基于PLC的嵌入式數控機床控制系統設計

田增明

【摘? 要】PLC具備傳統繼電器中操作簡單、成本低廉等優勢，同時又具備計算機中運用靈活、功能完備的優勢，因此在眾多要求可靠性高且工作環境惡劣的領域得到了很好的發展，但目前仍沒有一套結構完善、功能強大的基于PLC的數控機床控制系統。傳統數控機床的控制主要是通過人為的方式進行，一旦設備出現故障會嚴重影響工作人員的人身安全，因此本文提出一種全新的基于PLC的嵌入式數控機床控制系統，通過對其硬件結構及軟件中的功能進行設計，為工業控制領域的安全生產提供保障。

【關鍵詞】PLC;嵌入式;數控技術

1 基于PLC的嵌入式數控機床控制系統硬件設計

基于PLC的嵌入式數控機床控制系統硬件部分是由微型處理器、存儲設備、輸入輸出設備以及設備之間連接的電路組成的系統硬件結構。硬件結構為系統中的軟件及軟件的運行提供良好的運行環境。硬件結構中，嵌入式的微型處理器裝置是本文系統的硬件核心部分，主要負責控制整個嵌入式數控機床的運行。外部設備主要用于本文系統與數控機床現場的環境進行交互，其中包括用于對數據信息進行保留的存儲設備、計算機接口設備以及用于制作控制過程中數據表格的打印設備等。在本文系統實際應用過程中，用戶可以根據不同的需要，選擇不同的硬件平臺。因此，在系統中的嵌入式計算機應該與標準計算機完全兼容，并且其它硬件結構也應與標準計算機相同，實現本文系統完成與標準計算機相同的工作任務。

保證本文設計的基于PLC的嵌入式數控機床控制系統能夠在數控機床現場惡劣的環境當中正常的運行，在系統輸入接口處位置的連接線路選用具備光電隔離工能以及濾波功能的電路。輸入接口的線路主要用于接收和收集開關量輸入的信號以及模擬量信號。通過微型處理器設備的輸入接口線路一般是由寄存設備、選通線路以及帶有中斷請求邏輯的線路三部分構成，將以上三種組成結構連接在一個芯片上形成完整的電路集成。

在輸出接口線路中的繼電器裝置輸出時，由于繼電器裝置上的線圈與兩個導體間可供電流通過的接觸面是相互隔離的，因此可以將其分別連接在具有不同性質以及不同電壓等級的電路當中。根據這一原理，在本文設計的系統上可以利用PLC將繼電器裝置輸出電路中的內部電路與PLC的外部驅動在電路中間完全的隔離，實現兩部分結構在不受另一方影響的情況下，穩定的運行。

2 基于PLC的嵌入式數控機床控制系統軟件設計

基于PLC對嵌入式數控機床控制系統軟件功能的設計包括對數控機床控制數據通信的接收功能、基于PLC的控制數據輸入映射功能、控制狀態值邏輯處理功能以及控制程序最終的執行功能。圖1為基于PLC的嵌入式數控機床控制系統運行基本流程。

圖1 嵌入式數控機床控制系統運行基本流程

根據圖1中系統的運行基本流程對系統中數控機床控制數據通信接收、基于PLC的控制數據映射以及實現數控機床控制程序執行進行詳細的說明。

2.1 數控機床控制數據通信接收

數控機床控制數據通信接收是系統運行的第一個階段，是通過接口板獲取端口上的控制數據信息。由于在系統實際運行中，控制數據信息常常會存在無效數據。因此，需要利用PLC以掃描的方式，按照控制順序對接收到的控制數據進行采集，并將其中有效的控制數據填入到存儲器當中，再進入系統的處理階段當中。在進行程序控制執行的階段，通過數控機床控制數據通信接收保證當輸入的控制數據發生變化的情況下，存儲器當中已有的控制數據不會受到影響發生改變，控制數據的改變只會通過在下一階段中的控制數據通信接收改變。

