c h i n e t o o l s a n dd e c o m p o s i t i o nt h ep l cf u n c t i o na n dt h e nd i s c u s s e ds e p a r a t e l y ，a t l a s t ，t h r o u g hp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h et h e o r yi sp r o v e dc o r r e c t k e yw o r d s ：p l c ，s o f t w a r e ，c n c ，l a d d e rd i a g r a m , m o n i t o r i n g 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 现代工业的支柱产业是制造业，其中数控技术是现在制造业实现自动化、集 成化和柔性化生产的技术基础，是提高劳动生产率、提升产品质量必不可少的技 术手段。因此数控机床是我国装备制造业的重要基础，其产品技术及其自动化或 智能化成都直接或间接的体现出国内工业的现代化水平。 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 控制系统是在传统的继电器、接触器 控制的基础上发展起来的。近年来由于微机处理芯片及相关元件的价格大大的下 降和p l c 的功能大幅度的提高使得p l c 的应用范围在迅速扩大f 2 l 。目前p l c 已 经广泛应用于工业领域中。数控行业也不例外，当前，数控技术的重点发展方向 是开放式数控系统。以p c 为硬件平台，用软件实现p l c 功能的软件p l c 技术 已经成为开放式数控系统中p l c 的发展的一个趋势【3 。 1 1 1 数控机床的发展 1 9 5 2 年的美国麻省理工学院与帕森斯公司合作，发明了世界第一台三坐标 数控铣床【4 】，标志着数控机床的诞生。这台铣床的控制装置由2 0 0 0 多个电子管 组成，占地面积相当于一个实验室的大小，该控制设备插补装置采用脉冲式乘法 器。在数控系统发展的前3 0 年中，数控系统面临着可靠性低、应用不方便等关 键性的技术问题，同时价格也比较昂贵。因此数控系统真正的发展与普及是在 7 0 年代后。 自从1 9 5 2 第一台数控系统问世以来，数控系统大致经历了一下几个阶段： 1 1 9 5 2 1 9 5 8 年，电子管数控系统。 2 1 9 5 9 1 9 6 4 年，晶体管数控系统。 3 1 9 6 5 1 9 6 9 年，中小集成电路数控系统。 4 1 9 7 0 1 9 7 3 年，小型计算机数控系统。 5 1 9 7 4 一至今，微处理数控系统。 数控系统发展的前三个阶段中，数控系统主要由电路的硬件和连线组成，因 此这个阶段的数控系统称之为接线逻辑数控系统或硬数控系统。其特点为连接点 和硬件电路较多，电路较为复杂，可靠性不高。后两个阶段的数控系统主要由计 第一章绪论 算机软件和硬件组成，这一段的数控系统位置为c n c ( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a l c o n t r 0 1 ) 数控系统。这一阶段的数控系统的突出特点是利用贮存器里的软件控 制系统进行工作，因此又称为软数控系统。这种数控系统的特点是容易扩展功能， 柔韧性好，可靠性高4 1 。 1 1 2 可编程逻辑控制器的产生和发展 虽然p l c 问世的时间不是很长，但是随着微电子技术和计算机技术的发展， p l c 也在迅速的发展。p l c 的发展大致经历了以下三个阶段 5 - 7 ： 1 早期的p l c ( 2 0 世纪6 0 年代末一7 0 年代中期) p l c 技术源于传统的继电器控制( r l c ) 。传统的继电器控制系统有一定的 缺陷，如：体积大、可靠性低、查找和排除故障困难，接线复杂、不易更改，对 生产工艺变化的适应性差等。随着微电子技术和计算机的发展，美国d e c 公司 于1 9 6 9 年研制出世界第一台型号为“p d p 1 4 ”的可编程逻辑控制器，并在通用 汽车的自动装配线上使用并获得了成功。早期的p l c 只是解决生产设备在运行 中的开关量信号的逻辑控制问题。早期p l c 仅有逻辑运算、定时、计数等顺序 控制功能。