基于PLCopen的数控机械控制器研究与开发.pdf

务l 甸 化 基于P L C o p e n 的数控机械控制器研究与开发 Resear ch and de vel opm ent of NC m achi ne cont r ol l er bas ed on PL Cop en 刘艳强，宋永立 L l U Ya n ． q i a n g。 SONG Y o n g ． I i 北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京1 0 0 1 9 1 摘要 “ 数控一代”的发展规划将促进我国机械产品的全面创新和升级换代 ，因此探索研究一套方 便、灵活、通用、高效的控制系统解决方案，成为亟待解决的关键问题。文章以 “ 数控一代” 为背景 ，结合I E C 6 1 1 3 1 3 工业控制编程语言标准和P L C o p e n 运动控制规范 ，开发了完整的 P L C o p e n 运动控制库，并以此为基础研究设计了几种典型的数控机械，最后对P L O o p e n 运动 控制库和数控机械功能库进行了实验验证，从而实现了一套简单、高效、通用、灵活、完整的 数控机械运动控制解决方案。 关键词 数控一代 ；数控机械；I E C 6 1 1 3 1 - 3 ；P L O o p e n ；运动控制 中圈分类号T P 3 1 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 3 0 1 - F - o o 6 3 - o 5 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 1 下 ． 1 8 0 引言 “ 数控一代机 械产品 ”的发展规划 ，通过在 各行业 中推广应用成熟 的数字控制技 术和装置来 促进机械产 品的全面创新和升级换代 。由于各行 业机 械产品种类多样 ，受控设备更是多种多样 ， 因此探索研究一套方便 、灵活、通用 、高效的控 制 系统解决方案，对于方便快速地实现机械产品 的数控化转型 ，具有重要的意义。 I E C 6 1 1 3 1 - 3 编程 语言标准通 过将计算机 技 术领域 的先进编程技 术引入到可 编程 控制器 ，使 得工 业控制程序 的兼容性 、互换性 、开放性 、可 重用性 以及模块化程度显著提高 ，同时为控制 系 统软件 的开发提供 了一种新 的语言和编程方法 。 而P L Co p e n 作为 独立于生产商和产 品的 国际性协 会 ，其 一项主要活动 就是支持 、宣传和推广I E C 6 l 1 3 1 _ 3 国际标准，通过推广标准化的编程语言和 标准化 的运动控制 接 口，实现 了独立于硬件 、高 效 、灵活 、可重用 的运动控制解 决方案，得到 了 ／ [ I B e c k h o f f 、B＆R、Omr o n 等公司的大力推广 。 1 数控机械控制器开发技术背景 1 ． 1 IE C 6 1 1 3 1 3 编程语言标准 I E C 6 1 1 3 1 - 3 标准是在2 0 世纪8 0 年代随着P L C 技术的迅速发展过程中，形成的工业控制领域编 程语言标准 。标准规定 了五种编程语言 ，并对其 数 据类型、变量 结构 、语法规则 、程序组织等做 出了统一 规定。其通过将现代计算机领域先进的 编程技术 ，如结构化和模块化编程 技术、面 向对 象编程技术 、可视化编程技术等，与可编程控制 器编程技术相结合 ，从而为可编程 控制器工业控 制装置和系统控制软件设计提供了新的方法 。 1 ． 2 P L C o p e n 运动控制规范 P L Co p e n 运动 控制规范 ，是为 了解决不 同厂 商 、不 同企业、甚至同一个企业不 同控制对象之 间控制系统和控制解 决方案 的不兼容问题，而由 P L C o p e n 的第二技术小组T C 2 发起的运动控制编程 标准化规范。其通过推行标准化的编程语言和标 准化的运动控制解决方案接 口，实现运动控制解 决方案的标准化 。当前P L C o p e n 运动控制规范包括 以下六部分 1 运动控制功能块。 2 扩展功能块。 3 用户指导 。 4 协 同运动控制功能块。 5 回零过程控制功能块。 6 液压部分扩展功能块。 收稿日期2 0 1 2 - 0 8 - 0 2 作者简介 刘艳强 1 9 8 0 -，男，山西吕梁人，讲师，博士，研究方向为开放式控制系统的软硬件平台技术和用于数 字伺服传动技术的现场总线和实时工业以太网 E t h e r C A T 技术研究。 