基于PC和軟PLC的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的控制系統(tǒng)的研究

盧秋霞

摘 要：數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的控制系統(tǒng)運(yùn)用的是PC與軟PLC結(jié)合，基于TwinCAT平臺上完成人機(jī)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(shí)現(xiàn)驅(qū)動各部件運(yùn)作和信息交互的目的，并且在Visual Studio.NET2008中采用C#語言設(shè)計人機(jī)界面。

關(guān)鍵詞：人機(jī)交互；TwinCAT；軟PLC

1 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的組成

基于PC的控制系統(tǒng)能夠大幅提升系統(tǒng)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(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，使系統(tǒng)的維護(hù)更加方便，結(jié)構(gòu)更加緊湊，本系統(tǒng)采用的是軟PLC與PC的結(jié)合，研究對象是ET-300系列的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床。該沖床包括以下幾個組成部分：

①數(shù)控系統(tǒng)。能夠完成自動加工的轉(zhuǎn)塔沖床其核心是數(shù)控系統(tǒng)，不但能控制機(jī)床各功能的部件，完成加工任務(wù)，對操作人員的操作命令進(jìn)行接收，還能對轉(zhuǎn)塔沖床的加工環(huán)境和工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控。

②伺服系統(tǒng)。轉(zhuǎn)塔沖床一個最主要的部件就是伺服系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)塔沖床各軸位置、速度的精確控制，對數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動命令加以接受，并直接驅(qū)動各軸運(yùn)動。

③電氣系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)主要涵蓋氣動部件、傳感器、電動機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)以及氣動控制回路和各種被轉(zhuǎn)塔沖床所用到的傳感器。電氣系統(tǒng)的樞紐是電器柜。

④機(jī)床床身。涵蓋外罩、底座等。

⑤傳動系統(tǒng)。涵蓋c軸傳動機(jī)構(gòu)、t軸傳動機(jī)構(gòu)、y軸傳動機(jī)構(gòu)、x軸傳動機(jī)構(gòu)和主軸傳動機(jī)構(gòu)。

⑥輔助部件。為實(shí)現(xiàn)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(shè)計數(shù)控系統(tǒng)和人機(jī)界面

控制系統(tǒng)有軟件和硬件兩部分。控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括端子系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、總線系統(tǒng)和IPC等，其驅(qū)動伺服電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)動作的完成是通過控制伺服驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)的，這需要實(shí)現(xiàn)IPC同端子系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的通信，EtherCAT總線與工控機(jī)連接，并運(yùn)用以太網(wǎng)現(xiàn)場EtherCAT總線技術(shù)。端子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信息的傳輸和反饋，它連接執(zhí)行開關(guān)和外部傳感器等。工控機(jī)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(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床需配備4個伺服驅(qū)動器。輸入、輸出的端子模塊由EL1008-8通道數(shù)字量來完成，并通過連接外部的執(zhí)行器和傳感器確定其具體的個數(shù)。控制系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

能夠完成控制系統(tǒng)功能的核心部分就是控制系統(tǒng)的軟件部分，這涵蓋操作系統(tǒng)、上位機(jī)程序、組態(tài)軟件、軟PLC、TwinCAT平臺以及人機(jī)界面程序。軟件部分的基礎(chǔ)就是TwinCAT，這是組態(tài)軟件和軟PLC的運(yùn)行平臺。在TwinCAT平臺上有上位機(jī)程序，以負(fù)責(zé)完成TwinCAT控制系統(tǒng)的交互與通信和用戶操作命令的實(shí)現(xiàn)。為符合用戶的需求，滿足簡便友好的特點(diǎn)，將Windonws XP操作系統(tǒng)應(yīng)用于IPC上。

人機(jī)界面是一種為用戶與系統(tǒng)之間提供信息交互服務(wù)的媒介，它被廣泛地應(yīng)用工業(yè)控制當(dāng)中。在Visual Studio.NET2008中采用C#的編程語言來設(shè)計人機(jī)界面，并且盡量采用Windows界面的兼容標(biāo)準(zhǔn)特征以滿足標(biāo)準(zhǔn)Windows系統(tǒng)被絕大多數(shù)用戶所熟悉的要求。

3 在TwinCAT平臺上實(shí)現(xiàn)軟PLC系統(tǒng)的技術(shù)與結(jié)構(gòu)

3.1 軟PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于PC的軟PLC要想實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的編程、存儲、控制和計算功能就要通過軟件方法，經(jīng)過現(xiàn)場總線和I/O模塊等物理設(shè)備來有效實(shí)現(xiàn)信號的輸出以及數(shù)據(jù)的采集，它對自動化的工廠體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，能把各種特定的應(yīng)用、人機(jī)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(yùn)用。這兩者都在同一個IPC內(nèi)，其中運(yùn)行系統(tǒng)負(fù)責(zé)應(yīng)用程序的執(zhí)行和整個系統(tǒng)的管理，開放系統(tǒng)則被應(yīng)用于應(yīng)用程序PLC的開發(fā)，兩個系統(tǒng)之間的通信通過DLL文件實(shí)現(xiàn)。

3.2 軟PLC的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)通過BECKHOFF所提供專用的軟件TwinCAT來實(shí)現(xiàn)軟PLC，可編程控制器為PC，IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)被應(yīng)用于其相應(yīng)的編程工具，能夠連接所有的使用微軟開放式標(biāo)準(zhǔn)程序、帶用戶接口的數(shù)據(jù)通訊、用于I/O信號的PC卡和公共現(xiàn)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(shí)時監(jiān)控的性能，就要選擇插槽式的PLC。由于這種PLC有獨(dú)立地操作系統(tǒng)，故有準(zhǔn)確的重新啟動和可靠的數(shù)據(jù)存儲功能。本系統(tǒng)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(jī)上運(yùn)行，同時運(yùn)行4個用戶任務(wù)。TwinCAT PLC可以周期性地循環(huán)工作，并能完成輸出刷新、程序執(zhí)行和輸入采樣。TwinCAT PLC可以選擇性地讀取輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)。其原理在于能把TwinCAT PLC的輸入點(diǎn)視為一個串點(diǎn)序列，某個串點(diǎn)或每個串點(diǎn)均有相應(yīng)的判斷條件，若條件不滿足，就要把對應(yīng)的輸入端點(diǎn)跳開。

4 結(jié)語

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的控制系統(tǒng)是在基于PC的基礎(chǔ)上把軟PLC同PC進(jìn)行完美結(jié)合，其人機(jī)界面與機(jī)床的交互通過內(nèi)置軟PLC實(shí)現(xiàn)。其能對工業(yè)自動化的控制結(jié)構(gòu)大大地加以簡化，有利于不斷地推進(jìn)我國在控制系統(tǒng)的研究領(lǐng)域的事業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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