但是早期的p l c 性能要优于继电器控制，相对于继电器控制早期的 p l c 具有程序简单，安装方便，体积小，耗能低，有故障指导功能，并且可以重 复使用等优点。此外早期的p l c 的编程语言为梯形图语言，并一致沿用到今天。 2 中期的p l c ( 2 0 世纪7 0 年代中期8 0 年代中后期) 微处理技术在2 0 世纪7 0 年代中期应用于p l c 。此时的p l c 不仅具有逻辑 控制功能，同时还具备了算数运算、数据传送和数据处理等新功能。p l c 硬件方 面保留原有的开关模块的同时还增加了模拟量模块、远程i 0 模块、各种功能模 块等。存储器的容量也得以扩大，各种逻辑线圈的数量增加，并且提供了一定量 的数据寄存器。中期的p l c 的应用范围相对于早期的p l c 进一步扩大。 3 现代的p l c ( 2 0 世纪8 0 年代中后期至今) 随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16 位和3 2 位微 处理器应用于p l c 中，使得p l c 的软、硬件发生巨大变化，p l c 技术得到迅速 发展。目前最新的6 4 位的微处理器也在一些大型的p l c 中有所应用。现代的 p l c 不仅增强了控制能力，提高了可靠性，功耗、体积也得以减小，降低了成本。 p l c 的编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图像显 示等功能。使得p l c 真正具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联 网通信等功能。现代的p l c 技术应用更加广泛，更加成熟。 第一章绪论 1 1 3 可编程逻辑控制器的特点 p l c 经过将近5 0 年的发展过程中，功能不断的增强，逐渐呈现出以下几个 方面的特点 6 - 1 4 ： 1 可靠性高，抗干扰能力强 各个p l c 的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施提高了p l c 的抗干 扰能力。p l c 本身具有较强的自诊断能力：能及时给出出错信息，停止运行，等 待修复等功能。 硬件方而措施：主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作 由无触点的电子存储器完成。i o 系统设计采用完善的通道保护和信号调理电路。 硬件部分还采用了屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离、模块式结构等措施，使 得p l c 的故障率大大下降。 软件方面措施：p l c 具有极强的自检及保护功能。包括：故障检测、信息保 护与恢复、设置警戒时钟w d t ( 看门狗) 、加强对程序的检查和校验、对程序及 动态数据进行电池后备。 2 通用性强，控制程序可变，使用方便 硬件方面：p l c 品种齐全，用户不需要自己再设计和制作硬件装置。软件程 序方面：用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下， 用户只需改变p l c 的程序，硬件设备不需要改变就可以满足用户的要求。因此， p l c 除应用于单机控n ； t - ，在工厂自动化生产中也被大量应用。 3 功能强，适应面广 现代p l c 除了具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等传统功能之外，还 具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等 新的功能。p l c 的技术随着计算机技术的发展而发展，在实际的生产加工中不仅 可控制一台生产机械、一条生产线，同时还可以控制一个生产过程，应用的范围 随着p l c 功能的增强也越来越广泛。 4 编程简单，容易掌握 “梯形图编程方式”仍然是大多数p l c 用户首选的编程语言。这种编程方 式既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的 读图习惯及编程水平。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与传统的继电器 控制电路原理图相当接近，因此梯形图程序非常容易接受和掌握。