第3 5 卷第1 期2 0 1 3 - 0 1 下 【 6 3 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务1 lI5 似 这六部分主要包括两 方面的内容 的定义和运动控制功能块接 口的定义。 轴状 态机 和远程的设备进行系统和变量的评估。 P L C o p e n 运动控制功能块主要 包括单 轴、多 轴 以及轴组功能块 ，这些功能块集可分为管理 类 功能块集和运动控制类功能块集 。管理类功能块 并不产生轴 或轴组 的运动控制信息 ，主要完成电 源的开／ 关使能、轴或轴组的状态参数读， 写、运动 参数 的读／ 写 、错误信息的读取等功能。而运动控 制类功 能块 则主要 完成与轴或轴组相关 的运动控 制，如单轴的点位 P T P 控制、轴组的轨迹插补 控制 C P 、回零控制等功能 。 为 了实现 多个功能块之 间，乃至轴与轴之 间 的复合控制，并使控制方案按照一定的时序和逻 辑关系执行 ，P L C o p e n 针对单轴、多轴和轴组的 运动控制定义了两组状态图，如图1 N示为单轴状 态图，图2 所示为轴组状态图。单轴状态图共包括 八种状态 ，轴组状态共包括六种状态，单轴／ 轴组 各个状态的含义 、各状态下可作用的功能块以及 引发相应状态的功能块和条件，可参考文献【 5 ] 。 另 外 ，单轴状 态图和轴组状态之 间具有一定的联 系，轴组状态图处于整个控制方案的最顶层，而 轴组 中的各个单轴则根据单轴和轴组运动状 态之 间的影 响关 系而处于相应的状态 ，具体可参考文 献 [ 5 ] 。图中的箭头 表明了不同状态之 间可能发生 的状态转换 ，其 中实线箭头代表 由相关控 制命令 所 引发的状态转换 ，而虚线箭头则表明了当相关 控制命令作用终止时或发生错误时所引发 的状 态 转换 。任何时刻单轴或轴组总是处于图中所示 的 某一状态 ，并且随着程序的执行，单轴或轴组 的 状 态随 着不 同运动控制功能块的作用以及控制情 况发生转换 。 1 ． 3 1 _ wi n CA T T wi n C AT 是由德国B e c k h o f f _ } 司开发的完全支 持I E C 6 1 1 3 1 - 3 标准的可编程控制 系统开发平台。 其采用基于Wi n d o ws 的控制和 自动化技术 ，通过多 P L C 系统 、NC轴控制 系统 、编程环境和操作站， 可将任何兼容P C“ 改造”成为一台实时控制器， 可取代常规P L C 和NC ／ C N C控制器以及操作设备 。 T wi n C AT P L C C o n t r o l 是T wi n CA T的组 态软 件 ，也是T wi n CAT 软件的核心，其为P L C 编程提 供 了完整的开发环境 ，支持所有的I E C 6 1 1 3 1 3 编 程语言。T wi n CA T S c o p e Vi e w lJ 是T wi n C AT 的附 加软 件，是一种 图形化输 出分析工具 ，可对本地 [ 6 4 1 第3 5 卷第1 期2 0 1 3 - 0 1 下 图1单轴状态图 图2轴组状态图 本文 数控 机 械控 制 器 的开 发设 计 ，是 利 用 T wi n C AT进行P L C o p e n 运动控制功能库的组织结 构设计和P L C编程 ，利用Vi s u a l C 进行运动控制 库函数的开发实现 ，利用T w i n C AT S c o p e Vi e w对 开发的P L C o p e n 运动控制库和数控机械库进行实验 验 证 。 2 P L C o p e n 运动控制库的实现 2 ． 1运动控制功能块总体设计 P L C o p e n 运动控制功能块，是基于I E C 6 1 1 3 1 3 F B D语言编程，采用 “ L o o k a n d f e e l ”的设计 理念定义的，其典型的软件模型如 图3 所示，包括 功能块标识、输入变量、输 出变量、输入， 输 出变 量 以及 内部运动控制算法 。每 定义一个功能块 ， 其实就定义 了一个以该功能块标识为标示符的衍 生数 据 类型 ，用 户可 以 由此定义 一 个或 多个 对 象 ，而输入／ 输 出变量则 由具体运动控制功能块而 定 ，运动控制算法是功能块 的功能核心 ，而这部 分对用户是隐蔽封装的，使用时用户只需根据 自 己的控制需求选取相应 的功能块 ，并设置相 应的 输入／ 输 出变量即可。 功能块对轴的作用机理如图4 所示 。轴数据变 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m