开放式数控系统软PLC的搭建及开发

开放式数控系统软PLC的搭建及开发

李国学1吴瑕2王伟3

（13科德数控股份有限公司辽宁大连116600；2大连佳和科技有限公司辽宁大连116011）

摘要：如今，随着我国工业技术迅速发展，数控机床凭借其零部件加工精度高、效率高的优势，在我国加工制造业中起着关键作用。传统的数控系统结构封闭、硬件互不相容，不能满足开放式数控系统的要求。基于此种背景下，研究软PLC技术是满足开放式数控系统结构开放的必然要求。因此，文章首先在分析了软PLC研究现状的基础上，对整个系统的硬件平台进行了选择，并搭建了软PLC的硬件平台，以此研究了开放式数控软PLC系统开发及界面的设计，对促进我国制造业水平的发展具有重要意义。

关键词：开放式数控系统；软PLC；系统开发

1软PLC研究现状分析

基于IEC61131-3为PLC编程提供了语法和语义的国际标准，它规范了PLC的基本元素和各种编程语言，这些编程语言包括梯形图(LD)、指令表(IL)和功能块图(FBD)等，所以此标准的出台，促进了软PLC技术的快速发展。而我国对软PLC技术研究的比较晚，在1996年才首次引入软PLC，但是由于当时技术不成熟，因此没有引起足够的重视。迄今为止，国内很多公司在致力于软PLC产品的开发和研究，虽然还没有生产出一套结构完善、功能强大的产品，但是已经取得了一些成果。例如：沈阳自动化所自主研制的NCS-SOFTPLC（软逻辑控制软件）可以完成硬件PLC中CPU的所有功能。沈阳计算机研究所设计的基于RTLinux操作系统的软PLC系统，通过采用模块化的结构，解决了实时内核空间限制的问题。

2开放式数控系统平台及软PLC的搭建

2.1开放式数控系统硬件平台的选择

合理的选择开放式数控系统的控制方案，不仅能够提高机床的控制精度，还能够提高其加工效率。随着CPU的快速发展，PC机不但处理数据的能力越来越快，可以同时处理插补、逻辑运算等多项任务，而且其界面友好，易于操作，使用范围广，性价比高，易于维护和升级，软件资源十分丰富，这有利于发挥开放式数控系统的优势。

在基于PC机的开放式数控系统中，上位机和下位机之间有大量的实时数据交换，这些数据实时、准确的传递直接影响到机床加工的精度，因此必须选择一种最佳的通讯接口。SERCOS(串行实时通信协议)是一种用于数字伺服和传动系统的现场总线接口和数据交换协议，凭借超强的实时数据传输能力，成为了至今为止用于数字伺服和传动控制系统数据通讯的唯一国际标准，被广泛应用于各种数控设备中。通过以上的分析，本文开放式数字控制系统采用的硬件平台如下：（1）AdvantechIPC-610L工控机；（2）RexrothSERCANSIII通讯板卡；（3）AdvantechPCI-1758UDIO板卡及输入、输出接线断子；（4）洛克电子MK-0I-0899-4-4控制面板；（5）Rexroth伺服电机和驱动器（选用的数目由控制轴的个数决定）。

图1I/O板卡安装及调试步骤

2.2软PLC硬件平台的搭建

基于所选择的硬件平台，对软PLC模块进行了硬件搭建。主要涉及I/O板卡的安装以及外围电路的搭建。为了使该板卡在工控机上正常工作，必须安装必要的驱动程序，安装好指定硬件的驱动程序后，关闭工控机插入I/O卡，随后重启工控机，利用驱动提供的AdvantechDeviceManager软件配置硬件，具体步骤如图1所示。

板卡安装完驱动后，要进行外围电路的搭建，外围电路包括控制电路和主电路两部分。控制电路主要是输入、输出接线端子与控制面板以及继电器的线路的连接；主电路则主要是现场设备的电路连接。