p l c 在执行梯 形图程序时，用内部的解释程序将它翻译成汇编语言然后执行( 解释程序内置在 p l c 中) 。梯形图语言与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，程序的执行时 间要长一些。但对于大多数机电控制设备来说，这个问题是微不足道的，在使用 第一章绪论 时几乎没有影响。 5 减少了控制系统的设计及施工的工作量 继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件在p l c 中被软件来取代。这样控制柜的设计安装的接线工作量就大为减少。同时，p l c 的用户程序可以在实验室条件下进行仿真模拟调试，更加减少了现场的调试工作 量。尤其是近些年软件p l c 的出现，对p l c 程序的仿真调试提供了更为便捷的 途径。p l c 的故障率很低及监视功能很强，模块化的设计使维修工作也变的极为 方便。正是采取了上述的措施，p l c 控制系统的设计和施工安装的工作量得以减 少。 6 体积小、重量轻、功耗低、维护方便 p l c 属于微电子技术应用的工业设备产品。相对于传统的继电器控制，p l c 控制器有着结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低等优点。由于p l c 的抗 干扰能力强，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。以三菱公 司的f 1 4 0 m 型p l c 为例：其外型尺寸仅为3 0 5 1 l o x l l o m m ，重量2 3 k g ，功耗 小于2 5 w ，具有很好的抗振，适应环境温度、湿度变化的能力。现在三菱公司 推出的f x 系列p l c ，与其超小型品种f 1 系列的p l c 相比：面积更小，仅为后 者的4 7 ，体积也得以缩小，为后者的3 6 ，输入输出可达2 4 1 2 8 点，在系 统的配置上既固定又灵活。 1 1 4 可编程逻辑控制器的发展趋势 p l c 在短短的几十年内，发展迅速。并且向着以下几个方向发展 1 4 - 1 6 ： 1 向高速度，大容量方向发展 p l c 要具有更好的响应速度和更大的存储容量来提高p l c 的程序处理和存 储能力。目前p l c 的扫描速度可达o 1 m s k 步左右。p l c 的扫描速度逐年加快， 成为p l c 的一个很重要的指标。存储方面：有些p l c 最高可以达到几十兆的存 储，存储能力向着大容量得方向迅速发展。为了扩大输出，部分公司采用了磁盘 存储器或硬盘。 2 p l c 智能模块的开发，互联网能力的增强 随着p l c 应用范围的扩大，近些年p l c 不断的开发出新的功能模块。这些 新的功能模块带有c p u 和存储器，既可以扩展p l c 功能，又使得p l c 的应用更 加灵活，应用的范围更加广泛。随着计算机技术的发展，p l c 的相应的新的智能 模块也会得以实现。联网方面：p l c 的可| 联网通信包括两种类型，一种是p l c 之间可以进行联网通信，各个p l c 生产厂家的p l c 之间都有自己的专有联网手 段；另一种就是p l c 与计算机之间的联网通信。随着计算机网络技术的发展， 4 第一章绪论 p l c 通信联网能力使其能与p c 和其他智能设备很方便的进行信息交换，从而实 现分散控制和集中管理。p l c 已成为集散控制系统( d c s ) 不可缺少的重要组成 部分。 3 编程语言的多样化和标准化 在p l c 硬件系统结构不断发展的同时，p l c 编程语言也越来越丰富，同时 功能也在不断的提高。除了传统的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，多种 编程语言的并存、互补与发展是p l c 发展的一个趋势。在编程语言多样化的同 时，编程语言的标准化也是p l c 发展的一个趋势。i e c 6 1 1 3 1 是可编程逻辑控制 器的国际标准，共分为8 个部分。这个标准从1 9 9 2 年开始陆续颁布实行。 i e c 6 1 1 3 1 3 是p l c 编程的标准，在1 9 9 3 年颁布实施，并被成为p l c 语言的实 现导则。