0 引言

　　隨著開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，采用軟件控制縮小硬件規(guī)模、降低成本是目前高端數(shù)控機床的發(fā)展趨勢。軟PLC以軟件形式實現(xiàn)了傳統(tǒng)PLC的控制功能，具有開放的體系結(jié)構(gòu)、強大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能和更強的數(shù)據(jù)處理能力等特點。目前，國外已有成熟的軟PLC產(chǎn)品，如：Servo Works軟件中的PLC引擎模塊、SOFTPLC公司的SoftPLC、西門子的SIMATIC WinAC等等。國內(nèi)對軟PLC也進行了研究，取得了一些進展。文獻給出了一種基于DSP／BIOS嵌入式的軟PLC執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)架，文獻提出了一種基于tLC／OS．II的軟PLC的實現(xiàn)方法，從一定程度上提升了軟PLC的穩(wěn)定性，但他們采用的是專用操作系統(tǒng)，不符合開放的要求和趨勢，且軟PLC控制系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性與國外相比有很大差距。

　　五軸數(shù)控銑床具有很高的加工精度和效率，能夠一次性完成三軸銑床很難加工的大型、復(fù)雜的自由曲面，但需要其軟PLC控制系統(tǒng)更快地做出響應(yīng)。因此，性能穩(wěn)定的軟PLC和更快的數(shù)據(jù)傳輸速率非常重要。文獻提出了一種基于SERCOS接口的軟PLC系統(tǒng)，但未對軟PLC運行系統(tǒng)深人分析，文獻則詳細描述了軟PLC多任務(wù)的實現(xiàn)方法，但未給出實現(xiàn)函數(shù)等細節(jié)。因此，本文針對上述問題對五軸數(shù)控銑床的軟PLC控制系統(tǒng)進行了研究。

1 軟PLC控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　1.1 軟件平臺的選擇

　　與其它開放的操作系統(tǒng)相比，Windows具有豐富的軟件資源和極高的市場占有率，有利于多任務(wù)軟件的開發(fā)。但它不是實時操作系統(tǒng)，無法滿足軟PLC實時性的要求歸j。可向WindowsXP系統(tǒng)內(nèi)核嵌入實時擴展子系統(tǒng)RTX(Real—Time Extension)解決實這一問題。所以本文選用WindowsXP+RTX5．0作為軟PLC的開發(fā)和運行的軟件平臺，既符合開放的要求，又能滿足數(shù)控系統(tǒng)和軟PLC的實時性。

　　1.2 軟PLC控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　五軸數(shù)控銑床軟PLC的控制流程如圖1所示。當(dāng)有加工信息輸入時，首先軟CNC進行分析、譯碼，然后將M、S、T等開關(guān)量信息交由軟PLC進行處理，最后將CPU處理完的開關(guān)量信息通過I／O接口輸出，通過控制主電路電器元件通斷來驅(qū)動銑床部件動作。

圖1五軸數(shù)控銑床軟PLC的控制流程

　　軟PLC控制系統(tǒng)由開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)兩部分組成。開發(fā)系統(tǒng)是一個標準通用的開發(fā)環(huán)境，采用國際標準IEC61131．3中的五種開發(fā)語言編寫用戶程序，利用通信接口模塊將可執(zhí)行的目標代碼傳送給運行系統(tǒng)。運行系統(tǒng)是整個軟PLC控制的核心，負責(zé)解釋和執(zhí)行用戶程序，將開關(guān)量控制信息輸出給電氣部分，以驅(qū)動設(shè)備動作。

　　合理的設(shè)計軟PLC的結(jié)構(gòu)有利于提升控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)軟件組件的思想，可將軟PLC控制系統(tǒng)分為幾個具有獨立功能的模塊，模塊間定義規(guī)范的接口。五軸數(shù)控銑床軟PLC控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2軟PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　由于軟PLC開發(fā)系統(tǒng)只是提供一個開發(fā)環(huán)境和控制方案，而目標代碼的執(zhí)行是由運行系統(tǒng)完成，因此下面重點對軟PLC運行系統(tǒng)各模塊進行分析。

2 軟PLC運行系統(tǒng)的設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)管理模塊

　　系統(tǒng)管理模塊是軟PLC運行系統(tǒng)的“大腦”，用于運行時分配系統(tǒng)資源，調(diào)度任務(wù)線程并監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)。在一個掃描周期內(nèi)，如何調(diào)度各任務(wù)線程是保證軟PLC穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。本文利用RTXAPI函數(shù)庫中提供的RtSetThreadPriority()函數(shù)根據(jù)執(zhí)行的先后順序設(shè)定各任務(wù)線程優(yōu)先級，當(dāng)某一任務(wù)事件觸發(fā)后，線程隊列中等級最高的線程優(yōu)先獲得CPU時間片被執(zhí)行，從而實現(xiàn)任務(wù)線程的合理調(diào)度。任務(wù)線程執(zhí)行過程如圖3圖示。

