引言

　　在數控機床中,通常用可編程控制器(PLC)對機床開關量信號進行控制。PLC可靠性高,使用方便。但在大多數數控機床,特別是經濟型數控機床中,要求的輸入輸出點數并不多,通常在60點以下,因此,為了降低數控機床成本,在基于工業PC機的數控系統中,可以采用開關量I/O板加外接繼電器,配合主機的軟件對機床開關進行控制。但如果PC機采用單任務操作系統(如DOS),數控系統的所有任務運行都置于一個總體的消息循環中,軟件的模塊化和可維護性較差,系統故障的風險相對集中,而且不能充分利用PC機系統資源。而采用非實時多任務操作系統(如Windows)時,Win32API的設計沒有考慮到實時環境的開發用途,其系統調用的效率不高,不能滿足數控系統PLC控制的實時性要求。

　　為此,本文提出一種基于RT-Linux操作系統的嵌入式PLC,利用RT-Linux的開放性、模塊化和可擴展性的系統結構特性和多線程/多任務的系統環境,在保證實時性的同時,使故障風險相對分散。

數控系統嵌入式PLC的硬件結構

　　數控系統硬件建立在通用工業PC的開放體系之上,數控系統嵌入式PLC硬件包括:工控機及其外圍設備,基于ISA總線的開關量輸入輸出接口卡,光電隔離模塊,繼電器輸出模塊。

　　工控機采用RedHatLinux810+RTLinux311操作系統,數控系統的人機界面、數控代碼處理、軌跡規劃、參數管理以及PLC控制都通過工控機由軟件來實現,不需要獨立的PLC控制器,減少了數控系統對硬件的依賴,有利于提高系統的開放性。

　　I/O輸入輸出信息通過PC機I/O接口卡實現主機與伺服接口模塊和I/O接口模塊之間的信息交換,PC機I/O接口卡基于ISA或者PCI總線。

RT-Linux的體系結構

　　RT-Linux是基于Linux系統并可運行于多種硬件平臺的32位硬實時操作系統(hardreal-timeoperatingsystem)。

　　它繼承了MERT系統的設計思想,即以通用操作系統為基礎,在同一操作系統中既提供嚴格意義上的實時服務,又提供所有的標準POSIX服務。RT-Linux源代碼公開,易于修改,使系統成本降低,源代碼的公開使數控系統的開發擺脫了對國外軟件公司的依賴,有利于提高數控軟件國產化程度。

　　RT-Linux是基于Linux并可運行于多種硬件平臺的多任務實時操作系統。通過修改Linux內核的硬件層,采用中斷仿真技術,在內核和硬件之間實現了一個小而高效的實時內核,并在實時內核的基礎上形成了小型的實時系統,而Linux內核僅作為實時系統最低優先級的任務運行。對于普通X86的硬件結構,RT-Linux擁有出色的實時性和穩定性,其最大中斷延遲時間不超過15μs,最大任務切換誤差不超過35μs。這些實時參數與系統負載無關,而取決于計算機的硬件,如在PII350,64M內存的普通PC機上,系統最大延遲時間不超過1μs。RT-Linux按實時性不同分為實時域和非實時域。

　　實時域在設計上遵循實時操作系統的設計原則,即系統具有透明性、模塊化和可擴展性。RT-Linux的實時內核由一個核心部分和多個可選部分組成,核心部分只負責高速中斷處理,支持SMP操作且不會被底層同步或中斷例程延遲或重入。其它功能則由可動態加載的模塊擴充。RT-Linux把不影響系統實時性的操作(即非實時域的操作)都留給了非實時的Linux系統完成。基于多任務環境的Linux為軟件開發提供了豐富的系統資源,如多種進程間通訊機制,靈活的內存管理機制。

嵌入式PLC的設計及實現

　　嵌入式PLC的模塊組成

　　數控系統的PLC控制模塊實時性要求較高,因而必須在系統的實時域內運行。根據通用數控系統的PLC控制以及數控系統軟件模塊化設計的要求,將數控系統的PLC控制模塊作為RT-Linux系統的實時任務之一,其優先級和調用周期取決于數控系統各任務的實時性要求以及控制要求的響應時間。PLC控制模塊主要完成數控系統的邏輯控制,而被控制的輸入輸出也就是I/O的輸入輸出由PC機I/O接口卡輸入輸出模塊來完成,即完成數控系統的PLC控制需要兩個RT-Linux實時任務,如圖3所示,這兩個任務分別為RT-Task1(以下稱“適配卡輸入輸出”)、RT-Task2(以下稱“PLC控制”)。

其中適配卡輸入輸出主要是完成數控系統的輸入輸出,即各軸位置控制命令的輸出、I/O的輸出、I/O輸入以及位置反饋輸入,它實際上是數控系統控制卡的設備驅動模塊,其優先級在數控系統的各實時任務中為最高級。根據其硬件特征以及運動控制要求,其響應周期為100μs,響應時鐘周期由PC機I/O接口卡上的硬件定時器產生。根據RT-Linux系統對硬件中斷的響應機制,輸入輸出控制任務的實時性是可以保證的,這一點在我們的數控系統已經得到驗證。

　　圖3中PLC控制主要是完成數控系統的PLC控制功能,其任務優先級低于適配卡輸入輸出,同時也低于數控系統的精插補實時任務和位置伺服實時任務。根據通用數控系統的PLC控制要求,確定其響應周期為5ms,響應周期由RT-Linux的軟件定時器產生,根據RT-Linux系統的實時多任務調度機制,PLC控制任務的實時性是可以保證的。在實際應用中也得到驗證。

　　嵌入式PLC的實時任務模塊數據通訊

　　完成數控系統PLC控制的兩個實時任務之間由于需要輸入輸出的數據量(一般情況下為64輸入,64輸出,但輸入輸出根據需要還可以擴展)不太大,因而采用共享內存的通訊方式,在適配卡輸入輸出和PLC控制

兩個實時任務之間開兩塊共享內存,一塊用于適配卡向PLC控制傳輸I/O口狀態信息,另一塊用于PLC控制向適配卡輸入輸出任務傳輸經PLC邏輯處理后的控制信息。
 
　　在這里,兩個實時任務間不采用RT-FIFO進行通訊的原因在于這兩個實時任務間通訊的數據量不是很大,而這兩個實時任務運行周期差別較大,采用RT-FIFO傳輸數據,為了避免FIFO的阻塞,相應地要增加兩個任務間的協調機制,這樣的通訊效果未必比采用共享內存好,而且共享內存的讀寫速度比FIFO相對較快。

　　嵌入式PLC的實時任務的實現

　　適配卡輸入輸出為動態可加載模塊,適配卡輸入輸出模塊(任務)以100μs為周期的硬件定時中斷,完成各軸位置控制指令和I/O的輸出、各軸位置反饋值和I/O的輸入,適配卡輸出值來自于位置伺服任務和PLC控制任務,輸入值來自于適配卡的輸入接口。PLC控制模塊(任務)同樣也是一個動態可加載模塊,它以5ms的軟定時,周期性地從它與總控模塊通訊的RT-FIFO讀取控制信息(如M指令,S指令及T指令),同時從它與適配卡輸入輸出模塊通訊的共享內存中讀取I/O信息,然后進行邏輯處理,最后將結果寫入共享內存供適配卡輸入輸出模塊讀取并輸出。

結論

　　目前該嵌入式PLC模塊已成功應用于清華大學精儀系制造工程研究所THHP-III數控系統(基于RedHatLinux8.0+RTLinux3.1)中,該模塊可以滿足對普通數控系統和加工中心PLC控制要求。