基于CNC的软PLC虚拟机中元件库的研究*

陆丽丽，季建华

(江苏城市职业学院，江苏南通 226006)

0 引言

数控是用数字信息对机械运动和自动化加工过程进行控制的技术，是现代国家制造业信息化水平和国际竞争能力的象征，已有50多年的发展历史。如今，随着市场竞争日趋激烈，被加工零件的精益求精及微型计算机的迅猛发展，软PLC发展成为进一步提高数控技术、实现数控系统开放化的重要手段。软PLC能够充分利用工业控制计算机(IPC)或嵌入式计算机(EPC)的硬件和软件资源，改变传统硬件PLC繁琐、呆板的缺点，全部用软件灵活地来实现数控功能［1］。

1 软PLC虚拟机系统

在数控机床运行过程中，PLC是机床本体与数控装置之间的桥梁。它根据CNC内部标志以及机床的各控制开关、检测元件、运行部件的状态，按照程序设定的控制逻辑，完成对刀库运动、换刀机构、冷却液等的控制功能。

1.1 软 PLC

软PLC采取基于虚拟机的解决方案，分为开发系统和运行系统两部分。开发系统实际上就是编程器，完成调试和编译工作。运行系统是软PLC的核心，完成输入处理、程序执行、输出处理等工作，如图1所示。

图1 软PLC系统的总体结构

1.2 软PLC虚拟机

软PLC虚拟机是相对我们平常所用的实际的计算机而言的一个概念，它是一个假想的模拟实际计算机进行工作的软件系统，由编译器、解释执行器、元件库和管理模块组成，可以完成对图文件的编译、中间代码生成和解释执行，对PLC文件的加载和执行(见图2)。其中，元件库提供了梯形图元件的相关信息，作为一个单独的模块可动态升级，可根据用户的需要进行裁减。这种架构给PLC虚拟机带来了极大的灵活性和可扩展型，是数控系统实现开放化的关键技术。

图2 软PLC虚拟机的结构

2 软PLC中元件库模块的研究

2.1 元件及元件库

梯形图中的触点、线圈和用方框表示的功能块，把这些绘图元素叫做“元件”［2］(见图3)。由于“元件”在梯形图中作为梯形图的绘图元素，因此元件中包括其所具有的自身参数(输入参数、输出参数)和功能函数(逻辑行为)。

图3 梯形图程序举例

所有的元件按照一定的分类规则组合在一起，称元件的组合为元件库。元件库是软PLC虚拟机中独立的模块，包含元件的绘图信息和行为信息，提供了一组对外访问的接口，其它模块通过这些接口获取希望获得的信息。

2.2 元件库的数据结构

由于标准中规定的元件数量较多，为了便于信息查找，可对其建模过程采用按类型分组的策略，功能相近的元件分在同一个元件组中，采用的数据结构是链表。每个元件库包含一个元件组链表，该链表的结点为元件组的信息，每个元件组又包含一个元件链表，结点为元件。标准元件库数据结构如图4所示。

2.3 开发语言及编程工具的选择

开发元件库，可以选择当今业界流行的C++语言，C++是C的派生，是C的超集，是一种面向对象的程序设计语言(Object－Oriented Programming Language，OOPL)，具有封装性、继承性、多态性等独到之处，使程序结构更加清晰，更易于扩充和维护，更加灵活，程序设计者能更好地理解和管理庞大的复杂程序［3］。

图4 元件库的数据结构

3 标准元件库的创建

3.1 实现原则

元件库创建的过程中，采用了C++标准程序库，提供了容器和泛性算法。比如:实现元件库模型中的实体类时，使用了标准库中提供的元素，包括pair、wstring等类型和 list、vector等容器，直接调用容器类提供的成员函数，不但避免了自己设计链表、动态数组等数据结构容易产生的错误，而且对软件的可靠性有了很大的提高，大大提高了开发效率和程序质量。

3.2 元件库的组类

元件的信息分成两部分描述［4］。一部分为静态信息，包括绘图信息和参数信息，抽象出元件基类CBaseUnit，具体的元件类都继承自元件基类，例如元件ID、元件大小、元件名称和参数表等属性的初始化和描述;另一部分为动态信息，也就是元件的行为信息，抽象出行为抽象基类CDictate，具体元件行为的描述都继承自该类，例如纯虚函数Run。通过两部分信息结合，完成对元件描述和类型声明。

由于元件较多，所以采取了分组策略，将标准中规定的功能相关的元件放在一组当中，产生元件组。

对元件组类的声明可以如下:

class CUnitGroup

{

public:

CUnitGroup();

virtual～CUnitGroup();

void AddUnit(CBaseUnit*pUnit);//向元件组中添加元件

成员函数定义略……

private:

unsigned int m_nID;//组ID

std::wstring m_szName;//组名称

std::list＜ CBaseUnit* ＞ Units m_units;//元件组中包含元件链表

};

元件组实例对象可以通过调用AddUnit成员函数向元件组添加元件，使得元件组中成员变量链表的节点是元件对象的指针，对元件的操作可通过遍历元件组来实现。

3.3 标准元件库的实现

标准元件库中共包括触点组、线圈组、程序控制组、计数器指令组、定时器指令组、数学运算组、逻辑运算组等多个元件组，将标准中的元件按功能分配到相应的元件组中。在元件库中需要将具体的元件组组织起来，并且通过公有接口提供给系统中的其它模块。针对元件库的功能出元件库基类CBaseUnitTempl，在该类中包含成员变量std::list＜CUnitGroup*＞namedUnitGroups，该成员变量把元件组的指针作为链表的节点，可以把元件组对象的指针存放在该链表对象namedUnitGroups中。此外，该基类主要包含了一组虚函数，标准元件库继承该基类，并对继承的接口进行重写，元件库中接口按功能主要分为以下4类［4］:

(1)元件库信息相关接口，包括获取元件库ID号、是否是标准元件库等接口。

(2)元件组信息相关接口，包括获取元件组名称、各个元件组中元件的数量、创建新的元件组等接口。

(3)判断元件类型的接口，包括判断元件是否为直线、是否为触点等接口。

(4)元件信息相关的接口，包括获取元件参数类型、获取元件大小、获取元件名称等接口。

4 总结

开放式数控系统是当今数控技术的发展方向，软PLC因具有更好的数据处理能力、网络通讯能力和开放的体系结构，将传统的硬PLC替而代之。笔者以FANUC数控系统作为硬件平台，对软PLC技术进行分析，尤其是元件库模块进行了研究设计，提出了新的解决方案，解决了传统封闭式数控系统兼容性差、功能不易扩展等问题，提高数控系统的开放性、降低成本。

［1］ 任玉田，包 杰，喻逸君，等.新编机床数控技术［M］.北京:北京理工大学出版社，2005:1－2.

［2］ 高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例［M］.北京:人们邮电出版社，2004:1－2.

［3］ 马玉敏，樊留群，李 辉，等.软PLC技术的研究与实现［J］.机电一体化，2005(3):14－27.

［4］ 苏 中，李兴成，李 擎，等.基于PC架构的可编程序控制器［M］.机械工业出版社，2005.