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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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.可靠性也比較高。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(guò)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(kāi)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(guò)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(wú)需復(fù)雜的通訊協(xié)議，NC可以隨時(shí)了解外部設(shè)備開(kāi)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(wú)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(wèn).運(yùn)用Watch Dog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(wú)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(kāi)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(xiě)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(kāi)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(wèn)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(kāi)關(guān)做出相應(yīng)的動(dòng)作。但該部分不涉及電氣操作過(guò)程中的細(xì)節(jié).考慮到數(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(kāi)，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(guò)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(kāi)關(guān)編號(hào)為1，冷卻開(kāi)關(guān)編號(hào)為2，……,

　　則開(kāi)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(wú)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(wú)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(kāi)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(kāi)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(kāi)放化數(shù)控系統(tǒng)。目前對(duì)開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境.具體如何實(shí)現(xiàn)開(kāi)放化特別是軟件的開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)中.從使用效果來(lái)看，其開(kāi)放的接口標(biāo)準(zhǔn)以及與設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)有助于減少編寫(xiě)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。