0 引言

　　基于PC的控制系統(tǒng)為用戶提供了一個(gè)多功能、集成化的開(kāi)放式平臺(tái)，其特點(diǎn)在于大幅度提高了系統(tǒng)的連接性、靈活性和信息存儲(chǔ)能力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及PLC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，軟PLC這種新興技術(shù)發(fā)展起來(lái)，在保留硬PLC功能的基礎(chǔ)上，具有如下特點(diǎn)：采用面向現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，具有開(kāi)放的通信接口，如以太網(wǎng)、高速串口等，利用各種相關(guān)的國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和一系列的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，全部采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的功能。本系統(tǒng)將Pc與軟PLC相結(jié)合，可以使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，維護(hù)更加方便．而且適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。

1 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的組成

　　本文以ET-300系列數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 ET-300數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的結(jié)構(gòu)示意圖

　　ET-300數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床屬于機(jī)械飛輪驅(qū)動(dòng)式轉(zhuǎn)塔沖床，它由以下幾部分構(gòu)成：

　　1)數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)是轉(zhuǎn)塔沖床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工的核心，它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)塔沖床的工作狀態(tài)以及加工環(huán)境，接受操作人員輸人的操作命令，控制機(jī)床各功能部件協(xié)調(diào)動(dòng)作來(lái)完成加工任務(wù)。數(shù)控系統(tǒng)主要包括主控機(jī)、顯示器、鍵盤(pán)、操作面板以及功能強(qiáng)大的控制軟件。

　　2)伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是轉(zhuǎn)塔沖床的最主要部件之一，它直接驅(qū)動(dòng)各軸運(yùn)動(dòng)，接受數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)命令并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)塔沖床各軸速度、位置的精確控制。伺服系統(tǒng)包括z軸電動(dòng)機(jī)伺服、Y軸電動(dòng)機(jī)伺服、l軸(轉(zhuǎn)塔軸)電動(dòng)機(jī)伺服、c軸(轉(zhuǎn)模軸)電動(dòng)機(jī)伺服。

　　3)電氣系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)塔沖床所用到的各種傳感器，氣動(dòng)控制回路以及數(shù)控系統(tǒng)與電動(dòng)機(jī)、傳感器、氣動(dòng)部件等的連接。電氣柜是電氣系統(tǒng)的樞紐，所有外圍電氣元件或者通過(guò)電氣柜與數(shù)控系統(tǒng)相連，或者直接安裝在電氣柜中。

　　4)機(jī)床床身。主要包括底座、外罩等，為轉(zhuǎn)塔沖床其他部件的安裝提供一個(gè)平臺(tái)，同時(shí)也為機(jī)床正常工作提供安全防護(hù)以及良好的抗震等性能。

　　5)傳動(dòng)系統(tǒng)。包括主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、x軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、t軸(轉(zhuǎn)塔軸)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、c軸(轉(zhuǎn)模軸)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其功能主要是將各伺服軸的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)換成加工中所需的動(dòng)作。主軸采用連桿機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)變?yōu)榇驌纛^的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)等。

　　6)輔助部件。包括定位裝置、工件夾鉗等，主要實(shí)現(xiàn)一些特殊的功能。

2 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)分為兩部分：硬件部分和軟件部分?？刂葡到y(tǒng)硬件部分主要包括IPC，總線系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)和端子系統(tǒng)等，通過(guò)采用EtherCAT以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，工控機(jī)與EtherCAT總線連接．實(shí)現(xiàn)IPC與伺服系統(tǒng)和端子系統(tǒng)的通信，進(jìn)而控制伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)完成相應(yīng)動(dòng)作。端子系統(tǒng)連接外部傳感器和執(zhí)行開(kāi)關(guān)等，來(lái)完成信息的傳輸與反饋。其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。工控機(jī)采用BECKHOFF提供的C6150，配備PC控制面板，EtherCAT總線耦合器選用EKlll0，由機(jī)床的結(jié)構(gòu)示意圖可以知道，該數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床有4根軸，故需配備4個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)分析，選用BECKHOFF的AX2010和AX2020兩種規(guī)格的伺服驅(qū)動(dòng)器。端子模塊選用ELl008—8通道數(shù)字量輸入端子模塊，EL2008--8通道數(shù)字量輸出端子模塊。輸入、輸出端子模塊的個(gè)數(shù)根據(jù)連接外部的傳感器和執(zhí)行器的數(shù)目來(lái)確定。

圖2控制系統(tǒng)的硬件組成示意圖

　　控制系統(tǒng)軟件部分是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)功能的核心部分，主要包括人機(jī)界面(HMI)程序、TwinCAT平臺(tái)、軟PLC、組態(tài)軟件、上位機(jī)程序和操作系統(tǒng)。TwinCAT是軟PLC和組態(tài)軟件的運(yùn)行平臺(tái)，是軟件部分的基礎(chǔ)。上位機(jī)程序基于TwinCAT平臺(tái)上，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)用戶操作命令和TwinCAT控制功能的通信與交互。IPC上采用的是Windows XP操作系統(tǒng)，簡(jiǎn)便友好，符合用戶的需求。

圖3 HMI功能結(jié)構(gòu)圖

　　在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的開(kāi)發(fā)后，設(shè)計(jì)了如圖4所示的人機(jī)界面，簡(jiǎn)潔易操作，符合HMI設(shè)計(jì)原則。同時(shí)根據(jù)生產(chǎn)需求，需要進(jìn)行圖形模擬和實(shí)時(shí)監(jiān)控，圖4中根據(jù)給出的G代碼，能夠在板材上模擬沖孔的過(guò)程，同時(shí)也可以直接生成沖孔完成后的示意圖。

