柔性車削中心系統中獨立型PLC模塊的研究設計及應用

何高清，韓 江，祖 晅

HE Gao-qing, HAN Jiang, ZU Yuan

（合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥 230009）

0 引言

近年來汽車行業發展迅猛，制動器作為汽車、摩托車制動系統中的主要執行器件，有著巨大的市場需求。制動盤是盤式制動器的關鍵部件，其產品質量直接影響盤式制動器的性能發揮。目前大多數汽車、摩托車均采用特定規格的制動盤，故尺寸規格、材料種類較多，且生產工藝要求不同。為滿足制動盤的多品種大批量生產，需研發適用于盤類零件的柔性生產設備。STAR-08T柔性車削中心數控系統的研發正是著眼于解決制動盤的高效柔性生產而進行的。該柔性車削中心采用兩工位兩主軸雙刀架立式車床機構，并帶上下料機構實現工件的自動安裝和堆垛。該機床共二十軸，兩個主軸控制，八個進給軸控制，兩組上下料機構控制，共十個調整軸。該車削中心的主軸具有無級調速控制，考慮到自動上下料主軸控制必須具有準停功能，為此采用獨立型PLC實現柔性車削中心主軸調速、準停和速度實時監控，上下料機構控制和監控，采用獨立型PLC的作用就是在數控系統集成中可以充分利用獨立型PLC的硬件資源，如要實現上述功能需要高速輸入輸出功能和模擬量輸入輸出功能，為了達到較高的控制要求需要較高的模擬量輸入輸出分辨率，采用獨立型PLC完全可以解決這些問題，如果采用專用的控制卡則需要較高的硬件資源，提高了數控系統集成成本。為此在STAR-08T數控系統中開發了獨立型PLC模塊。

1 獨立型PLC軟件設計

獨立型PLC實現柔性車削中心主軸調速、主軸準停、速度實時監控，上下料機構中兩個步進電機位置和速度控制，雙刀架控制，主軸速度監控以及主軸和步進電機當前位置監控。為了到達該功能采用“緩沖池”的軟件結構，如圖1。“緩沖池”執行程序的過程分為三個階段，即輸入采樣階段、程序執行階段、輸出刷新階段。在輸入采樣階段，PLC接收來自上位機通信數據，并存入“緩沖池”的寄存器中，此時寄存器被刷新。接著進入程序處理階段，在程序執行階段或其它階段，即使上位機的通信數據更改不會使“緩沖池”的寄存器狀態發生變化，“緩沖池”的寄存器狀態的變化只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被更新。在程序執行階段，PLC對程序按順序進行“緩沖池”掃描執行。若程序用梯形圖來表示，則總是按先上后下，先左后右的順序進行。當指令中從輸入“緩沖池”中讀出，根據用戶程序進行運算，運算的結果再存入元件映象寄存器中。對于元件映象寄存器來說，其內容會隨程序執行的過程而變化。當所有程序執行完畢后，進入輸出處理階段。在這一階段里，PLC將輸出映象寄存器中與輸出有關的狀態轉存到輸出鎖存器中，并通過一定方式輸出，驅動外部負載。

圖1 獨立型PLC模塊原理圖

對于“緩沖池”中的監控緩沖區，在PLC一次掃描過程中進行一次更新，根據通信的要求進行發送數據到上位機。而“緩沖池”的程序執行采用時間片輪轉思想，系統將所有的就緒進程按先來先服務算法的原則，排成一個隊列，每次調度時，系統把處理機分配給隊列首進程，并讓其執行一個時間片。當執行的時間片用完時，由一個計時器發出時鐘中斷請求，調度程序根據這個請求停止該進程的運行，將它送到就緒隊列的末尾，再把處理機分給就緒隊列中新的隊首進程，同時讓它也執行一個時間片。

2 上位機軟件模塊設計

上位機軟件模塊設計采用控制字驅動方案，控制字的設計如圖2所示。上位機軟件設計采用循環掃描的方式進行工作，程序流程如圖3所示控制CPU時刻通過人機界面和自動控制模式的G代碼、M代碼或FST代碼的編譯結果來獲得控制請求，

