基于CNC的軟PLC虛擬機中元件庫的研究*

陸麗麗，季建華

(江蘇城市職業(yè)學(xué)院，江蘇南通 226006)

0 引言

數(shù)控是用數(shù)字信息對機械運動和自動化加工過程進(jìn)行控制的技術(shù)，是現(xiàn)代國家制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的象征，已有50多年的發(fā)展歷史。如今，隨著市場競爭日趨激烈，被加工零件的精益求精及微型計算機的迅猛發(fā)展，軟PLC發(fā)展成為進(jìn)一步提高數(shù)控技術(shù)、實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)開放化的重要手段。軟PLC能夠充分利用工業(yè)控制計算機(IPC)或嵌入式計算機(EPC)的硬件和軟件資源，改變傳統(tǒng)硬件PLC繁瑣、呆板的缺點，全部用軟件靈活地來實現(xiàn)數(shù)控功能［1］。

1 軟PLC虛擬機系統(tǒng)

在數(shù)控機床運行過程中，PLC是機床本體與數(shù)控裝置之間的橋梁。它根據(jù)CNC內(nèi)部標(biāo)志以及機床的各控制開關(guān)、檢測元件、運行部件的狀態(tài)，按照程序設(shè)定的控制邏輯，完成對刀庫運動、換刀機構(gòu)、冷卻液等的控制功能。

1.1 軟 PLC

軟PLC采取基于虛擬機的解決方案，分為開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)兩部分。開發(fā)系統(tǒng)實際上就是編程器，完成調(diào)試和編譯工作。運行系統(tǒng)是軟PLC的核心，完成輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理等工作，如圖1所示。

圖1 軟PLC系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.2 軟PLC虛擬機

軟PLC虛擬機是相對我們平常所用的實際的計算機而言的一個概念，它是一個假想的模擬實際計算機進(jìn)行工作的軟件系統(tǒng)，由編譯器、解釋執(zhí)行器、元件庫和管理模塊組成，可以完成對圖文件的編譯、中間代碼生成和解釋執(zhí)行，對PLC文件的加載和執(zhí)行(見圖2)。其中，元件庫提供了梯形圖元件的相關(guān)信息，作為一個單獨的模塊可動態(tài)升級，可根據(jù)用戶的需要進(jìn)行裁減。這種架構(gòu)給PLC虛擬機帶來了極大的靈活性和可擴展型，是數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)開放化的關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 軟PLC虛擬機的結(jié)構(gòu)

2 軟PLC中元件庫模塊的研究

2.1 元件及元件庫

梯形圖中的觸點、線圈和用方框表示的功能塊，把這些繪圖元素叫做“元件”［2］(見圖3)。由于“元件”在梯形圖中作為梯形圖的繪圖元素，因此元件中包括其所具有的自身參數(shù)(輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù))和功能函數(shù)(邏輯行為)。

圖3 梯形圖程序舉例

所有的元件按照一定的分類規(guī)則組合在一起，稱元件的組合為元件庫。元件庫是軟PLC虛擬機中獨立的模塊，包含元件的繪圖信息和行為信息，提供了一組對外訪問的接口，其它模塊通過這些接口獲取希望獲得的信息。

2.2 元件庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

由于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的元件數(shù)量較多，為了便于信息查找，可對其建模過程采用按類型分組的策略，功能相近的元件分在同一個元件組中，采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是鏈表。每個元件庫包含一個元件組鏈表，該鏈表的結(jié)點為元件組的信息，每個元件組又包含一個元件鏈表，結(jié)點為元件。標(biāo)準(zhǔn)元件庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 開發(fā)語言及編程工具的選擇

開發(fā)元件庫，可以選擇當(dāng)今業(yè)界流行的C++語言，C++是C的派生，是C的超集，是一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言(Object－Oriented Programming Language，OOPL)，具有封裝性、繼承性、多態(tài)性等獨到之處，使程序結(jié)構(gòu)更加清晰，更易于擴充和維護(hù)，更加靈活，程序設(shè)計者能更好地理解和管理龐大的復(fù)雜程序［3］。

圖4 元件庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3 標(biāo)準(zhǔn)元件庫的創(chuàng)建