3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

　　人機(jī)界面或稱人機(jī)交互(human computer interaction，HMI)是系統(tǒng)與用戶之間進(jìn)行信息交互的媒介。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，HMI在工業(yè)控制中取得了廣泛的應(yīng)用，接下來(lái)所要做的是設(shè)計(jì)有效便捷舒適的HMI來(lái)完成工業(yè)生產(chǎn)的要求。

　　編程語(yǔ)言采用C#，在Visual Studio．NET 2008上編寫(xiě)繪制HMI，在HMI設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到絕大多數(shù)用戶對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)Windows系統(tǒng)較為熟悉，因此盡量采用兼容標(biāo)準(zhǔn)Windows界面的特征。同時(shí)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際的要求進(jìn)行分析，確定HMI的功能結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

4 基于TwinCAT的軟PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)

　　4.1 軟PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　軟PLC基于PC，通過(guò)軟件方法實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的計(jì)算、控制、存儲(chǔ)以及編程等功能，通過(guò)I／O模塊以及現(xiàn)場(chǎng)總線等物理設(shè)備完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集以及信號(hào)的輸出，它簡(jiǎn)化了工廠的自動(dòng)化的體系結(jié)構(gòu)，把控制、通信、HMI以及各種特定的應(yīng)用全部合為一體，運(yùn)用于同一個(gè)硬件平臺(tái)上，降低了經(jīng)濟(jì)成本，減少了資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了工控領(lǐng)域長(zhǎng)期渴望的量身定制，組態(tài)簡(jiǎn)便，迅速到位的需求。軟PLC系統(tǒng)通常由開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)兩部分組成。如圖5所示。

圖5軟PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　編程系統(tǒng)主要用于PLC應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。運(yùn)行系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理和對(duì)應(yīng)用程序的執(zhí)行，兩者都為同一IPC內(nèi)，兩者之間通過(guò)DLL文件進(jìn)行通信。

　　4.2 軟PLC的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)中軟PLC的實(shí)現(xiàn)通過(guò)BECKHOFF提供的專用軟件TwinCAT，使Pc用作可編程控制器，其編程工具符合IEC 6113l一3標(biāo)準(zhǔn)，可連接所有的公共現(xiàn)場(chǎng)總線和用于I／O信號(hào)的Pc卡，帶用戶接口的數(shù)據(jù)通訊和使用微軟開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)程序(OPC，OCX，DLL)；若對(duì)控制器的可靠性和控制性能要求較高時(shí)，可選擇插槽式PIg；，提高實(shí)時(shí)控制性能，因?yàn)槠鋼碛凶约旱牟僮飨到y(tǒng)，有可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和準(zhǔn)確的重新啟動(dòng)功能。本系統(tǒng)中采用軟件式PLC，即TwinCAT PLC。

　　4.3 TwinCAT PLC的使用

　　TwinCAT PLC作為一種純粹的軟PLC．允許在一個(gè)PC機(jī)上同時(shí)運(yùn)行4個(gè)虛擬“PLC CPU”，每個(gè)可最多運(yùn)行4個(gè)用戶任務(wù)。TwinCAT PLC以順序掃描用戶程序的運(yùn)行方式，周期性地循環(huán)工作。在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，分成輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個(gè)階段。和其他PLC有所不同，TwinCAT PLC在輸入采樣階段，并不是依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)．而是選擇性地讀取?？梢詫winCATPLC的輸入點(diǎn)看成一個(gè)串點(diǎn)序列．每個(gè)串點(diǎn)或某個(gè)串點(diǎn)列都匹配一個(gè)判斷條件，一旦條件不滿足，將跳開(kāi)對(duì)應(yīng)的輸入端點(diǎn)，在該周期內(nèi)不執(zhí)行對(duì)這些輸入端點(diǎn)的讀取。這是TwinCAT PLC自身的一個(gè)特點(diǎn)，可以使得PLC有著更快的執(zhí)行效率。

　　PLC程序可使用一種或多種語(yǔ)言編程。符合IEC61131—3標(biāo)準(zhǔn)：IL(指令表)，LD(梯形圖)，F(xiàn)BD／CFC(功能塊圖)．SFC(順序功能圖)，ST(結(jié)構(gòu)化文本)。如圖6所示為數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的PLC編程環(huán)境，該界面被分為三個(gè)部分：對(duì)象列表、變量聲明和程序表示。人機(jī)界面上的操作，經(jīng)過(guò)I／O模塊進(jìn)行通信，傳送到PLC中，從而改變其中定義的變量值，這些變量都與I／O通道中的端子建有邏輯一物理連接，以此來(lái)執(zhí)行用戶所要求的操作。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　基于PC的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的控制系統(tǒng)，將Pc與軟PLC相結(jié)合，通過(guò)內(nèi)置軟PLC實(shí)現(xiàn)機(jī)床與人機(jī)界面的交互。可以將控制、通信、人機(jī)界面以及各種可擴(kuò)展的應(yīng)用程序集中到一個(gè)多功能集成化的硬件平臺(tái)上，從而大大簡(jiǎn)化了工業(yè)自動(dòng)化的控制結(jié)構(gòu)，對(duì)于迅猛發(fā)展的工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程有著重要的意義。