这个标准允许在同一个p l c 中使用多种编程语言，也允许程序开发人 员对一个特定的任务选择最合适的编程语言，还允许在同一个控制程序不同的软 件模块中使用不同的编程语言编制，这一规定一方面解决了p l c 编程语言发展 多样化的现状，另一方面也为p l c 编程语言的发展提供了更加广阔的空间。 4 增强外部检测与处理能力 据统计资料表明：在p l c 控制系统的所有故障中，c p u 故障占5 ，线路故 障占5 ，i o 接口故障占1 5 ，输出设备故障占3 0 ，输入设备占4 5 。其中 前两部分的2 0 的故障属于p l c 内部故障，可以通过p l c 本身软件、硬件实现 检测、处理，剩下的8 0 属于p l c 外部故障。外部故障率要远远高于内部故障， 因此发展外部故障的检测的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性是p l c 发 展的一个趋势。 5 向超大型和超小型两个方向发展 目前巾小型p l c 占据的市场最多，但是市场的需求是多方面的，今后的p l c 发展需要向多品种方向发展。在中小型发展的同时，p l c 向着超大型和超小型两 个方向发展。目前有的超大型p l c 的i o 数已经可以达到6 5 0 0 0 点，使用6 4 位 的微处理器，多c p u 并行工作和大容量的存储器，功能强大，运行速度和程序 的处理能力非常强大。小型的p l c 由整体结构向小型模块化的结构发展，使配 置更加灵活，应用的领域也更加广泛。为了满足市场的需求已经开发了各种简易、 经济的超小型微型的p l c ，最小配置的i o 点数为8 1 6 主要是面向单机和小型 自动控制的需求。超小型的p l c 的优点是节省空间、降低了成本、安装灵活。 6 软p l c 的出现 2 0 世纪9 0 年代后期，人们逐渐意识到，传统的p l c 自身存在这样那样的缺 点：难以构建开放的硬件体系结构，工作人员必须经过较长时间的专业培训才能 掌握某一产品的编程方法，传统的p l c 的生产被几家厂商所垄断。这些问题在 第一章绪论 很长的一段时间内制约了p l c 的发展。近些年，随着计算机技术的迅猛发展以 及p l c 国际标准的制定，一项打破传统p l c 局限性的新兴技术发展起来了，这 就是软p l c 技术。其特征为：在保留p l c 功能的同时，采用开放的通信接口， 如以太网，串口等；采用面向总线的网络的体系结构；采用各种相关的国际工业 标准。软p l c 具有硬p l c 的功能，同时又提供了p c 的环境的优点。 1 2p l c 在数控系统上的应用 p l c 的出现和应用，展现出巨大的技术经济效益，引起各个国家的普遍重视， 各大公司竞相对p l c 进行研究开发，各种系列和性能的p l c 装置不断的涌现， 应用的范围迅速的扩大到包括机床在内的各个工、i k 领域。2 0 世纪7 0 年代中期 p l c 开始应用于数控机床上，8 0 年代后，p l c 已经成为各种高性能数控设备和 生产制造系统中不可缺少的控制装置 1 7 ， 1 2 1 数控机床上p l c 的类型 目前p l c 已经成为数控机床基本的不可缺少的控制装置。数控机床的p l c 大致可以分为两种类型。一是p l c 生产厂家生产的，接口以及运算和控制功能 都能满足数控机床控制要求的独立型p l c ；另一种是数控系统生产厂家专门为数 控机床顺序控制而设计的，与数控系统设计成一体的内装型p l c 18 - 2 1 。 1 独立型p l c 独立型p l c 又称通用型p l c 。这种p l c 具有完备的硬件和软件功能，能够 独立完成规定的控制任务。采用独立型p l c 的数控系统具有以下特点： 独立型p l c 的基本功能结构与前所述的内装型p l c 完全相同。 数控机床应用的独立型p l c ，一般采用中型或大型p l c ，i o 点数一般在2 0 0 点以上，所以多采用积木式模块化结构，具有安装方便，功能易于扩展和变换等 优点。 独立型p l c 的输入输出点数可以通过输入、输出模块的增减灵活配置。有 的独立型p l c 还可通过多个远程终端连接器，构成有大量输入输出点的网络， 以实现大范围的集中控制。 生产独立型p l c 的厂家很多。产品应用比较广泛的有s i e m e n s 公司 s i m a t i cs 5 、s 7 系列，日本立石公司o m r o ms y s m a c 系列，f a n u c 公司 p m c 系列，i 菱公司f x 系列等。 