在數控系統中，可編程邏輯控制器(PLC)在處理開關量輔助控制問題時起著重要作用，它主要負責NC側和機床側的邏輯信號處理。在NC側，CNC向PLC發送M,S,T等輔助功能代碼信息;PLC將M, S, T命令的應答信號回送給CNC,并且控制CNC設置各坐標的機床基準點。在機床側，PLC向機床傳送控制機床執行的信號，機床將其操作面板上開關、按鈕信號等傳送給PLC。以前，需要根據數控機床的控制要求來分析PLC與CNC及PLC與機床之間的信息交互種類和信息交互量，然后選用相應的外部硬件PLC，或者在系統設計時將硬件PLC嵌入到NC硬件中口這種方法突出的缺點是開放性差，設計一旦定型就很難更改。

　　隨著計算機及相關技術的發展，使用工業PC機、基于開放式結構已成為數控系統發展的主要方向。與這種情況相適應，基于PC平臺的嵌入式軟件PLC由于無需專門的編程器，可以充分利用PC機的軟硬件資源，直接采用梯形圖或語言編程，具有良好的人機界面等優點，在數控系統中正逐漸取代硬件PLC成為該領域輔助功能控制的新方法。

　　本文討論我們開發的開放式數控系統中所采用的軟PLC技術。PLC功能在我們的數控系統中作為一個子系統得以實現，該子系統支持梯形圖和語言兩種編程方式，梯形圖和語言之間可通過一個通用數據結構進行相互轉換，同時這個通用數據結構也是PLC執行模塊的輸入。目前該子系統支持30個國際通用的PLC基本指令和功能指令，能滿足絕大多數PLC應用的需求。

1 軟件PLC系統的結構

　　在數控系統開放性要求越來越高的今天，硬件PLC的缺點越來越突出，主要表現在:

　　兼容性差:生產廠家眾多，各種機型互不兼容，沒有統一的標準，在編程元件的種類、數目、編程語言等方面各不相同;

　　封閉、擴展能力差:產品的功能實現有賴于硬件，數據結構相對封閉，用戶難以改變或增添PLC的功能;

　　對使用者的素質要求高:現行的PLC產品，其編程方式要求使用者對PLC的硬件結構、PLC電氣原理、編程指令均要有相當的了解，不利于PLC的進一步推廣使用；

　　可維護性差:當PLC出現故障時，需由專業人員用專用工具檢測硬件，再維修硬件;

　　成本較高。

　　為了解決目前數控機床和數控系統中PLC存在的問題，我們在基于Wintlows2000的開放式數控系統開發中對軟件PLC進行了研究和開發口開發原則是體現開放式數控系統的要求，采用統一的數據結構和開放的外部接口，PLC控制功能的完成不依賴于具體的硬件，編程元件的數目、種類可根據需要動態添加，無需更改硬件，降低PLC編程進門門檻，降低整個數控系統的成本。

　　1.1 軟件PLC的結構

　　基于Winoows2000的開放式數控系統軟件在物理上可劃分為在計算機CPU上運行的上位機部分和在運動控制卡DSP處理器上運行的下位機部分。因此PLC子系統也可分為上、下位機兩大部分，上位機又可分為離線的PLC程序編輯部分和在線的PLC執行人機界面部分，其結構如圖3所示。

　　上位機離線部分主要完成PLC梯形圖編程、語言編程、梯形圖程序語法檢查、梯形圖程序邏輯檢查、語言程序語法檢查、語言程序邏輯檢查、梯形圖程序與通用數據結構雙向轉換、語言程序與通用數據結構雙向轉換;上位機在線執行部分通過人機界面控制和反饋下位機對PLC程序的執行;PLC程序的具體執行由下位機在線處理。其中:

圖1 軟PLC結構圖

　　梯形圖和語言編程模塊在Windows2000環境下負責離線PLC圖形化和語言化編程;

　　梯形圖程序語法檢查模塊檢查用戶PLC圖形程序有無

　　指令標記重復、指令地址越界等語法錯誤;

　　梯形圖程序邏輯檢查模塊檢查PLC圖形程序有無邏輯錯誤，如指令位置不正確、梯級中缺少輸出指令等;