3.1 實現(xiàn)原則

元件庫創(chuàng)建的過程中，采用了C++標(biāo)準(zhǔn)程序庫，提供了容器和泛性算法。比如:實現(xiàn)元件庫模型中的實體類時，使用了標(biāo)準(zhǔn)庫中提供的元素，包括pair、wstring等類型和 list、vector等容器，直接調(diào)用容器類提供的成員函數(shù)，不但避免了自己設(shè)計鏈表、動態(tài)數(shù)組等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生的錯誤，而且對軟件的可靠性有了很大的提高，大大提高了開發(fā)效率和程序質(zhì)量。

3.2 元件庫的組類

元件的信息分成兩部分描述［4］。一部分為靜態(tài)信息，包括繪圖信息和參數(shù)信息，抽象出元件基類CBaseUnit，具體的元件類都繼承自元件基類，例如元件ID、元件大小、元件名稱和參數(shù)表等屬性的初始化和描述;另一部分為動態(tài)信息，也就是元件的行為信息，抽象出行為抽象基類CDictate，具體元件行為的描述都繼承自該類，例如純虛函數(shù)Run。通過兩部分信息結(jié)合，完成對元件描述和類型聲明。

由于元件較多，所以采取了分組策略，將標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的功能相關(guān)的元件放在一組當(dāng)中，產(chǎn)生元件組。

對元件組類的聲明可以如下:

class CUnitGroup

{

public:

CUnitGroup();

virtual～CUnitGroup();

void AddUnit(CBaseUnit*pUnit);//向元件組中添加元件

成員函數(shù)定義略……

private:

unsigned int m_nID;//組ID

std::wstring m_szName;//組名稱

std::list＜ CBaseUnit* ＞ Units m_units;//元件組中包含元件鏈表

};

元件組實例對象可以通過調(diào)用AddUnit成員函數(shù)向元件組添加元件，使得元件組中成員變量鏈表的節(jié)點是元件對象的指針，對元件的操作可通過遍歷元件組來實現(xiàn)。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)元件庫的實現(xiàn)

標(biāo)準(zhǔn)元件庫中共包括觸點組、線圈組、程序控制組、計數(shù)器指令組、定時器指令組、數(shù)學(xué)運算組、邏輯運算組等多個元件組，將標(biāo)準(zhǔn)中的元件按功能分配到相應(yīng)的元件組中。在元件庫中需要將具體的元件組組織起來，并且通過公有接口提供給系統(tǒng)中的其它模塊。針對元件庫的功能出元件庫基類CBaseUnitTempl，在該類中包含成員變量std::list＜CUnitGroup*＞namedUnitGroups，該成員變量把元件組的指針作為鏈表的節(jié)點，可以把元件組對象的指針存放在該鏈表對象namedUnitGroups中。此外，該基類主要包含了一組虛函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)元件庫繼承該基類，并對繼承的接口進(jìn)行重寫，元件庫中接口按功能主要分為以下4類［4］:

(1)元件庫信息相關(guān)接口，包括獲取元件庫ID號、是否是標(biāo)準(zhǔn)元件庫等接口。

(2)元件組信息相關(guān)接口，包括獲取元件組名稱、各個元件組中元件的數(shù)量、創(chuàng)建新的元件組等接口。

(3)判斷元件類型的接口，包括判斷元件是否為直線、是否為觸點等接口。

(4)元件信息相關(guān)的接口，包括獲取元件參數(shù)類型、獲取元件大小、獲取元件名稱等接口。

4 總結(jié)

開放式數(shù)控系統(tǒng)是當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向，軟PLC因具有更好的數(shù)據(jù)處理能力、網(wǎng)絡(luò)通訊能力和開放的體系結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的硬PLC替而代之。筆者以FANUC數(shù)控系統(tǒng)作為硬件平臺，對軟PLC技術(shù)進(jìn)行分析，尤其是元件庫模塊進(jìn)行了研究設(shè)計，提出了新的解決方案，解決了傳統(tǒng)封閉式數(shù)控系統(tǒng)兼容性差、功能不易擴展等問題，提高數(shù)控系統(tǒng)的開放性、降低成本。

［1］ 任玉田，包 杰，喻逸君，等.新編機床數(shù)控技術(shù)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2005:1－2.

［2］ 高欽和.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計實例［M］.北京:人們郵電出版社，2004:1－2.

［3］ 馬玉敏，樊留群，李 輝，等.軟PLC技術(shù)的研究與實現(xiàn)［J］.機電一體化，2005(3):14－27.

［4］ 蘇 中，李興成，李 擎，等.基于PC架構(gòu)的可編程序控制器［M］.機械工業(yè)出版社，2005.