圖3軟PLC任務(wù)線程執(zhí)行過程

　　2.2 通信接口模塊

　　通訊接口模塊用于建立軟PLC運行系統(tǒng)與開發(fā)系統(tǒng)、軟CNC、人機操作面板以及其它應(yīng)用程序進行數(shù)據(jù)通訊任務(wù)。其中，軟PLC開發(fā)系統(tǒng)與運行系統(tǒng)采用COM組件方式進行通訊，即開發(fā)系統(tǒng)作為客戶端向運行系統(tǒng)傳送目標代碼，運行系統(tǒng)作為服務(wù)器端接收目標代碼并反饋軟PLC的運行狀態(tài)。

　　軟PLC運行系統(tǒng)與軟CNC、人機操作面板通過訪問自創(chuàng)建的共享內(nèi)存區(qū)單元PLC—CNCbuffer、PLC—Platebuffer進行數(shù)據(jù)交換。由Communication類來實現(xiàn)上述通信任務(wù)。

　　2.3 存儲模塊

　　存儲模塊用來保存軟PLC運行過程中所需的數(shù)據(jù)、操作指令和數(shù)據(jù)地址，可表示為：存儲模塊=數(shù)據(jù)地址+數(shù)據(jù)+操作指令，因此將其分為三個子模塊：用戶程序存儲模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和指令存儲模塊。

　　用戶程序存儲模塊用于保存開發(fā)系統(tǒng)編譯完成的目標代碼。這些目標代碼是C／C++語句；例如ANDx0操作對應(yīng)如下C++代碼：

　　{strcpy(m—statement．m—basicorder．a(chǎn)ddress[O]，”x0”)； ／／提取軟元件X0中保存的數(shù)據(jù)m—statement．m—basicorder．funcname=INSTRUCTION—AndBit；／／提供對數(shù)據(jù)Xo的操作p_execute一>pstru—fun·clist一>insertAtBack(m—statement)； ／／更新鏈表數(shù)據(jù)域中的數(shù)據(jù)}

　　數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲輸入／輸出端子的狀態(tài)、內(nèi)部繼電器、定時器的狀態(tài)和功能塊邏輯運算的中間結(jié)果等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)作為全局變量供軟PLC控制系統(tǒng)各模塊進行訪問和修改。在執(zhí)行用戶程序過程中，CPU根據(jù)指令存儲模塊中指令參數(shù)的地址來訪問數(shù)據(jù)存儲模塊區(qū)，獲取數(shù)據(jù)進行邏輯運算。

　　指令存儲模塊用于存儲PLC指令。每條指令對應(yīng)一個C++函數(shù)，函數(shù)中封裝了對數(shù)據(jù)的操作。例如：邏輯與指令對應(yīng)函數(shù)ReadInputAndBit()，具體實現(xiàn)如下：

　　2.4 程序執(zhí)行模塊

　　程序執(zhí)行模塊用于解釋和執(zhí)行目標代碼，通過調(diào)用相應(yīng)的C++函數(shù)對堆棧進行操作，獲取控制信息。下面以五軸數(shù)控銑床主軸正轉(zhuǎn)梯形圖程序(圖4)說明軟PLC指令的執(zhí)行過程。

圖4五軸數(shù)控銑床主軸正轉(zhuǎn)梯形圖程序

　　圖3所示梯形圖程序執(zhí)行過程如下：

　　第一步：清除堆棧stack，遇到X0串聯(lián)，將X0壓人棧頂；第二步：遇到xl串聯(lián)，彈出棧頂元素，將xl和X0邏輯或運算的結(jié)果壓人棧頂；第三步：遇到并聯(lián)分支點A；創(chuàng)建臨時變量temp=0，將棧頂元素的值賦給temp，并彈出棧頂元素；第四步：遇到)(3串聯(lián)，將)(3壓人棧頂；第五步：遇到X4串聯(lián)，彈出棧頂元素)(3，將X4與X3進行邏輯或運算，結(jié)果壓人棧頂；第六步：遇到并聯(lián)分支點B，彈出棧頂元素，將棧頂元素與temp進行邏輯或運算，結(jié)果賦給temp；第七步：遇到Y(jié)0串聯(lián)，將Y0壓入棧頂；第八步：遇到Y(jié)1串聯(lián)，彈出棧頂元素Y0，將Yl和Y0邏輯與運算的結(jié)果壓入棧頂；第九步：遇到并聯(lián)分支點C；彈出棧頂元素，將棧頂元素與temp進行邏輯或運算，結(jié)果賦給temp；第十步：遇到x2串聯(lián)，將temp與X2邏輯與運算的結(jié)果壓入棧頂；第十一步：遇到Y(jié)0線圈，將棧頂元素的值賦給Y0并彈出堆棧；第十二步：將Y0值輸出，清除堆棧stack。程序執(zhí)行模塊不斷循環(huán)解釋執(zhí)行軟PLC指令，直到執(zhí)行END指令。軟PLC程序執(zhí)行模塊工作過程如圖5所示。注意：這里的跳轉(zhuǎn)指令不是指PLC系統(tǒng)中的跳轉(zhuǎn)指令，而是指梯形圖程序中復(fù)雜的并聯(lián)分支塊引起的跳轉(zhuǎn)。

