基于PLC的嵌入式數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計

劉霞

摘? 要：由于PLC技術(shù)具備的高可靠性、強(qiáng)抗干擾性、適用于惡劣生產(chǎn)環(huán)境等優(yōu)勢，在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。對此，基于PLC技術(shù)提出一種新的嵌入式數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)，通過對其硬件結(jié)構(gòu)及數(shù)控機(jī)床控制數(shù)據(jù)通信接收、基于PLC的控制數(shù)據(jù)映射設(shè)計，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對數(shù)控機(jī)床控制程序的執(zhí)行。通過對比實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比誤差率更低，更具有應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：PLC;嵌入式;數(shù)控機(jī)床;控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2945（2020）06-0107-02

Abstract： Because of the advantages of high reliability， strong anti-interference and suitable for harsh production environment， PLC technology has been widely used in the field of industrial control. In view of this， a new embedded CNC machine tool control system is proposed based on PLC technology. Through the communication and reception of its hardware structure and CNC machine tool control data， and the design of control data mapping based on PLC， the system finally realizes the execution of CNC machine tool control program. Through the comparative experiment， it is further proved that the error rate of this system is lower than that of the traditional control system， and it has more application value.

Keywords： PLC; embedded; CNC machine tool; control system

引言

PLC也稱為可編程控制器，是由計算機(jī)實(shí)現(xiàn)對繼電器的控制發(fā)展而來的一種全自動化的控制裝置。PLC具備傳統(tǒng)繼電器中操作簡單、成本低廉等優(yōu)勢，同時又具備計算機(jī)中運(yùn)用靈活、功能完備的優(yōu)勢，因此在眾多要求可靠性高且工作環(huán)境惡劣的領(lǐng)域得到而很好的發(fā)展，但目前仍沒有一套結(jié)構(gòu)完善、功能強(qiáng)大的基于PLC的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)[1]。傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的控制主要是通過人為的方式進(jìn)行，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障會嚴(yán)重影響工作人員的人身安全，因此本文提出一種全新的基于PLC的嵌入式數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)，通過對其硬件結(jié)構(gòu)及軟件中的功能進(jìn)行設(shè)計，為工業(yè)控制領(lǐng)域的安全生產(chǎn)提供保障。

1 基于PLC的嵌入式數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于PLC的嵌入式數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)硬件部分是由微型處理器、存儲設(shè)備、輸入輸出設(shè)備以及設(shè)備之間連接的電路組成的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。硬件結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)中的軟件及軟件的運(yùn)行提供良好的運(yùn)行環(huán)境[2]。硬件結(jié)構(gòu)中，嵌入式的微型處理器裝置是本文系統(tǒng)的硬件核心部分，主要負(fù)責(zé)控制整個嵌入式數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行[2]。外部設(shè)備主要用于本文系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床現(xiàn)場的環(huán)境進(jìn)行交互，其中包括用于對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行保留的存儲設(shè)備、計算機(jī)接口設(shè)備以及用于制作控制過程中數(shù)據(jù)表格的打印設(shè)備等。在本文系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用過程中，用戶可以根據(jù)不同的需要，選擇不同的硬件平臺。因此，在系統(tǒng)中的嵌入式計算機(jī)應(yīng)該與標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)完全兼容，并且其它硬件結(jié)構(gòu)也應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)相同，實(shí)現(xiàn)本文系統(tǒng)完成與標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)相同的工作任務(wù)。

保證本文設(shè)計的基于PLC的嵌入式數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)能夠在數(shù)控機(jī)床現(xiàn)場惡劣的環(huán)境當(dāng)中正常的運(yùn)行，在系統(tǒng)輸入接口處位置的連接線路選用具備光電隔離工能以及濾波功能的電路[3]。輸入接口的線路主要用于接收和收集開關(guān)量輸入的信號以及模擬量信號。通過微型處理器設(shè)備的輸入接口線路一般是由寄存設(shè)備、選通線路以及帶有中斷請求邏輯的線路三部分構(gòu)成，將以上三種組成結(jié)構(gòu)連接在一個芯片上形成完整的電路集成。