3开放式数控软PLC开发系统研究

软PLC开发系统由编辑器和编译器两大模块构成。通过编辑器能够完成梯形图的绘制、编辑、删除等功能；通过编译器可以完成对PLC程序进行前处理和错误分析，以及实现PLC程序语言之间的转换并生成中间代码。同时，开发系统也具有一个良好的用户界面。

3.1梯形图编辑器的实现

3.1.1梯形图编程规则

（1）程序中每一逻辑行都开始于左母线，结束于右母线（当右母线省略时则止于线圈）。（2）输出线圈不能直接和左母线相连，它们之间一定要有触点；但是右母线和线圈之间一定要直接相连，他们之间不可以有触点。（3）程序中的触点能多次使用，用于串、并联结构，但线圈只可并联不可串联。

3.1.2梯形图编辑器的实现

（1）图元的设计与网格的划分

梯形图由左右母线和各类图元组合而成，图元是组成梯形图程序的基本单位。为了能够让使用者快速了解该软件，本系统对梯形图图元进行了合理的设计。在工具栏上选中各图元即可根据ID调取相应的关联函数，实现在梯形图编辑区绘制程序的功能。各图元符号所对应的含义、ID以及所关联的函数如表1所示。

表1图元设计分配

（2）梯形图的绘制

借助划分的网格，在每个网格上可以绘制相应的梯形图图元，由点及面完成梯形图逻辑程序的绘制。当使用者要在某一网格处绘制某个指令时，首先要将输入框定位到该网格，然后单机工具条或者通过鼠标右键选取对应的指令。当选取该指令后，会产生一个WM_COMMAND消息，这个消息会根据该指令的ID调用相应的消息响应函数，在消息相应函数中，就可以完成梯形图绘制的一系列操作。

（3）梯形图的编辑

一个友好的编辑器，在逻辑程序编写好后，必须为用户提供修改的功能，这样可以提高用户的编程效率。该系统的编辑功能主要包括指令的编辑与删除以及一行的插入与删除等功能。

3.2编译器的实现

编译器在软PLC开发系统中占有重要的地位，编译器可分为前处理模块和转换模块两个部分。前处理模块主要负责程序格式的调整（上接第1389页）

以及错误提示，转换模块能够实现将梯形图转化成指令表并生成指定格式的中间代码供运行系统执行。软PLC的编译器开发难度较大，涉及到多个复杂环节。

3.3开发系统的用户界面设计

用户界面是使用者与设备进行信息交换和对话的窗口，是整个程序的基础。开发系统的用户界面主要用来编制程序，以及向运行系统写入数据等功能，合理的设计开发系统用户界面使其具有友好性和直观性，不仅可以给人以美感，还可以使软PLC操作简单，提高使用者的工作效率。用户界面的设计应遵循以下的原则：（1）功能性原则。为了使界面简洁，用户容易上手，需将界面按照不同的功能进行分区，从而使用户便于理解和操作同时以最短的时间熟悉该软件；（2）重要性原则。根据功能的重要性和全局性水平，安排各功能模块在界面中的位置和凸显性，进而使用户更快熟悉与使用该软件。（3）频率原则。根据软件各项功能使用的频率，合理的安排各个功能按钮以及对话框菜单的位置，提高访问该功能的效率。

根据用户界面设计的基本原则，设计了软PLC开发系统的界面如图2所示。在图中我们能看到，设计的界面由标题栏，菜单栏，工具栏，程序编制区以及功能切换区组成。标题栏主要用来显示正在编辑的PLC程序的名称。菜单栏包含软件的所有功能，包括文件处理功能以及梯形图绘制编辑功能等。工具条是菜单常用功能的集合，包括新建、打开、保存等快捷按钮，以及梯形图编程所用的各种图元按钮。程序编制区，主要是显示当前编辑的PLC应用程序。功能切换区，用来选择不同的功能，包括梯形图编程，指令表编程，以及程序写入等功能按钮，写入程序按钮可以将中间代码输出到运行系统。

图2软PLC开发系统界面

参考文献

[1]王国彪.基于开放式数控系统的软PLC开发与应用[D].华南理工大学,2016.

[2]袁小良.智能数控软PLC系统的设计与实现[D].西安科技大学,2016.