　　語言程序語法檢查模塊檢查用戶語句程序有無拼寫、指令格式、指令地址越界等語法錯誤;

　　語言程序邏輯檢查模塊檢查語句表程序是否存在邏輯錯誤，如RD X2.0AND. STK就是錯誤指令段，因為AND.STK操作需要堆棧中至少有兩個有效位，若將該指令段改為RDX2.0RD X2.1AND. STK其邏輯就正確了，同理，指令段RnR2.0RD X2.1AND. STKG1.2SUB9PRM2也是錯誤的PLC指令段，因為COM指令只需要一個控制條件，而該指令段有兩個控制條件;

　　梯形圖與通用數據結構雙向轉換模塊對梯形圖程序解釋得到一個通用的數據結構，從這個通用數據結構反過來也可得到梯形圖程序;

　　語言程序與通用數據結構雙向轉換模塊對語言程序解釋得到一個通用的數據結構，從這個通用數據結構反過來也可得到語言程序;

　　PLC執行模塊在實時多任務環境下實現在線PLC功能。

　　通過通用數據結構的銜接，實現了梯形圖程序和語言程序的雙向轉換，而且這個通用數據結構也是PLC執行模塊的輸入。

　　1.2 軟件PLC白勺特點

　　相對于硬件PLC來說，軟件PLC具有下述特點:

　　(1)傳統PLC的功能以應用軟件的形式實現。軟件PLC實際上就是傳統PLC的功能以應用軟件的形式實現，這是軟件數控的表現形式，也是開放式數控系統的要求。軟件數控可以認為是開放式數控的高級階段，軟件數控的主要特性表現在兩個方面:一是高度開放的體系結構;二是應用軟件的表現形式，即系統的主要功能部件均表現為應用軟件的形式。軟件化可大大增強了系統的伸縮性和可調節性，從而使其體系結構實現高度開放性成為可能。

　　(2)易于實現與硬件無關性要求口軟PLC控制功能的完成不依賴于具體的硬件，不存在機型不兼容問題;編程軟元件的數目、種類可根據需要動態添加，無需更改硬件。

　　(3)統一的數據結構易于實現深度的系統開放。由于采用統一的數據結構，對特定機床，只需編寫相應的梯形圖程序或語句程序，不必另加硬件或另外重新設計軟件，這簡化了PLC的使用，使數控系統有可能向深度方向開放。這種靈活的實現機制有望大幅度提升數控系統的控制性能，促使數控系統的智能化時代早日到來。

　　(4)方便用戶使用。由于在Windows2000圖形化界面下完成用戶梯形圖或語言程序編制，并可實現梯形圖和語言的相互轉化，降低了PLC編程進門門檻。

　　(5)成本低口PLC的控制功能由軟件完成，這種實現形式上的變革使得系統可以更方便、更廣泛地應用計算機技術的先進成果，簡化系統實現難度，縮短研發周期，有助于技術創新，可相應降低整個數控系統的成本。

2 PLC程序圖形化編程環境的實現和梯形圖與語言的轉換

　　2.1 PLC程序圖形化編程環境的實現

　　PLC圖形編程環境采用雙向鏈表數據結構描述和記錄屏幕編輯位置的狀態。該鏈表的數據結構如下:以梯形圖每行的頭指針作為鏈表的一個節點，每個節點指向一個動態數組，動態數組的每一元素中存儲的是特定行的梯形圖元素。PLC有2類指令:基本指令和功能指令。基本指令共12個，完成簡單的“與”、“或”等基本邏輯運算;功能指令共24個，實現定時、記數、譯碼、加、減、乘、除等復雜功能口單個梯形圖元素的數據結構為:

　　2.3 語言程序轉換為梯形圖程序的算法

　　語言程序轉換為對應梯形圖程序的算法如下:

　　(1)讀取一條PL.C.指令，若為指令結束標志則轉(6)口若為RD,RD. NOT等建立新梯級指令則轉(2):若為AND, AND用.NOT或OR , OR .NOT或RTI.STK, RD.NOT. DTK或TMR01、SUB5等增加梯形圖的列或行的指令則轉(3);若為DR.STK,AND.STK等塊并聯指令則轉(4):

　　(2)添加一新數組元素，根據當前指令和上一梯級最大行值填寫該數組元素的數據域;

