基于PC和軟PLC的數控轉塔沖床的控制系統的研究

盧秋霞

摘 要：數控轉塔沖床的控制系統運用的是PC與軟PLC結合，基于TwinCAT平臺上完成人機界面的操作，通過分析處理所輸入的信息，將I/O模塊反饋至PLC之中，以實現驅動各部件運作和信息交互的目的，并且在Visual Studio.NET2008中采用C#語言設計人機界面。

關鍵詞：人機交互；TwinCAT；軟PLC

1 數控轉塔沖床的組成

基于PC的控制系統能夠大幅提升系統的信息儲存能力、靈活性和連接性，是一個集成化、多功能的開放式平臺。為滿足現代化生產的需要，使系統的維護更加方便，結構更加緊湊，本系統采用的是軟PLC與PC的結合，研究對象是ET-300系列的數控轉塔沖床。該沖床包括以下幾個組成部分：

①數控系統。能夠完成自動加工的轉塔沖床其核心是數控系統，不但能控制機床各功能的部件，完成加工任務，對操作人員的操作命令進行接收，還能對轉塔沖床的加工環境和工作狀態進行實時的監控。

②伺服系統。轉塔沖床一個最主要的部件就是伺服系統，它能夠實現轉塔沖床各軸位置、速度的精確控制，對數控系統的運動命令加以接受，并直接驅動各軸運動。

③電氣系統。電氣系統主要涵蓋氣動部件、傳感器、電動機與數控系統以及氣動控制回路和各種被轉塔沖床所用到的傳感器。電氣系統的樞紐是電器柜。

④機床床身。涵蓋外罩、底座等。

⑤傳動系統。涵蓋c軸傳動機構、t軸傳動機構、y軸傳動機構、x軸傳動機構和主軸傳動機構。

⑥輔助部件。為實現一些特殊的功能還需要工件夾鉗、定位裝置等輔助部件。

2 設計數控系統和人機界面

控制系統有軟件和硬件兩部分。控制系統的硬件部分主要包括端子系統、伺服系統、總線系統和IPC等，其驅動伺服電動機來實現相應動作的完成是通過控制伺服驅動器來實現的，這需要實現IPC同端子系統和伺服系統的通信，EtherCAT總線與工控機連接，并運用以太網現場EtherCAT總線技術。端子系統能夠實現信息的傳輸和反饋，它連接執行開關和外部傳感器等。工控機選用EK1110的EtherCAT總線耦合器，配備PC控制面板，所采用的C6150由BECKHOFF提供。這種數控轉塔沖床需配備4個伺服驅動器。輸入、輸出的端子模塊由EL1008-8通道數字量來完成，并通過連接外部的執行器和傳感器確定其具體的個數。控制系統的硬件組成結構如圖1所示。

能夠完成控制系統功能的核心部分就是控制系統的軟件部分，這涵蓋操作系統、上位機程序、組態軟件、軟PLC、TwinCAT平臺以及人機界面程序。軟件部分的基礎就是TwinCAT，這是組態軟件和軟PLC的運行平臺。在TwinCAT平臺上有上位機程序，以負責完成TwinCAT控制系統的交互與通信和用戶操作命令的實現。為符合用戶的需求，滿足簡便友好的特點，將Windonws XP操作系統應用于IPC上。

人機界面是一種為用戶與系統之間提供信息交互服務的媒介，它被廣泛地應用工業控制當中。在Visual Studio.NET2008中采用C#的編程語言來設計人機界面，并且盡量采用Windows界面的兼容標準特征以滿足標準Windows系統被絕大多數用戶所熟悉的要求。

3 在TwinCAT平臺上實現軟PLC系統的技術與結構

3.1 軟PLC系統結構

基于PC的軟PLC要想實現傳統PLC的編程、存儲、控制和計算功能就要通過軟件方法，經過現場總線和I/O模塊等物理設備來有效實現信號的輸出以及數據的采集，它對自動化的工廠體系結構進行簡化，能把各種特定的應用、人機界面、通信和控制全部合為一體，并在同一個硬件平臺上加以運用。這兩者都在同一個IPC內，其中運行系統負責應用程序的執行和整個系統的管理，開放系統則被應用于應用程序PLC的開發，兩個系統之間的通信通過DLL文件實現。

3.2 軟PLC的技術實現

本系統通過BECKHOFF所提供專用的軟件TwinCAT來實現軟PLC，可編程控制器為PC，IEC61131-3標準被應用于其相應的編程工具，能夠連接所有的使用微軟開放式標準程序、帶用戶接口的數據通訊、用于I/O信號的PC卡和公共現場總線。倘若要求控制器要有較高的控制性和可靠性，提升實時監控的性能，就要選擇插槽式的PLC。由于這種PLC有獨立地操作系統，故有準確的重新啟動和可靠的數據存儲功能。本系統采用的是TwinCAT PLC，即軟件式的PLC。

3.3 使用TwinCAT PLC

軟PLC指的是TwinCAT PLC，能讓4個虛擬“PLC CPU”在一個PC機上運行，同時運行4個用戶任務。TwinCAT PLC可以周期性地循環工作，并能完成輸出刷新、程序執行和輸入采樣。TwinCAT PLC可以選擇性地讀取輸入數據和狀態。其原理在于能把TwinCAT PLC的輸入點視為一個串點序列，某個串點或每個串點均有相應的判斷條件，若條件不滿足，就要把對應的輸入端點跳開。

4 結語

數控轉塔沖床的控制系統是在基于PC的基礎上把軟PLC同PC進行完美結合，其人機界面與機床的交互通過內置軟PLC實現。其能對工業自動化的控制結構大大地加以簡化，有利于不斷地推進我國在控制系統的研究領域的事業的發展。

參考文獻：

[1]劉延友，李忠新，黃川.數控轉塔沖床夾鉗重定位系統設計與分析[J].機械制造與自動化，2014（05）.

[2]張玉良，逯振國，等.基于虛擬儀器的數控轉塔沖床在線監測系統[J].鍛壓技術，2014（05）.