2 内装型p l c 内装型p l c 从属于c n c 装置，具有以下特点： 6 第一章绪论 内装型p l c 实际上是c n c 装置带有p l c 功能，存在于c n c 系统的内部， 不能脱离数控系统，单独完成控制要求。内装型p l c 的性能指标( 如i o 点数、 程序最大执行步数、每步执行时间、程序扫描时间、功能指令数目等) 由所从属 的c n c 系统的规格、性能、适用机床的类型等确定。硬件和软件部分作为c n c 系统的基本功能或附加功能与c n c 系统一起统一设计制造的。 因此，相对于独立型p l c ，内装型的硬件和软件整体结构更加紧凑，p l c 所具有的功能针对性更强，技术指标更为合理、实用。内装型p l c 适用于单台 数控机床及加工中心等场合。 在系统的结构上，内装型p l c 既可与c n c 共用一个c p u ，也可单独使用一 个c p u 。内装型p l c 一般单独制成一块附加板，插装到c n c 主板插座上，不单 独配备l d o 接l j ，采用c n c 系统本身的i o 接口；p l c 控制部分及部分电路所 用电源( 一般是输入口电源而输出口电源是配置的) 由c n c 装置提供，不另 备电源。采用内装型p l c 结构，c n c 系统上的p l c 可以具有某些高级p l c 的 控制功能，如梯形图显示编辑和状态监视等功能。 目前世界上的c n c 厂家在其生产的c n c 系统中，大多开发了内装型p l c 的功能。常见的有f a n u c 公司的f s o ( p m c l m ) 、f s 3 ( p c d ) 、f s 6 ( p c a 、 p c b ) 、 f s 一1 0 1 1 ( p m c 1 ) 、 f s 1 5 ( p m c - n ) ；s i e m e n s 公司的 s 肌m e k 8 1 0 8 2 0 ；a b 公司的8 2 0 0 、8 4 0 0 、8 5 0 0 等。国内的华中数控和广州 数控也有自己相应的内装型p l c 。相对于国外的内装型的p l c ，国内的内装型 p l c 技术还是有相当大的差距。 基于上述独立型和内装型p l c 优缺点的分析，发现数控内装型p l c 相对于 独立型p l c 优点更为突出，更加适合于数控系统的p l c 控制功能的实现。因此 本文研究的t d n c s x 数控系统的p l c 也是内装型的p l c 。 1 2 2 数控系统p l c 发展状况 随着p l c 技术的发展，逐步被应用在数控机床上。其中f a n u c 公司将其 主要用在数控机床控制的可编程逻辑控制器称为可编程机床逻辑控制器 ( p r o g r a m m a b l em a c h i n ec o n t r o l l e r ) ，简称p m c e ”j 。 p l c 在数控机床和普通机床中都有应用。在数控机床中，p l c 是数控机床 的大脑，控制着何时进刀，何时退刀，刀量多少，工件的加工流程。同时机床的 限位开关等机械控制部分以及液压控制部分也是由p l c 的控制实现的。通过计 算机与p l c 的组合，可以实现对刀架换刀的准确控制。 对于人多数的数控生产家来讲，p l c 功能已经成为数控机床不可或缺的功 能。目前数控系统p l c 功能具有代表性的生产厂家有f a n u c 和西门子。p l c 第一章绪论 产品主要由两部分组成，一部分是数控系统端的p l c 梯形图的显示编辑和控制。 另一部分是配套的p c 端的软件，包括梯形图的编辑和和实时状态的仿真等。以 f a n u c 为例，包括数控系统端的p m c 功能，另外还有一个配套的p c 端的 f a n u cl a d d e r 软件1 翔1 。 1 3 国内外研究现状 p l c 在机床行业的总体市场情况机床行业中的应用以小型p l c 为主。独立 型的p l c 中，日系p l c 在小型p l c 领域具有很大的市场优势。内装型p l c 中， 西门子和f a n u c 由于其数控系统在机床行业中占有优势，因此在机床行业中占 有一席之地 2 3 , 2 4 1 。机床行业中p l c 品牌集中度比较高，主要集中于日系品牌( 三 菱、欧姆龙) 和德国的西j 、j 子，台达p l c 在其中也占有一定的市场份额。