圖2 上位機軟件模塊控制字

通過不同的請求來修改控制字的不同位，在獲得控制請求的時候可能有多個控制請求，設計軟件把所有的請求分為了三個等級，主軸控制為最高級別，電機控制和換刀控制為中等級別，讀取各個狀態為最低級別，每檔級別中還有不同事件，采用先來先服務（即FIFS：first input first service）的原則。為了保證軟件設計的健壯性和系統的穩定型，在通信成功之后要復位控制字的相關位，在通信過程中可能由于某種原因導致的通信中斷和通信錯誤，采用雙機制程序設計：如果通信不成功再次進行通信，如果三次通信失敗進行系統報警處理，同時進行通信軟件診斷。通信模塊是指上位機與PLC的通信模塊，它包括：通信硬件接口的初始化、數據接收發送、通信協議的制定、數據打包和解包、數據的效驗等待。

WM：工作模式設置位，獨立型PLC模塊共有自動、點動、單步和回零四種工作模式。

WS：主軸速度設定位；

WW：1#電機目標位置設定位；

WW1：2#電機目標位置設定位；

WF：1#電機最高速度設定位；

WF1：2#電機最高速度設定位；

WT：1#刀架目標刀位設定位；

WT1：2#刀架目標刀位設定位；

WC：主軸準停位置設定位；

XX：備用；

RS：讀取主軸速度設定位；

RC：讀取主軸當前位置設定位；

RW：讀取1#電機當前位置設定位；

RW1：讀取2#電機當前位置設定位；

RT：讀取1#溫度值設定位；

RT1：讀取2#溫度值設定位；

3 上下位機通信軟件模塊設計

上下位機（即PC機和PLC）采用RS485通訊方式。RS485接口是異步串行半雙工傳輸接口。默認通訊協議方式采用ASCII方式。數據格式為：1位起始位，7位數據位，1位停止位。波特率為115200bps。

3.1 通訊協議格式

傳輸設備將消息轉為有起點和終點的幀，這就允許接收的設備在消息起始處開始工作，讀地址分配信息，判斷哪一個設備被選中，判知何時信息已完成。錯誤消息也能偵測到并能返回結果。消息發送至少要以10ms 時間的停頓間隔開始。傳輸的第一個域是設備地址。網絡設備不斷偵測網絡總線，包括停頓間隔時間內。當第一個域（地址域）接收到，每個設備都進行解碼以判斷是否發往自己的。在最后一個傳輸字符之后，一個至少10ms 時間的停頓標定了消息的結束。一個新的消息可在此停頓后開始。整個消息幀必須作為一連續的流轉輸。如果在幀完成之前有超過5ms時間的停頓時間，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于5ms的時間內接著前個消息開始，接收的設備將認為它是前一消息的延續。這將導致一個錯誤，因為在最后的校驗域的值不可能是正確的。一典型的消息幀如圖4，其包括：起始、設備地址、功能代碼、數據數量及數據、校驗和結束。

圖3 上位機程序流程圖

圖4 通訊協議格式

3.2 LRC校驗碼

對于消息發送端，LRC的計算方法是將要發送消息中“從機地址”到“運行數據”沒有轉換成ASCII碼的全部字節連續累加，結果丟棄進位，得到的8位字節按位取反，后再加1（轉換為補碼），最后轉換成ASCII碼，放入校驗區，高字節在前，低字節在后。對于消息接收端，采取同樣的LRC方法計算接收到消息的校驗和，與實際接收到的校驗和進行比較，如果相等，則接收消息正確。如果不相等，則接收消息錯誤。如果校驗錯誤，則丟棄該消息幀，并不作任何回應，繼續接收下一幀數據。

4 結束語

獨立型PLC實現柔性車削中心主軸調速、主軸準停、速度實時監控，上下料機構中兩個步進電機位置和速度控制，雙刀架控制，主軸速度監控以及主軸和步進電機當前位置監控。而且獨立型PLC模塊充分利用工業應用現場成熟的PLC硬件資源，減少了硬件開發的周期，采用自由口通訊協議，開發簡單，增強了系統集成開發的軟硬件的穩定性和系統軟件的健壯性。獨立型PLC模塊應用于STAR-08T柔性車削中心，如圖5所示。該設備是全功能帶自動上下料機構兩工位雙主軸雙刀架四工序盤類零件機械加工數控裝備。加工的盤類零件如圖6所示，一個工位加工零件的外徑和上面溝槽，另一個工位加工零件的內徑和下面溝槽。STAR-08T柔性車削中心自動上下料，采用參數化編程，替代傳統的G代碼編程，大大降低工人的勞動強度，提供了加工效率。

圖5 柔性車削中心STAR-08T

圖6 盤類零件車削