基于开放式数控系统软件的PLC设计

杨金韬

摘 要：从数控技术产生并应用至今，数控系统经历了从专用封闭式体系向开放式模块化结构的发展过程，其辅助控制功能由可编程逻辑控制器来实现，而传统PLC并不能满足开放式数控系统的需求。因此，基于PLC机的采用软件实现控制功能的软PLC技术出现并不断发展起来。本文首先介绍了PLC的概念及特点，之后讲述了PLC结构与工作原理，然后叙述了开放式数控系统对软PLC需求，最后详细介绍了软件PLC的开发运行系统。

关键词：开放式；数控系统；软件；PLC设计

1 PLC的概念及特点

可编程控制器是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控制机，其本质是一台工业控制专用计算机。PLC一般具有以下的特点：运行稳定，可靠性高；控制功能强；编程简单，使用方便；适用于恶劣的工业环境、抗干扰能力好；功能完善，具有各种接口，与外部设备连接极方便；扩充方便，组合灵活，简单易学。

2 PLC的结构与工作原理

2.1 PLC的结构

PLC是由中央处理器（CPU）、存储器、编程器、输入/输出单元、电源和外部设备组成。中央处理单元是整个系统的核心，负责协调各个部分的工作。

2.2 PLC的工作原理

PLC的工作过程是周期扫描的工作过程。通过编程器或其它输入设备输入用户程序存放在PLC的用户存储器中。当PLC开始运行时，CPU根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描，完成各输入点的状态采集或输入数据采集、用户程序的执行、各输出点状态更新、编程器键 入响应和显示更新及CPU自检等功能。PLC的循环扫描工作方式，每个扫描周期分为输入采样、程序执行和输出控制三个阶段。PLC在输入采样阶段，首先扫描所有端子，并将各输入存入内存中各对应的输入映像寄存器。接着进入程序执行阶段，在这个阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论信号如何变化，其内容保持不变直到下一个扫描周期。在程序执行阶段，PLC会按照先左后右，先上后下的顺序对程序进行逐行逐句扫描。当指令中存在输入、输出指令时，PLC从输入映像寄存器中读入上一阶段的状态，从输出映像寄存器读入对应输出映像寄存器的当前状态。然后进行相应的运算，运算结果存入元件映像寄存器中。在输出刷新阶段，在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存寄存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。

3 开放式数控系统对软件PLC的需求分析

数控系统中的PLC按照存在形式可分为硬件PLC和软件PLC，按与CNC装置的关系可分为独立式PLC和内置式PLC，它们有各自的优、缺点。本文主要讲述一下数控系统中最常见的软件PLC的优点：1）具有开放的体系结构：软件PLC具有宽范围的I/O端口和多种现场总线的接口，支持多种硬件，也解决了传统PLC互不兼容的问题。传统PLC的指令集是固定的，软件PLC具有第三方软件接口，可支持多种语言编程（包括高级语言），可允许用户根据需求，灵活扩展系统功能，指令集可以更加丰富。2）遵循国际工业标准：如IEC1131-3标准，大大提高了PLC程序的可读性、可维护性和可移植性。3）能充分利用PC机的资源：如大容量的内存、高速CPU及其它硬件，且更加可靠。4）具有更强的数据处理能力：能够在短时间内处理大量数据，利用PC机的软件平台处理一些比较复杂的数据及数据类型，如浮点数和字符串等。且数据管理更加方便，可以利用操作系统提供的功能，方便地通过建立文件或者数据库的方式管理数据。5）节约成本和培训费用。

4 PLC的开发运行系统及总体结构设计

运行系统是软件PLC的核心，完成输入处理、程序执行、输出处理等工作。通常由I/O接口、通信接口、系统管理器、错误管理器、调试内核和编译器组成。软件PLC运行系统以文件模拟输入、输出映象区，将开发系统生成的程序编译连接成可执行文件运行，用输出结果反映I/O状态的改变。

PLC的基本原理和开发系统应实现的基本功能，将系统分为编辑和编译两大模块。根据IEC1131-3对PLC编程语言的规定和五种语言的各自特点，目前选择了图形模式语言梯形图LD和文本模式语言指令表IL作为本系统的编程语言。因为梯形图是目前应用最广泛的直观的编程语言；指令表语言不但简单易学，而且非常容易实现，且IEC1131-3的其它语言如功能块图、结构化文本、梯形图等都可以转换为指令表语言。由于系统的开放性，可以根据以后的需要，将其他三种编程语言加载到系统中来。根据本实验室已经开发的运行系统，开发系统需要生成的目标代码为C/C++语言的形式。也就是说，开发系统需要将梯形图等编程语言转换为运行系统指定的格式，命令才能运行。这就需要一个解释编译的过程。将梯形图转换为C/C++命令，可以采用两种方法：1）直接法：梯形图表示的电气控制线路呈矩阵排列模式，因此，可以依靠矩阵的运算，将梯形图直接转换为C/C++语言命令，然后用系统自带的C编译器进一步编译运行。2）间接法：梯形图与指令表的一一对应关系，可以把梯形图程序转换为文本形式的指令表语言，再对指令表语言进行处理，最终生成目标代码。

总结：开放式数控系统能很好地解决频繁变化的需求与封闭控制之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台。

[参考文献]

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