陶瓷快速成型機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟PLC模塊的實(shí)現(xiàn)

高 帥， 陳嬋娟， 張 強(qiáng)

GAO Shuai, CHEN Chan-juan, ZHANG Qiang

（陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

陶瓷快速成型機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟PLC模塊的實(shí)現(xiàn)

Implementation of soft plc module for ceramic rapid prototyping cnc

高 帥， 陳嬋娟， 張 強(qiáng)

GAO Shuai, CHEN Chan-juan, ZHANG Qiang

（陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

基于開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)，結(jié)合GT400運(yùn)控卡豐富的I/O資源，利用C++語(yǔ)言成功開發(fā)出了符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的軟PLC功能模塊。主要包括程序編輯器、虛擬存儲(chǔ)區(qū)及其尋址方式的設(shè)計(jì)，通過(guò)回調(diào)函數(shù)加循環(huán)的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC功能的軟件“封裝”。能夠較好地完成陶瓷快速成型機(jī)的控制要求，擴(kuò)展性強(qiáng)，便于移植到其他數(shù)控系統(tǒng)中。

快速成型；軟PLC；虛擬存儲(chǔ)區(qū)；指令函數(shù)

0 引言

快速成型技術(shù)（RP）是一種全新的敏捷制造技術(shù)，在陶瓷零件的制造中具有較好的使用前景。為了進(jìn)一步改善陶瓷零件的制造工藝，采取將激光薄片疊層制造(LOM)與熔融沉積成型(FDM)相結(jié)合的技術(shù)，將去除材料的雕刻機(jī)改造成為添加材料的快速成型機(jī)[1]。針對(duì)新工藝的控制要求，在構(gòu)建開放式陶瓷快速成型機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的過(guò)程中，開發(fā)性能優(yōu)越的軟PLC功能模塊顯得尤為必要。筆者分析了新型陶瓷快速成型機(jī)的工作原理和控制要求，在Windows操作系統(tǒng)下利用C++語(yǔ)言成功開發(fā)出了陶瓷快速成型機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的軟PLC功能模塊。

1 新型陶瓷快速成型機(jī)的工藝流程和軟PLC的控制方案

陶瓷快速成型機(jī)的工藝流程為：首先在工作臺(tái)上鋪設(shè)一定厚度的石蠟層，待其冷卻之后，再銑削雕刻每一層的形狀，以利于后繼陶瓷漿料的填充。敷料運(yùn)動(dòng)主要分為水平運(yùn)動(dòng)和豎直運(yùn)動(dòng)。加熱和攪拌在整個(gè)過(guò)程中一直進(jìn)行，并且石蠟料斗和陶瓷料斗不能同時(shí)開合。在刻刀回位后，水平電機(jī)再重新工作，并且要?jiǎng)蛩賻?dòng)料斗平穩(wěn)運(yùn)行，保證鋪料均勻。當(dāng)以自動(dòng)方式結(jié)束一個(gè)循環(huán)時(shí)，系統(tǒng)又處于初始狀態(tài)[2]。因此，陶瓷快速成型機(jī)的工作過(guò)程需要豐富的I/O控制功能。

軟PLC技術(shù)是一種基于IPC或EPC的將PLC的控制功能“封裝”在軟件內(nèi)的控制技術(shù)。它不但具有傳統(tǒng)PLC的控制功能，而且具有系統(tǒng)開放、開發(fā)靈活、易于與網(wǎng)絡(luò)鏈接的特點(diǎn)[3]。根據(jù)軟PLC的特點(diǎn)，將其分為開發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)，兩者運(yùn)行于同一個(gè)IPC平臺(tái)。由于GT-400運(yùn)動(dòng)控制器具有豐富的I/O接口資源，軟PLC系統(tǒng)采用基于IPC的控制方案，如圖1所示。

圖1 軟PLC系統(tǒng)的控制方案

2 軟PLC模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟PLC系統(tǒng)的各功能模塊如圖2所示。