其他的 品牌主要有富士、倍福、l s 、施耐德、光洋、a b b 和横河等，只占有不多的份 额。国内数控品牌中具备内装型p l c 功能的不是很多，数控机床的p l c 技术不 是很成熟，只有个别品牌的数控系统中带有p l c 功能。因此数控系统p l c 功能 的实现和完善还有很重要的现实意义l 2 3 ，2 5 j 。 在数控系统p l c 附加p c 软件方面：在国内，数控p l c 梯形图编程软件设 计梯形图程序时，绘图、修改、重绘图的工作量非常大。控制工程技术人员把大 部分的精力消耗在绘制元器件简单线条的重复性工作上，不能拿出更多的精力进 行控制方案的优化设计。主要反应在以下几个方面【4 驯： 1 使用者为了编写梯形图程序而必须学习和记忆梯形图的相关指令。 2 传统绘制p l c 梯形图时要做大量重复性的工作，并且一旦要修改，则需 重新绘制，造成程序员计算工作量大，程序设计不便捷。 3 人机界面不友好，缺少汉字提示，操作不方便。 4 各大p l c 厂家使用自己专用的梯形图编程软件，但是这些软件价格昂 贵，程序之间的转化能力差。 我国有许多厂家在研制和生产过p l c ，但是目前还没有出现有影响力和较大 市场占有率的产品，产品的功能较国外同类产品有较大的差距。目前我国市场中 的p l c 产品几乎都是国外品牌的产品。 无论是国内还是国外的p l c 品牌，都突出的有个共同的问题，就是标准 化方面的问题。在前面的介绍中已经介绍了国际电工委员会的i e c 6 1 1 3 1 的p l c 标准。其i e c 6 11 3l 一3 可编程序控制器的编程软件标准为p l c 的标准化铺平 了道路。不少j 家正在开发以p c 为硬件平台、在w i n d o w s 操作系统下，符合 i e c 6 1 1 3 1 3 国际标准的新一代开放体系结构的p l c 。目前，有的厂家已经推出 第一章绪论 了符合或者接近i e c 6 1 1 3 1 3 标准的编程软件，但是仍然有相当多的p l c 产品的 编程语言和i e c 6 1 1 3 1 3 有相当大的差异2 7 - 3 0 。尽管如此，各种p l c 产品在软件 上还是比较接近的。数控机床产品中的p l c 编程的语言也是各异，基本上每个 厂家的编程语言都有一定的差异。但是基本的梯形图和指令语言还是有一定的共 性的。 1 4 课题的目的和研究意义 装备工业技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度， 数控技术及装备是发展新兴高新技术尖端工业的重要技术和最基本的装备。数控 技术水平的高低、数控机床的拥有量多少，已经称为衡量一个国家综合国力和工 业现代化水平的重要标志。目前，世界机床产量的1 5 用于我国市场，我国已经 成为数控机床世界第一大消费国和进口国【3 1 1 。p l c 作为数控系统的一个重要的 功能，其发展水平也影响着数控技术的发展。因此数控技术p l c 功能技术水平 的提高，对数控技术水平的提高，对我国的综合国力的提高，有深远的意义。 现在大多数数控系统的封闭式结构已经严重限制了数控技术的发展，首先要 解决数控系统的封闭式结构，因此选用了l i n u x 操作系统【3 2 1 。 上位机的编程软件选择p c 平台，方便了软件的实现。使得软件便于用户的 编程操作。下位机方面，为了克服传统的p l c 的缺陷，满足现代数控系统对p l c 成本低、开放型高、灵活小巧、使用方便的要求。本课题数控系统端的p l c 平 台不是基于p c 的构架，而是基于当前在嵌入式领域广泛应用的a r m 体系。与 传统的基于p c 的平台相比，试验平台具有成本低、开放性好、硬件简单、可靠、 无冗余，且不会被少数芯片生产厂家垄断等特点。 1 5 课题研究的主要内容和全文章节的安排 本课题着眼于解决数控机床的p l c 功能的研究与实现，重点研究了p l c 译 码功能的实现，主要包括以f 两个大的方面： 1 在p c 机上开发应用软件 在p c 机上安装v c 抖6 0 ，在这个环境下开发p l c 的应用软件。这个软件包 括p l c 图形化的界面设置、梯形图的编辑、梯形图向指令语言的转化、梯形图 功能块功能的实现： 2 数控系统端p l c 功能的实现 第一章绪论 主要包括l i n u x 系统下c o d e b l o c k 编程环境下，实现数控系统的p l c 功 能。