圖5軟PLC解釋和執(zhí)行指令流程圖

　　2.5 I／O接口模塊

　　I/O接口模塊是軟PLC與輸入輸出設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換的通道，用于將I／O板卡采集到的機床信號寫進輸人映像寄存器，同時將輸出映像寄存器中軟元件的狀態(tài)輸出給端子。I／O讀寫過程分為兩步：第一，根據(jù)五軸數(shù)控銑床電氣I／O端口分配表在軟PLC系統(tǒng)內(nèi)存中建立對應(yīng)物理I／O節(jié)點變量，完成端口配置；第二，調(diào)用I／O接口模塊內(nèi)部的讀寫函數(shù)，在下一個掃描周期開始將軟元件狀態(tài)輸出，完成數(shù)據(jù)交換。

　　為智能讀取數(shù)據(jù)和進一步提高I／O接口物理層的開放性，軟PLC采用圖6所示結(jié)構(gòu)對I／O數(shù)據(jù)存儲區(qū)的變量統(tǒng)一編址。

圖6按字節(jié)、字和雙字方式編址

　　I／O接口模塊采用按位、字節(jié)、字和雙字的尋址方式向讀寫函數(shù)提供操作數(shù)地址，并把I／O數(shù)據(jù)存儲器變量區(qū)劃分為6個區(qū)域，每個區(qū)域存儲相應(yīng)變量數(shù)據(jù)。其中，按位尋址的尾部編址采用了字節(jié)號加分隔符加位號的形式。

3 軟PLC控制系統(tǒng)的接口設(shè)計

　　SERCOS(Serial Real—time Communication System)是一種用于CNC和數(shù)字伺服傳動系統(tǒng)之間通信的數(shù)字接口和數(shù)據(jù)交換協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)控制計算機與數(shù)字伺服系統(tǒng)、傳感器和可編程控制器I／O口之間的實時數(shù)據(jù)通信。SERCOS—III是SERCOS發(fā)展的最新階段，采用光纖傳輸，速率高達100Mbit／s；可利用軟件SoftSERCANS對主站進行控制，縮減了數(shù)控系統(tǒng)的硬件；此外還具有雙環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)¨引，增強了系統(tǒng)的安全性。軟PLC控制系統(tǒng)采用sERCOS一Ⅲ接口可縮減數(shù)據(jù)采集的時間，進一步提升系統(tǒng)的響應(yīng)能力、開放性和可靠性?；赟ERCOS．III接口的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 基于SERCOS·Ⅲ接口的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖7 基于SERCOS·Ⅲ接口的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)SERCOS．III采用報文形式實現(xiàn)主從站的通訊，報文有三種類型：主站數(shù)據(jù)報文MDT、應(yīng)答報文AT和以太網(wǎng)報文。其工作時序如圖8所示。

圖8 SERCOS-Ⅲ工作時序

　　SERCOS-III主站在接收到AT后將所有報文信息存儲到SofiSERCANS創(chuàng)建的共享緩存區(qū)。軟PLC和軟CNC通過指針訪問該存儲單元獲取所需數(shù)據(jù)。類CPLCIOControl提供了訪問該共享區(qū)域的接口。

4 軟PLC運行系統(tǒng)的仿真測試

　　軟4牛-3己臺為WindowsXP+RTX5.0，硬件平臺為PC。利用VC++6．0編輯開發(fā)的軟PLC運行系統(tǒng)仿真界面如圖9所示。運行軟PLC運行系統(tǒng)，當(dāng)點擊主軸正轉(zhuǎn)按鈕時，所對應(yīng)的軟邏輯在輸入映像區(qū)的狀態(tài)發(fā)生改變，通過調(diào)用程序中的指令，將主軸正轉(zhuǎn)控制信號輸出，主軸正轉(zhuǎn)指示燈亮。

　　經(jīng)圖10所示五軸數(shù)控銑床測試，軟PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對五軸數(shù)控銑床開關(guān)量的控制。

5 結(jié)束語

　　通過研究傳統(tǒng)PLC對五軸數(shù)控銑床開關(guān)量信號的控制，利用C++面向?qū)ο蠹夹g(shù)和模塊化的思想編輯開發(fā)了軟PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對五軸數(shù)控銑床開關(guān)量的控制，進一步增強了數(shù)控系統(tǒng)的開放性，促進了全軟件開放式數(shù)控系統(tǒng)和軟PLC技術(shù)的進一步發(fā)展。