软PLC系统开发及其在机床主轴控制中的应用.pdf

第 4卷第 4期 2 0 0 7年 8月 铁道科学与工程学报 J OURN AL OF R AI L Il／ ＼／ AY S CI E NCE AND E NGI NEE RI NG Vo1 ． 4 No． 4 Au g．2 0 0 7 软 P L C系统开发及其在机床主轴控制中的应用 肖春艳 ， 张华美 1 ． 湖南生物机 电职业技术 学院， 湖南 长沙 4 1 0 1 2 6 ； 2 ． 湖南大学 机械与汽车工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 8 2 摘要 利用 V C编译器成功开发 出了软 P L C系统， 并实现了P L C程序的编译 、 运行和基本功能。在开放式数控机床主 轴控制中的运行实例表明， 所开发的软 P L C系统能准确可靠地运行 ， 达到了预期逻辑控制的 目的； 对软 P L C的性能测试表 明， 软 P L C的执行速度较硬 P L C有了大幅度提高， 为软 P L C在开放式数控系统中的应用提供 了借鉴。 关键词 软 P L C ； 开放式数控 系统 ； 梯形 图； V C 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 2 7 0 2 9 2 0 0 7 0 4 0 0 9 3 04 D e v e lo p me n t o f s o f t P L C s y s t e m a n d a p p l i c a t i o n t o p r i n c i p a l a x i s c o n t r o l l i n g o f ma c h i n e t o o l XI AO Ch u n ． y a n ， Z HANG Hu a ． me i 1 ． H u n an B i o l o g i c al and E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g V o c a t i o n al T e c h n i c a l C o l l e g e ， C h ang s h a 4 1 0 1 2 6 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f M e c h a n ic a l and A u t o m o t i v e E n g i n eeri n g ，H u n an U n i v e r s i t y ，C h ang s h a 4 1 0 0 8 2 ，C h in a Ab s t r a c t S o f t PL C s y s t e m wa s s u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d wi t h VC c o mp i l e r ．Co mp i l e，r u n a n d b a s i c f u n c t i o n we r e a c h i e v e d u s i n g t h i s s o f t PL C s y s t e m ． e r u n f a c t i n p r i n c i p a l a x i s c o n t r o l l i n g o f ma c h i n e t o o l o f o p e n NC s y s t e m p rov e s t h a t t h e s o f t PL C s y s t e m c a n wo r k we l l a n d t r u l y，a n d l o g i c a l c o n t rol i s r e aso n a b l e ． e p e r f o r ma n c e t e s t d e mo n s t r a t e s t h a t t h e s p e e d o f s o f t PL C i S mu c h hi g h e r t h a n t h a t o f c o mmo n PL C． e f u r t h e r s o f t PL C a p p l i c a t i o n i n o p e n NC s y s t e m c a n u s e t h i s WO r k f o r r e f e r e n c e s ． Ke y wo r d s s o f t PL C；o p e n NC s y s t e m； l a d d e r d i a g r a m ；VC P L C是数控系统与数控机床问的接 口， 主要处 理各种开关量的控制信息_ l J 。