在輸出接口線路中的繼電器裝置輸出時，由于繼電器裝置上的線圈與兩個導(dǎo)體間可供電流通過的接觸面是相互隔離的，因此可以將其分別連接在具有不同性質(zhì)以及不同電壓等級的電路當(dāng)中。根據(jù)這一原理，在本文設(shè)計的系統(tǒng)上可以利用PLC將繼電器裝置輸出電路中的內(nèi)部電路與PLC的外部驅(qū)動在電路中間完全的隔離，實(shí)現(xiàn)兩部分結(jié)構(gòu)在不受另一方影響的情況下，穩(wěn)定的運(yùn)行。

2 基于PLC的嵌入式數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于PLC對嵌入式數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)軟件功能的設(shè)計包括對數(shù)控機(jī)床控制數(shù)據(jù)通信的接收功能、基于PLC的控制數(shù)據(jù)輸入映射功能、控制狀態(tài)值邏輯處理功能以及控制程序最終的執(zhí)行功能。圖1為基于PLC的嵌入式數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)運(yùn)行基本流程。

根據(jù)圖1中系統(tǒng)的運(yùn)行基本流程對系統(tǒng)中數(shù)控機(jī)床控制數(shù)據(jù)通信接收、基于PLC的控制數(shù)據(jù)映射以及實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床控制程序執(zhí)行進(jìn)行詳細(xì)的說明。

2.1 數(shù)控機(jī)床控制數(shù)據(jù)通信接收

數(shù)控機(jī)床控制數(shù)據(jù)通信接收是系統(tǒng)運(yùn)行的第一個階段，是通過接口板獲取端口上的控制數(shù)據(jù)信息[4]。由于在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，控制數(shù)據(jù)信息常常會存在無效數(shù)據(jù)。因此，需要利用PLC以掃描的方式，按照控制順序?qū)邮盏降目刂茢?shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將其中有效的控制數(shù)據(jù)填入到存儲器當(dāng)中，再進(jìn)入系統(tǒng)的處理階段當(dāng)中。在進(jìn)行程序控制執(zhí)行的階段，通過數(shù)控機(jī)床控制數(shù)據(jù)通信接收保證當(dāng)輸入的控制數(shù)據(jù)發(fā)生變化的情況下，存儲器當(dāng)中已有的控制數(shù)據(jù)不會受到影響發(fā)生改變，控制數(shù)據(jù)的改變只會通過在下一階段中的控制數(shù)據(jù)通信接收改變。

2.2 基于PLC的控制數(shù)據(jù)映射

當(dāng)完成數(shù)控機(jī)床控制數(shù)據(jù)通信接收后，再次通過系統(tǒng)的計算機(jī)接口實(shí)現(xiàn)對控制數(shù)據(jù)的通信，并獲取到2個8位數(shù)的16進(jìn)制數(shù)，通過對該數(shù)據(jù)進(jìn)行映射，最終獲取到每個控制點(diǎn)位上的數(shù)值，再用特定的變量對每個點(diǎn)位的數(shù)值進(jìn)行保存，實(shí)現(xiàn)區(qū)域性映射[5]。基于PLC的控制數(shù)據(jù)映射是系統(tǒng)中一項(xiàng)十分重要的環(huán)節(jié)，只有通過這一環(huán)節(jié)才能將用戶輸入的參數(shù)信息轉(zhuǎn)換為具體的功能，從而在系統(tǒng)當(dāng)中實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)機(jī)床的控制。通過本文上述數(shù)據(jù)的采集階段，已經(jīng)將用戶編寫的語言程序轉(zhuǎn)變?yōu)榱讼到y(tǒng)可以運(yùn)行的數(shù)據(jù)，再利用計算機(jī)接口板的端口狀態(tài)對信息進(jìn)行實(shí)時的存儲，并將其輸入到映射區(qū)域當(dāng)中，通過映射環(huán)節(jié)再將數(shù)據(jù)中原本的語義、詞義等分析出來，從而做出正確的控制。