2.2 基于PLC的控制數據映射

當完成數控機床控制數據通信接收后，再次通過系統的計算機接口實現對控制數據的通信，并獲取到2個8位數的16進制數，通過對該數據進行映射，最終獲取到每個控制點位上的數值，再用特定的變量對每個點位的數值進行保存，實現區域性映射。基于PLC的控制數據映射是系統中一項十分重要的環節，只有通過這一環節才能將用戶輸入的參數信息轉換為具體的功能，從而在系統當中實現對數據機床的控制。通過本文上述數據的采集階段，已經將用戶編寫的語言程序轉變為了系統可以運行的數據，再利用計算機接口板的端口狀態對信息進行實時的存儲，并將其輸入到映射區域當中，通過映射環節再將數據中原本的語義、詞義等分析出來，從而做出正確的控制。

2.3 實現數控機床控制程序執行

為了實現系統對數控機床控制程序執行，首先需要根據用戶實際輸入的信息，經過控制程序執行后得到相應的預想結果。在邏輯構造當中，根據設備元件的各項信息將保留的輸出控制數據的變量與系統中對應的位置進行連接，實現設備元件與系統端口額的額狀態數值實時連接的效果。

通過編譯環節將控制程序差分成多個不同的單元，再將其分別進行轉換。在每個邏輯當中都分別對應一個數據機床上的設備元件，節點位置表示各個控制邏輯與邏輯功能的節點。再對邏輯進行后序周游，并在后序周游的過程中，系統開始對各個控制命令進行邏輯運算，并將運算結果輸出到映射區域。最終通過映射區域輸出的結果執行相應的控制程序，實現對數控機床的控制。

3 實驗論證分析

3.1 實驗準備

首先將本文系統與傳統控制系統共同建立在實時操作系統環境當中，分別選取兩種規格、型號完全相同的數控機床作為實驗對象，設置本文系統為實驗組，傳統控制系統為對照組，分別在實驗組和對照組中添加一位實驗人員作為系統的使用用戶，對兩組系統輸入同樣的數控機床控制信息，待兩組系統均完成相應的運行后，將兩組系統的實驗結果相關數據進行記錄。

3.2 實驗結果及分析

根據記錄的實驗結果，計算出兩組系統的誤差率，并繪制成如圖2所示的實驗結果對比圖。

圖2 實驗組與對照組實驗結果對比曲線圖

從圖2中的兩條曲線可以看出，實驗組的誤差率明顯低于對照組的誤差率。且實驗組的誤差率曲線波動幅度較緩，而對照組的誤差率波動幅度較大。因此通過對比實驗證明，本文提出的基于PLC的嵌入式數控機床控制系統對數控機床的控制準確性和穩定性更高，更適用于實際工業控制領域對數據機床的控制。

4 結束語

本文針對傳統控制系統中存在的問題，結合PLC的優勢，提出一種基于PLC的嵌入式數控機床控制系統，并通過對比實驗進一步證明了該系統的穩定性和準確性。但本文在研究的過程中仍然存在某些方面的問題，例如系統中除控制功能外其它功能涉及較少、系統本身可支持的元件較少等。因此在后續的研究中，還將針對這兩個方面的問題進行更加深入的研究。

參考文獻：

[1]高羅卿，莊源昌.基于OPC技術實現WINCC與FANUC數控機床的監控系統設計[J].制造技術與機床，2019，38（01）：169-172.

[2]雷楠南.西門子802D系統數控機床模擬主軸控制與調試[J].安徽電子信息職業技術學院學報，2019，18（01）：4-9.

[3]陶慧.“數控機床安裝調試與維修”課程自主進程教學改革研究[J].工業和信息化教育，2019，38（05）：70+79.

[4]司昌練.基于電液位置伺服系統機床滑臺模糊自適應控制研究[J].液壓氣動與密封，2019，39（05）：32-37.

（作者單位：天津巴泰克汽車裝備有限公司）