软 P L C S o f t P L C 是 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 ， 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 控制和闭环过程控 制 P I D控制 等 2 I 3 J 。众所周 知 ， P L C可靠性高 ， 抗干扰能力强 ， 适用于恶劣的控 制现场 ， 在工业控制 和其 他行业 得到 了广 泛的应 用_ 4 J 。然而 ， 随着计算机技术的迅速发展和广泛应 用 ， P L C较差的通用性和兼容性及昂贵的价格制约 了其发展 。国际标准 I E C 1 1 3 1的推出和实施 ， 进一 步打破 了 P L C生产厂商产 品互 不兼容 的局 限性 ， 使充分利用工业控制计算机 I P C或 E P C的硬件和 软件资源成为可能 ， 表现为全部用软件来实现传统 P L C的功能_ 5 I 9 J 。研究软 P L C技术 可以缩短产品 开发周期 ， 提高 P L C性价 比， 带来 巨大经济效益 。 在此 ， 本文作者利用 V i s u a l C6 ． 0软件 ， 开发出 软 P L C系统 ， 实现 P L C程序的编译 、 运行和基本功 能 ， 并将软 P L C系统应用 到开放式数控 系统 车床 主轴控制中， 大大提高其运行速度。 1 软 P L C系统的开发 本文研制的软 P L C开发 系统的总体流程如图 1 所示， 该系统由绘制梯形图、 编译梯形图、 生成中 间文件和查找替换生成最终文件等几个主要部分 组成。 收稿 日期 2 0 0 7 0 6 0 8 基金项 目 国家“ 9 8 5工程” 汽车先进设计制造技 术科技 创新平台项 目 作者简介 肖春艳 1 9 6 8一 ， 女 ， 湖南涟源人 ， 讲师 ， 从事机 电一体化 的研究与教学 维普资讯 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 7年 8 月 I 绘制梯形 图 I 编译梯 形图 l I 生成 中 间 文 件c s 。 u r s e ．c l f 查找替换生成最终文件 d d e s s ． c J 完 成 _ 图 l 软 P L C开发 系统 总体 流 程 图 H g ． 1 Ho w c h a r t o f s o ft P L C d e v e l o p i n g s y s t e m 1 ． 1 梯形图的绘制 绘制梯形图是编程方法中最基本 、 最常用的方 法。它与继电器逻辑的梯形图概念相同， 表达 了系 统中全部动作 的相互关系l_ 4 J 。在绘制梯形图时首 先要知道梯形图由哪些输入元素和输 出元素组成。 由于 P L C与继 电器 控制电路相 比， 以软器 件代替 硬器件 ， 以软触点代替硬触点 ， 以软接线代替 了硬 接线， 故其 I ／ 0的使用不受 次数限制。相 同的 I ／ 0 点可以在梯形 图程序中出现多次， 可以用有限的输 入输出元素实现多种逻辑控制。 在得到输入输 出元素的信 息后 ， 采用 V C 资源中的工具栏实现梯形图的绘制 。图 2所示 为 输入输 出元素的界面图。 - l 岫 ■ m I 广 ■ r n 厂 厂 厂 厂 广 。 广 厂 tT 一 礴 。 厂 r I t * ,u 广 r r r 厂 图i 露 嗣 图露蚕 萄 _f ■ 魄l ji ∞ 1 f f rT g l I 图 2输 入 输 出元 索 界 面 Fi g ． 2 I n p u t a n d o u t p u t e l e me n t i n t e r f a e e 1 ． 2 梯形图的编译 梯形图是作为一种图像文件显示的。本文采 用把梯形图各个节点元素的信息存放到一个矩阵 中， 然后 ， 按照一定顺序存取的方法 。这种包含 了 梯形图各个节点元素全部信息的矩阵称为矩阵表。 把各节点数据的全部信息存放到链表里 ， 对于 绘制 、 修改梯形图及实现重绘非常方便 ， 但是 ， 用链 表存取 的数据只表 明各元素绘制时 间上的先后顺 序， 而要实现从梯形图到结构化语言的转化， 则要 借助数组来实现 。因此， 必须将链表里的数据拷贝 一 份到数组中 ， 并对其进行操作以得到真正意义上 的矩阵表。绘制完梯形 图、 生成矩阵表后 ， 在运行 程序前 ， 先对梯形图进行编译， 以检查其中的错误。 1 ． 3 从梯形图转化到 C程序文件 转化 C程 序时， 先将矩 阵表各元素 的符 号地 址做替换标志字符“” ， 以方便实际地址和符号地 址进行替换， 生成 P L C开发系统可操作的地址文 件。