具体包括p l c 梯形图的显示，实时状态的显示，i 0 通断状态的显示，梯形 图的编辑，梯形图的编译功能。 本论文的章节安排如下： 第- 一章，绪论：阐述了选题的背景、国内外的研究状况、课题的提出、曰的 和意义、课题主要的研究内容以及章节的安排。 第二章，数控机床p l c 上位机软件设计：介绍了上位机软件的编程环境和 软件p l c 的功能和实现方法。 第三章，p l c 译码功能的实现：介绍了p l c 梯形图向指令语言的转化方法 和指令语言转化成梯形图的方法。 第四章，下位机界面和基本功能的实现：介绍了数控机床端p l c 梯形图的 显示，编辑和界面相关菜单按键对应功能的实现。 第五章，监视和状态显示功能的实现：介绍数控系统p l c 各个i 0 点通断 状态显示的实现和梯形图各个触点元件通断显示的监视功能的实现。 第二章数控机床p l c 上位机软件设计 第二章数控机床p l c 上位机软件设计 数控系统p l c 功能按实现的运行环境可以分为上位机和下位机两部分。本文 的上位机运行环境为p c 机，下位机运行环境则为数控系统端编程软件实现的 l i n u x 环境。其中上位机的p l c 软件，具有开放性好，扩展能力强等优点，是 p l c 技术发展的一个趋势。 2 1 软件p l c 的系统构架 软件的主框架是整个程序的基础，在设计主框架的时候不仅要考虑到p l c 功 能的实现，还要考虑到以后软件功能的扩展问题。因此程序的主框架设计是软件 p l c 的基础，好的主框架是软件p l c 功能完美实现的基础。 2 1 1 软件p l c 的编程环境 上位机的软件要求人机界面友好、操作便捷，因此上位机p l c 梯形图编程软 件的编程环境选择v i s u a lc + + 6 0 。v i s u a lc + + 6 0 是m i c r o s o f t 公司开发的基于 c c + + 的可视化的集成开发工具，是目前世界上使用最多的开发工具之一。尤其 基础类库m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s ) 为用户提供了大量的标准类，大大提 高了编程效率 3 3 , 3 4 。因此，采用v i s u a lc + + 6 0 来开发w i n d o w s 的应用程序有着 得天独厚的优势。 2 1 2 软件p l c 的构架 由于p c 机的人机界面相对于数控系统更加友好，因此在计算机上进行梯形 图的编程和译码会更加便于操作。在p c 端设计p l c 软件，简化了p l c 程序的 编程问题。同时，基于计算机的软件p l c ，由于不需要专门的硬件平台，可以 直接利用计算机的软硬件资源，直接采用梯形图或指令语言进行编程p 引。 上位机的p l c 编程软件应包括基本的梯形图编程的功能，此外要综合考虑用 户的需求和用户的操作习惯。上位机的p l c 软件应该包括的基本功能有：梯形 图的显示、编辑、梯形图的语法检查、梯形图的编译、p l c 的实时通信、将生成 的目标代码传送到相应的运行平台。如图2 1 所示，虚线框内的部分在v i s u a l 第二章数控机床p l c 上位机软件设计 c + + 6 0 这个开发平台上实现。除此之外，基本的打开、保存、新建等基本编辑 功能也是软件p l c 应该实现的功能。 梯 形梯 器番 目标代码 墼一艮土竺兰l ，语_ 的_ 法 检 开发平台( v i s u a lc + + 6 0 ) 编 译 图2 1 软件p l c 的系统构架 运 行 系 统 端 软件p l c 主要目的是生成目标代码，目标代码生成部分是本文的核心，因 此在第三章会详述。本章主要是对p l c 编程软件的基本功能的研究和实现。 2 2 软件p l c 的界面设计 在人与机器的交互( h u m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n ) 过程中，有一个界面充当信 息传递的媒介，即人们所说的人机界面( h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) 【36 1 。一个好 的软件界面，对软件的使用和软件的推广有着重要的现实意义。 2 2 1 概述 用户的需求是界面设计开发人员设计软件时需要考虑的第一步。