0 前言

　　發展柔性結構體系的數控制造裝備及系統，是實現在快速多變而不確定市場環境中對用戶驅動的市場需求做出靈活、快速響應的關鍵。但是，中國的國情決定目前還不可能拋棄仍在大量使用的剛性生產線，在這樣的前提下，本文提出一種介于剛性生產線和柔性生產線之間的生產模式準柔性生產線，也就是充分利用CNC系統的運動控制模組和靈活的PLC控制模塊去整改剛性生產線。

　　對CNC系統的運動控制功能和PLC的順序邏輯控制準柔性生產設備所必須具備的功能。本文以自行研發的LGCNC系統(以DSP運動控制芯片為核心、以嵌入式結構PC為平臺的全閉環機床數控系統，具有良好的動態性能和較高的控制精度)為開發平臺，開發了一種具有一定開放性的PLC組件，將其融合在CNC系統中，由同一個CPU控制。下面著重介紹嵌入式PLC的設計與實現方法。

1 嵌入式PLC的設計規劃

　　嵌入式PLC應能充分借助CNC系統的全部硬件資源，具備友好的界面接口，便于用戶編程和操作。用嵌入式PLC和高級語言C++編程，采用}自}向組件的設計方法，使該組件結構開放、開發和升級更易進行，從而有效地減少開發周期，并日_提供簡單豐富、層次多樣的開發接口，還可作為一個獨立的組件嵌入其他的CNC系統中。

　　PLC組件采用與“LGCNC”系統共用同一個CPU的方案。雖然單獨使用一個CPU，使得PLC用戶程序與CNC程序同時運行，在一定程度上占用了CNC程序的執行時間，但是對基于PC的CNC系統，CPU運行速度的增加完全可以彌補PLC所占用的時間，同時使得PLC組件的軟件程序簡單化，而日_便于擴充PLC功能。

　　1.1 PLC的工作原理

　　PLC采用循環掃描方式工作，一個循環工作過程包括系統初始化、輸入點采樣、執行用戶梯形圖程序和輸出點的刷新幾個階段。(1)系統初始化:在巡回執行梯形圖時，首先要執行系統的初始化，包括參數的輸入，數據表以及一些計數器、定時器初值的設置。(2)輸入點的采樣:每次執行梯形圖時，要對輸入點進行采樣，然后放入I/O緩沖區中，以備后面程序查詢。(3>執行用戶梯形圖程序:執行用戶程序，就是CPU從首地址開始按次序逐個掃描所有存儲器地址，按梯形圖的順序邏輯動作逐個執行。(4)輸出點的刷新:執行完用戶程序后，所有的運算結果都存放在輸出單兒狀態表中，要實現PLC控制，就必須將要控制的信號從狀態表里送到執行兒件，該動作稱為輸出點的刷新。PLC根據梯形圖的動作級別，決定輸出點的刷新時間。對于需要快速響應的，要隨時輸出;對于不必快速響應的，每執行一個循環，就執行一遍輸出點的刷新。

　　PLC控制作為順序邏輯控制，它的控制對象大都是變化緩慢的信號，機械動作更是如此。而PLC每次掃描輸入和邏輯運算的時間僅為毫秒級，甚至微秒級Cal，在邏輯運算過程中，即使輸入信號的狀態發生了變化，也不會影響機械動作的效果。因此，這種輸入采樣、輸出刷新的循環方式能夠符合實際的工作狀態。

　　1.2 PLC組件的軟、硬件結構

　　PLC組件與LGCNC數控系統硬件資源共享，具有60個輸入點和56個輸出點，其中有12個高速輸入點，4個定時時鐘中斷。PLC組件的軟件主要由初始化參數設置模塊、與CNC系統相連的接口模塊、PLC集成編輯系統、PLC程序仿真模塊以及PLC程序執行模塊組成，如圖1所示。

圖1 嵌入式PLC組件的軟件結構

2 嵌入式PLC的軟件實現

　　2.1 嵌入式PLC的集成編輯系統

　　梯形圖編程語言是從繼電器邏輯控制(RLC)演變而來的，工程技術人員利用梯形圖編程語句來表不各設備之間的邏輯控制關系。在編輯狀態下，操作者一在編輯窗口可任意查看和編輯梯形圖的內容。本系統采用日本FANUC的PMC指令系統助記符，包括12條基本指令和33條功能指令。本組件采用面向對象的設計方法來完成，以下為梯形圖顯示和階梯上觸點的存儲和顯示對應的類結構定義。

　　2.2 嵌入式PLC用戶程序的運行

　　(1)PLC運行程序數據結構的定義。在系統內存中首先開辟1K的存儲區域，用于存放PLC的I/O信號狀態，這些信號包括由機床向PLC的輸入信號XO一X63，由PLC向機床的輸出信號Y64~Y127，由CNC向PLC的輸入信號F128~F227，由PLC向CNC的輸出信號6228~6299，內部繼電器8800~R1023，保持型存儲器的數據D300~D799。其中保持型存儲器由20個內部定時器D300~D399,20個內部計數器D400~D499,44個保持繼電器D500~D543和占用256個字節的數據表組成，內部定時器和計數器各占5個字節。對這個區域按位或字節刁一址來實現I/O狀態的掃描和控制。例如，可以用如下指令開辟一塊1K字節的內存區。

　　char } PLC IOSTATE;　　PLC IOSTATE=(char、)mallocC 1024;

　　為了加強軟件的靈活性和可移植性，可用宏定義的方法來實現各種信號起始點對應定位置的定義。然后，定義兩個字符類型的全局變量PLC ST和PLC STO，其中PLC ST相當于一個堆棧，PLC STO用于存放每個階梯的最終執行結果。

　內部計數器/定時器采用軟件的方法實現，它們是PLC內部非常重要的中間資源。一個內部計數器在I/O狀態表內占據連續的5個字節空間，第1,2字節存放計數器的預置值，第3,4字節用于計數，第5字節的第0位用于檢測上升沿，實現脈沖計數，其他位保留。

　　(2)基本指令的實現方法。PLC用戶程序在系統內部以一定的二進制格式存放，每條指令占用4個字節，用于存放該指令的功能以及相應的參數。利用C語言，根據PLC指令集建立一個用戶函數庫，則執行程序的編寫就如同對PLC編程一樣。

　　輸入和輸出單兒的刷新同樣利用一個函數來實現，最后通過輸出口送出控制量，實現PLC控制，嵌入式PLC的基本功能也就完成了。采用時鐘中斷不斷調用執行的方式，實現PLC的循環往復執行。

3 結束語

　　本文開發的嵌入式PLC組件已初步和LGCNC系統融合在一起，充分利用基于PC的CNC系統豐富的軟、硬件資源，實現了和CNC系統的有機結合。該PLC系統可完成的功能主要有:主軸正、反轉和停止的控制，主軸的轉速控制，自動換刀，冷卻液開關，定時潤滑控制等。它的成功開發為準柔性生產設備的大量生產提供了條件。