转化时遵循“ 从下到上 ， 从里而外” 的原则将梯 形图各“ 网络” 由并联最终转换为一个串联结构 ， 然 后 ， 针对这行梯形图写结构化 i f 语句 ， 进而实现整 个梯形 图到 C文件的转化。由梯形图转化为 C文 件 的流程图如图 3所示 。经过并联处理转换成 的 C程序文件称为 C s o u r s e ． C 文件。如 图 3 梯形 图生成 C程序流程 图 Fi g． 3 No w c h a r t o f c r e a t i n g a C p 』 f o r m t h e l a d d e r d i a g r a m i n c l u d e “ s t d i o． h ” v o i d m a i n { ／ ／ b o o ls t a r t 0 ； b o o ls t o p0； b o o lo u t O0 ； 7 7 i f s t a r t f o u t O s t o p o u t O1 ； e l s e o u t O0； } 可以看 到 ， 每 个 元 素 变 量前 都 有 标 记 字 符 “ ” ， 在 s to p 前还有多了一个“ ” ， 因为 s to p 作为常 闭触点存在。这样 ， 就可以通过查找替换方便地把 c 0 u r s e ． c 转换为 P L C开发系统操作的地址文件 a d d r e s s ． C o 维普资讯 第 4 期 肖春艳 ， 等 软 P L C系统开发及其在 机床 主轴控制 中的应用 9 5 2 软 P L C在开放式数控机床主轴控 制 中的应用 2 ． 1 开放式数控系统的软硬件平台 2 ． 1 ． 1 硬件 平 台 由于微处 理 器性 能增 长速 度 很快 ， P C机 的 C P U不仅用于运动控制和人机界面 ， 而且有能力处 理 S E R C O S 接 口的控 制。基于 S o f t S E R C A N S的运 动控制器不再需要专用的硬件和处理器 ， 每台控制 器可插 4张 S E R C O S 接 口卡， 构成 4个光缆环 。而 对于每个光缆环 ， S o ft S E R C A N S可支持 高达 4 】 根 轴 ， 支持的最小循环 周期为 5 0 0肚 s ， 所 以， 硬件平台 选择通用 P c机体 系结 构。其优点 在于能大大缩 短软件开发产 品的开发周期和设计周期 ， 且有庞大 的软件工具为后援 。因此 ， 以其作为数控系统的硬 件平 台不但 可以大幅度提高数控系统 的性价 比， 而 且还可充分利用通用微机已有软硬件资源， 分享计 算机领域 的最新成果。此外 ， 以通用微机作为数控 平台还可获得快速 的技术进步 当 P C机升级换代 时 ， 数控系统也可相应升级换 代 ， 从 而长期保持技 术上 的优势； 同时还为软件的开发和扩展提供 了优 良的平台。 2 ． 1 ． 2 软 件 平 台 基于 S E R C O S接口的软件平台要求如下 Wi n d o w s N T 4 ． 0 ， 至少 3 2 M 内存 一般要求 6 4 M ； 实时 操作 子 系统 V e n t u r C o m R T X 5 ． 0 ； M i c r o s o ft V i s u a l C 6 ． 0 或具有实时内核的 B o r l a n d C5 ． 0 ； S o ft S E R C A N S 。其结构体系如图 4所示。 图 4软 件 平 台 软件 体 系结 构 Fi g． 4 S o f t wa r e s y s e m s t r u e t me o f s o f t wa r e l a ff o r m 2 ． 2 软 P L C的软件平台 软 P L C由开发系统和运行系统 2部分组成。 开发系统就是用户按照要求绘制梯 形图， 然后 ， 将 梯形图转变为标准 C程序 ， 这样 ， 可以利用 V C 编译器将其 编译 为 目标代码_ l 。 ； 运行 系统就是运 行开发系统通过 V C程序编译链接成的可执行 文件 ， 得到期望 的输 出结果 ， 然后 ， 用此结果反 映 I ／ O状态 的改变 。基 于 S E R C O S接 口的软 P L C其 软件驱动器 仍为 S o ft S E R C A N S 。Soft S E R C A N S是 P l c与底层运动执行部件 的接 口 S E R C O S接 E l 的 国际标准化已经完全实现向底层运动执行部件的 开放性 ， 而 S o f t P L C作 为 S o f t S E R C A N S与用户界 面及 网络通讯等模块之间的接 口的一部分 ， 为用户 开发出专用的数控软件提供了一个最简洁的平台。 图 5所示 的为软 P L C软件体系结构。 图 5软 P L C软 件 体 系结 构 图 Fi g． 