　　(3)添加一新數組元素，根據當前指令和前一數組元素數據域信息填寫新數組元素的數據域;

　　(4)添加一新數組元素，根據因DR.STK、AND.STK增加的數組元素數目修改前一數組元素數據域的連接方式，然后刪掉因OR.STK指令和}AND.STK指令增加的數組元素;

　　(5)轉(1);
　　(6)按動態數組各元素數據域的信息繪制梯形圖。

　　此算法稍作修改就可作為梯形圖程序向語言程序轉換的算法:此時指令結束標志、建立新梯級指令、行或列增加指令、塊并聯中表示連接方式的DR.STK, AND.STK指令等均表現為相應的梯形圖符號口

3 PLC程序的執行

　　數控系統中的PLC根據所處理機床事件的實時性要求，可劃分為高級PLC和低級PLC。前者主要處理急停、超程、循環啟動、進給保持等實時性要求較高的事件，后者處理機床控制面板輸入和輔助功能M、S、T)等實時性要求較低事件。

　　對每一個PLC指令，都需要編寫好其對應的執行函數，建立函數地址表口當PLC程序執行時，查詢指令鏈表并從函數地址表中調用執行函數。

　　3.1 PLC程序在內存中存儲的數據結構

　　上位機PLC程序在內存中的表示使用了動態數組，這樣可以將PLC程序直接存儲為相應的文件，以便將來的修改等操作。對下位機而言，一個好的數據結構對提高系統的執行效率是非常關鍵的，特別是對數控系統這種具有較高實時性要求的系統更是如此，而由于下位機不是在Windows2000下運行，因此需要對上位機數據結構作較小的轉換?？疾霵LC指令系統發現:基本上每個功能指令前面都有一個或幾個基本指令作為控制指令，對于沒有控制指令的功能指令，可為其增加一空操作(NOP)指令作為控制指令，這樣就可利用每一個功能指令與它的最后一個基本控制指令，將功能指令同基本指令聯系起來，即用圖2所示的鏈表結構來實現PLC程序在內存中的存儲。

　　該鏈表的數據結構如下:

　　3.2 PLC程序的執行算法

　　PLC的執行如圖2所示:當某級PLC程序被調用時，頭指針指向基本指令鏈表的表頭，然后沿鏈表往后移動并執行相應的指令，一直到該級PLC鏈表的結尾為止。在執行過程中，當某一基本指令鏈接有功能指令時，即基本指令為功能指令的最后一個控制條件時執行該功能指令口當功能指令執行完后，返回到基本指令并執行下一個基本指令。在PLC執行過程中，各指令邏輯操作的結果暫存于“堆棧寄存器”中，同時各指令也從“堆棧寄存器”中獲取中間結果參與邏輯運算口所謂“堆棧寄存器”是一個16位的內存區，所涉及的“移位”，“與”，“或”等基本邏輯操作是用C語言的相應邏輯運算來實現的。

　　PLC執行程序的具體算法可用偽代碼表示如下:

4 PLC程序編輯和轉換實例

　　編輯PLC梯形圖程序時，只需用鼠標單擊窗口左側工具欄中的圖標，在左窗口的相應位置即可白動畫出需要的梯形圖元素口通過雙擊已畫出的梯形圖元素，可彈出對話框。在對話框的標記欄和地址欄中可分別輸入該元素的標識和地址，如W1和Y1.0;在對話框的參數欄中可輸入參數，如20和R30整個梯形圖編輯過程非常直觀、簡單。通過點擊程序生成菜單中的語句生成生成子菜單，可實現梯形圖程序向語句程序的轉換，如圖3。編輯PLC語言程序時，可在右窗口輸入PLC指令，如RD X7.0口同理點擊程序生成菜單中的梯圖生成子菜單，可將右邊的語言程序轉換成左邊的梯形圖程序。

圖2 PLC編輯界面

5 結束語

　　本文提出的內嵌式軟PLC在基于Windows2000的開放式數控系統中的實現方法體現了數控系統的開放性要求，易于實現與硬件無關性要求，統一的數據結構易于實現深度的系統開放，方便的編程環境、靈活的編程方式可降低PLC編程進門門檻，方便用戶使用，另外該方法降低了系統成本。