一个友好 的、人性化的界面能够给用户留下深刻的印象，对软件的市场占有率有很重要的 影响。 目前应用比较广泛的p l c 编程语言主要为梯形图程序和指令语言这两大类。 因此界面的设计也从这两个方面着手，分为梯形图编程和指令语言显示这两个界 面。具体由f a c e k i n d 这个参数决定，当值为l 时为梯形图界面，为i 时为指令 语言界面。 考虑到用户的使用习惯，软件p l c 界面和大部分软件界而类似，程序主界 面主要包括：标题栏、工具栏、菜单栏、客户区、工具条组成。如图2 2 所示， 一 梯形图的显一不编辑 第二章数控机床p l c 上位机软件设计 客户区就是用来编辑梯形图和显示指令语言的区域。图中的方块就是当前用户的 编辑区域，相当于光标的位置。 ! 文t 牛遵) 稍蜢遥、壹看理) 帮助趣) d 西嗣邑一i1 * o 国 of nif 卜，扣0 1 r 岬冒 图2 - 2p l c 上位机软件启动时初始化界面 2 2 2 程序界面的美化 上位机程序主要是基于v i s u a lc + + 的m f c 框架，原始的程序框架颜色单调， 界面比较粗糙。程序在设计图2 3 就是原始的界面样式，可以看出非常的单调古 板。市场上广州数控系统的p l c 的p c 端梯形图编程软件虽然具有基本的使用功 能，但是界面美化方面做的稍显1 i 足。 图2 3未美化前的程序初始化界面 p l i 宴 第二章数控机床p l c 上位机软件设计 这里可以看出图2 2 为美化之后的界面，可以看出美化后的界面人机交互界 面更加友好，可读性更强。 界面的美化工作的图片本应该由个人绘制并添加完成的。考虑到工作效率问 题，利用了界面的美化的软件s k i n m a g i ct o o l k i t 来实现界面美化问题。s k i n m a g i c t o o l k i t 是一一个制作皮肤功能的界面库，支持w i n d o w s 常用控件及窗口，支持了 对话框，单文档界面，多文档等界面。软件的皮肤资源比较丰富，可以在软件的 官网或其他一些资源网站上去下载。在软件界面皮肤的设计上可根据软件的需 求，用户的需要，添加合适的程序界面的皮肤。 下面简要介绍一下界面美化的实现过程：首先在软件的文件目录下加入 s k i n p p w t l h 、s k i n p p w t l d l l 、s k i n p p w t l 1 i b 和皮肤资源文件。其中 s k i n p p w tl d l l 这个库文件要放在调试目录下面，在程序初始化的时候加载皮肤 文件，调用函数s k i n p p l o a d s k i n ( _ _ t ( ”s p r i n g s s k ”) ) ，程序结束时，释放掉s k i n m a g i c 资源。这样，在程序运行的时候就会加载皮肤文件，软件的皮肤就会得到相应的 美化，就会得到图2 2 所示的美化之后的界面。 2 3 软件的主要数据结构 软件主要的功能是编辑显示梯形图，并把梯形图转化相应的指令语言。数据 结构主要由梯形图和指令语言这两部分组成。软件在实现的过程中涉及到一些关 键的数据结构体和数据变量如下： s t r u c t1 n s t r u c t i o n 指令表数据结构 c h a ro r d e r ；指令类型 c h a rn a m e ；信号类型： u n s i g n e dl o n gc o d e ；地址 u n s i g n e ds h o r ti _ b i t ；位地址 ) ； s t r u c tl a d d e r 梯形图数据结构 c h a rm _ k i n d t o t a l r o w ；类型 c h a rm - n a m e t o t a l r o w 8 】；信号类型 u n s i g n e dl o n gmc o d e t o t a l r o w ；元件字节地址 u n s i g n e ds h o r tm _ c o d e _ b i t t o t a l r o w ；元件位地址 u n s i g n e dl o n gm _ f c o d e b y t e t o t a l r o w 8 ；功能元件参数地址 1 4 第二章数控机床p l c 上位机软件设计 c h a rr n _ b r a n