5 Sof t wa r e s y s t e m s t r u c t u r e o f s o f t PL C 2 ． 3 软 P L C在数控机床主轴控制中的应用 本文通过一个基于数控机床主轴控制的实例 来验证开发的软 P L C系统。图 6所示的是主轴运 动控制的梯形 图。 主轴可以在手动和 自动方式下工作 ， 其旋转有 正转和逆转 2种情况。手动和 自动 2种工作方式 为互锁 ， 正转和逆转也互锁 。不管主轴处于正转还 是逆转 ， 当停止旋钮 开关接通时 ， 主轴都会停转。 表 1 所示为要用到的一些元素。 表 1 梯形图元素表 Ta bl e 1 S y mb o l s o f t h e l a d d e r d i a g q a m b a s e d s p i n d l e c o n t r o l 按照表 1的对应关系 ， 初始化输入输出元 素 后 ， 就可以开始绘制梯形 图。完整的梯形 图如图 6 所示 。经过编译后 的运行界面如图 7所示 。 点击“ 开始” 按钮， 渎人 a d d r e s s ． C程序后， 用 鼠标 左键点击输入框各个指示灯， 让它发亮 变黑 ， P L C程 序就开始运行。要实现正确的逻辑控制， 必须通过单 击鼠标左键给各变量重新赋值。图 8 所示的界面就 是当手动信号 为 O N 、 主轴顺转时 ， 梯形图的输出情 况。从此图可以看到， 手动和 自动互锁 ， 因为当手动 信号 ． M和 自动信号 A S ． M都为 O N时， 只有 H A N D 有输出， A L q D 没有。当然 ， 这与先给手动信号置“ 1 ” 有关。同理， 主轴顺转和逆转互锁。 维普资讯 9 6 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 O O 7 年 8月 图 6主轴控 制的梯 形图 F i g． 6 L a d d e r d i a g r a m o f s p i n d l e c o n t r o l 图 7 P L C程序 运行 时的界 面 Fi g． 7 I n t e rfa c e o fP LC p r o g r a m r ur mi n g 图 8 当手动信号为 O N时输 出情况 Fi g ． 8 I n t e rf a c e o f P L C p rog r a m w h e n HS． M o n 2 ． 4 软 P L C的性能测试 本文开发的软 P L C系统把梯形 图扫描语言变 成结构化 C语言 ， 并 采用 i f 语句成功 实现了所有 逻辑。由于结构化 i f 语 句执行速度非常快 ， 因此 ， 软 P L C的执行速度也相应地得到提高 。为了验证 这一点 ， 本文采用数字示波器结合 P T X实时子系 统提供的实时函数对 3 8 0 0多行控制机床主轴的 i f 语句进行测试 ， 结果显示 其执行时间为 5 2 8 s 一 般的 P L C扫描时间为几毫秒到几 十毫秒 。可见 ， 软 P L C的执行速度得到了大幅度提高。 3 结论 1 利用 V C 编译器成功开发出软 P L C系 统， 并实现了 P L C程序编译 、 运行和基本功能。 2 本文开发 的软 P L C系统经数字示波器结 合 F I X实时子 系统提供的实时函数测试 ， 结果表 明软 P L C的执行速度得到了大幅度提高。 3 数控机床主轴控制 的运行实例证明 ， 所开 发的软 P L C系统能准确可靠地运 行， 达到 了预期 逻辑控制 的 目的， 表明所 开发 的软 P L C系统在开 放式数控系统 中应用稳定 ， 效果 良好 ， 并为软 P L C 在开放式数控系统中的应用提供了借鉴 。 参考文献 [ 1 ] 黄延延 ， 林跃， 于海斌 ． 软 P L C技术研究及实现[ J ] ． 计算机工程 ， 2 0 0 4 ， 3 0 1 1 6 5 1 6 7 ． HU AN G Y a n y a h ，L I N Y u e ，Y U Ha i b i n ．R e s e a r c h a n d I m p l e m e n t a t i o n o f t h e S o f t P L C T e c h n o l o g y[ J ] ． C o m p u t e r E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 3 0 1 1 6 51 6 7 ． [ 2 ]戴晓华， 王文， 王威， 等 ． 开放式数控系统研究综述 [ J ] ． 组合机床与自动化加工技术， 2 0 0 0 1 1 5 7 ． DAI Xi a o - 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