2.1 開發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

開發(fā)系統(tǒng)的編輯模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC程序的錄入，編譯模塊將PLC程序準(zhǔn)確翻譯成運(yùn)行系統(tǒng)可以識(shí)別的C語(yǔ)言代碼，通信接口負(fù)責(zé)與運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

2.1.1 編輯模塊的開發(fā)：

本系統(tǒng)以梯形圖和指令表作為編程語(yǔ)言[4]。由于系統(tǒng)的開放性，可以方便地將IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)中的其他三種編程語(yǔ)言加載到系統(tǒng)中來(lái)。

圖2 軟PLC系統(tǒng)各功能模塊

對(duì)于梯形圖編輯器，首先設(shè)置梯形圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并存儲(chǔ)在雙向鏈表的節(jié)點(diǎn)中，通過(guò)對(duì)鏈表地具體操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。指令表是一種字符型的文件，通過(guò)在對(duì)話框中加入CEdit類控件即可實(shí)現(xiàn)指令表的編輯。在梯形圖向指令表的轉(zhuǎn)化中，采用基于二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換算法，利用二叉樹與梯形圖的結(jié)構(gòu)相似性，建立梯形圖和語(yǔ)句表之間的聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)換。編輯界面如圖3所示。

圖3 梯形圖編輯界面

2.1.2 編譯模塊的開發(fā)：

為了使PLC程序通過(guò)運(yùn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制功能，需要將指令表編譯為運(yùn)行系統(tǒng)能夠識(shí)別的代碼。

編譯程序是一個(gè)高度復(fù)雜的程序，尤其是詞法分析和語(yǔ)法分析部分任務(wù)繁雜，這里采用可以在Windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行的Bison和Flex軟件的結(jié)合來(lái)自動(dòng)準(zhǔn)確地生成C語(yǔ)言的分析程序[5]。

2.2 運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

運(yùn)行系統(tǒng)是PLC程序的運(yùn)行載體，主要功能是與開發(fā)系統(tǒng)的通信、目標(biāo)代碼的執(zhí)行和各種I/O硬件的驅(qū)動(dòng)。

2.2.1 軟PLC虛擬存儲(chǔ)區(qū)的設(shè)計(jì)

由于基于堆棧的數(shù)據(jù)處理方式方便快捷，本設(shè)計(jì)采取基于堆棧的數(shù)據(jù)處理方案來(lái)進(jìn)行函數(shù)調(diào)用。首先，將PLC的存儲(chǔ)區(qū)定義為一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量，成員分別為PLC的各存儲(chǔ)區(qū)，類型定義為字節(jié)型變量(char)。

該結(jié)構(gòu)體定義的部分代碼如下：

在設(shè)計(jì)中，虛擬存儲(chǔ)區(qū)的輸入映像區(qū)和輸出映像區(qū)是用來(lái)與外圍硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交流的通道，利用GT400自帶的兩個(gè)輸入輸出函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，函數(shù)定義如下[6]：

2.2.2 數(shù)據(jù)尋址方式

由于操作數(shù)的類型組要有位變量、字節(jié)型變量、字型變量、雙字型變量等類型，因此需要不同的尋址方式[7]。本設(shè)計(jì)采用通用的處理方式，即首先獲取結(jié)構(gòu)體的首指針，計(jì)算出結(jié)構(gòu)體成員的偏移地址，再計(jì)算出結(jié)構(gòu)體成員的絕對(duì)地址，之后由程序獲取段內(nèi)的偏移地址，計(jì)算操作數(shù)的絕對(duì)地址。為了便于操作不同類型的數(shù)據(jù)，需要將獲得的結(jié)構(gòu)體指針強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成指令函數(shù)操作數(shù)類型的指針，從而讀取對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。所用的計(jì)算公式，采用宏定義來(lái)表示：#define STRUCT_OFFSET(stru_name,element) (int)&((struct stru_name*)0)->element