2.3 實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床控制程序執(zhí)行

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對數(shù)控機(jī)床控制程序執(zhí)行，首先需要根據(jù)用戶實(shí)際輸入的信息，經(jīng)過控制程序執(zhí)行后得到相應(yīng)的預(yù)想結(jié)果[6]。在邏輯構(gòu)造當(dāng)中，根據(jù)設(shè)備元件的各項(xiàng)信息將保留的輸出控制數(shù)據(jù)的變量與系統(tǒng)中對應(yīng)的位置進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備元件與系統(tǒng)端口額的額狀態(tài)數(shù)值實(shí)時連接的效果。

通過編譯環(huán)節(jié)將控制程序差分成多個不同的單元，再將其分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在每個邏輯當(dāng)中都分別對應(yīng)一個數(shù)據(jù)機(jī)床上的設(shè)備元件，節(jié)點(diǎn)位置表示各個控制邏輯與邏輯功能的節(jié)點(diǎn)。再對邏輯進(jìn)行后序周游，并在后序周游的過程中，系統(tǒng)開始對各個控制命令進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果輸出到映射區(qū)域。最終通過映射區(qū)域輸出的結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的控制程序，實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床的控制。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

首先將本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)共同建立在實(shí)時操作系統(tǒng)環(huán)境當(dāng)中，分別選取兩種規(guī)格、型號完全相同的數(shù)控機(jī)床作為實(shí)驗(yàn)對象，設(shè)置本文系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)為對照組，分別在實(shí)驗(yàn)組和對照組中添加一位實(shí)驗(yàn)人員作為系統(tǒng)的使用用戶，對兩組系統(tǒng)輸入同樣的數(shù)控機(jī)床控制信息，待兩組系統(tǒng)均完成相應(yīng)的運(yùn)行后，將兩組系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)記錄的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計算出兩組系統(tǒng)的誤差率，并繪制成如圖2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比圖。

從圖2中的兩條曲線可以看出，實(shí)驗(yàn)組的誤差率明顯低于對照組的誤差率。且實(shí)驗(yàn)組的誤差率曲線波動幅度較緩，而對照組的誤差率波動幅度較大。因此通過對比實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于PLC的嵌入式數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)對數(shù)控機(jī)床的控制準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性更高，更適用于實(shí)際工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)機(jī)床的控制。

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中存在的問題，結(jié)合PLC的優(yōu)勢，提出一種基于PLC的嵌入式數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)，并通過對比實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。但本文在研究的過程中仍然存在某些方面的問題，例如系統(tǒng)中除控制功能外其它功能涉及較少、系統(tǒng)本身可支持的元件較少等。因此在后續(xù)的研究中，還將針對這兩個方面的問題進(jìn)行更加深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]高羅卿，莊源昌.基于OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)WINCC與FANUC數(shù)控機(jī)床的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2019，38（01）：169-172.

[2]雷楠南.西門子802D系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床模擬主軸控制與調(diào)試[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2019，18（01）：4-9.

[3]陶慧.“數(shù)控機(jī)床安裝調(diào)試與維修”課程自主進(jìn)程教學(xué)改革研究[J].工業(yè)和信息化教育，2019，38（05）：70+79.

[4]司昌練.基于電液位置伺服系統(tǒng)機(jī)床滑臺模糊自適應(yīng)控制研究[J].液壓氣動與密封，2019，39（05）：32-37.

[5]徐世卿，夏永紅，張建國，等.淺談FANUCio-MD數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)伺服驅(qū)動器的記憶裝置改造[J].科技風(fēng)，2019，38（21）：156-157.

[6]關(guān)進(jìn)良，戰(zhàn)祥鑫，岳維超，等.大型數(shù)控機(jī)床故障診斷研究[J].中國設(shè)備工程，2019，38（15）：99-101.