2.2.3 指令運(yùn)行原理與指令函數(shù)的編寫

本系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)采用回調(diào)函數(shù)加循環(huán)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)指令的執(zhí)行過(guò)程，即將每個(gè)指令設(shè)計(jì)成函數(shù)的形式，并把函數(shù)的指針存到一個(gè)函數(shù)數(shù)組中，由于這些函數(shù)的形參都是PLC變量區(qū)結(jié)構(gòu)體指針、操作數(shù)結(jié)構(gòu)體變量指針、系統(tǒng)控制區(qū)結(jié)構(gòu)體指針等，具有相同的變量參數(shù)，這樣就可以定義一個(gè)指針函數(shù)，這個(gè)函數(shù)的變量類型和指令函數(shù)的類型相同。這種方法對(duì)任何指令都是有效的，具有很好的通用性和可擴(kuò)展性，要添加其他指令，只要增加指令函數(shù)和函數(shù)指針數(shù)組，然后實(shí)現(xiàn)其中的運(yùn)行函數(shù)即可。

圖4 LD 11.2解釋流程圖

以基本邏輯指令為例，其操作數(shù)是以位來(lái)讀取的，因此專門設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)體模擬堆棧，對(duì)PLC 指令的操作采用堆棧處理，棧深為8層，用這個(gè)堆棧來(lái)存儲(chǔ)邏輯運(yùn)算的結(jié)果。該結(jié)構(gòu)體的定義如下：

2.2.4 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性問(wèn)題的解決方案

傳統(tǒng)PLC具有硬實(shí)時(shí)性，可以提供快速、確定而且可重復(fù)的響應(yīng)，但Windows是一種消息驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)法保證控制的實(shí)時(shí)性要求。

由于微軟公司提供了精確定時(shí)器的底層API函數(shù)庫(kù)，這里利用Windows的多媒體定時(shí)器技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。它擁有獨(dú)立的執(zhí)行線程，而且優(yōu)先級(jí)很高，能在非常精確的時(shí)間間隔內(nèi)完成一個(gè)事件、函數(shù)或過(guò)程的調(diào)用，可以實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的高精度定時(shí), 能夠滿足大多數(shù)的精度控制要求。該函數(shù)原型如下：

3 結(jié)束語(yǔ)

本文創(chuàng)新點(diǎn)：程序編輯器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編輯界面可直接設(shè)置參數(shù)，開放性好；運(yùn)行系統(tǒng)的虛擬存儲(chǔ)區(qū)采取基于堆棧的數(shù)據(jù)處理方法，執(zhí)行效率高；指令運(yùn)行采用回調(diào)函數(shù)加循環(huán)的方法，適用于任何PLC指令，具有很好的通用性與擴(kuò)展性。

試驗(yàn)表明，在開放式陶瓷快速成型機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中，該軟PLC功能模塊可以較好地實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸的使能控制，限位保護(hù)及復(fù)位控制，輔助信號(hào)控制等功能，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)I/O接口的開關(guān)量控制功能。

[1] 陳嬋娟,袁斌.新型陶瓷快速成型裝置數(shù)控系統(tǒng)的研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2009,(10):335-339.

[2] 王秀峰,羅宏杰.快速成型制造技術(shù)[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2001:79-92.

[3] 陳鳳蘭,孫竹梅.軟PLC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景[J].電力學(xué)報(bào),2006,(2):88-90.

[4] Open-PLC programming using IECll31-3,http://www.engineeringtalk.com.

[5] 田文琦,于東,高偉,紀(jì)元.Flex和Bison在軟PLC編譯器中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009,(19):235-237.

[6] 深圳固高科技.GT系列運(yùn)動(dòng)控制器編程手冊(cè)[M].深圳:固高科技,2003.

[7] 羅燕華.嵌入式軟 PLC 技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[M].武漢:華中科技大學(xué),2006.

TH166

A

1009-0134(2010)11(下)-0098-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).35

2010-07-13

陜西省教育廳2010年專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目( 2010JK438)；陜西科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助

高帥（1985 - )，男，河南洛陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)、控制工程。