数控系统软PLC模块的研究与开发

1引言

    开关量控制是构成数控系统控制功能的重要部分,主要负责对机床IO和操作面板等进行逻辑控制。目前数控系统中对开关量控制的实现方式主要有三种:独立硬件PLC、内嵌PLC和软PLC。独立型PLC采用通用的硬件PLC完成机床的开关量控制,具有稳定性好、可靠性高以及技术成熟等方面的优点。内嵌型PLC则将开关量控制的功能在数控系统内部实现,与数控系统集成在一起,PLC与数控系统在内部实现数据交换,简单可靠。但是,独立型PLC和内嵌型PLC也存在自身的缺点,结构封闭开放性差。

    在Windows+RTX实时操作平台上开发用于开放式数控系统的软PLC系统,并基于RTX实时扩展平台对软PLC运行系统的技术细节进行了进行具体的分析和设计。

2软PLC的总体设计

    2.1软件平台的选择

    选择WindowsXP+RTX实时扩展作为软PLC的开发平台。Windows是被广泛应用的商用操作系统,具有良好的开放性和丰富的软件资源。但是目前的Windows操作系统都非“硬实时”系统,无法满足软PLC实时性的要求。同数控系统一样,软PLC具有很强的实时性,特别是对于限位和刀库等开关量信号的控制。

    RTX同时提供了进程间通信(Interprocess Communication,IPC)对象，主要有四种:事件(Event)、互斥体(Mutex)，信号量(Semaphore)和共享内存(Shared Memory)。通过IPC我们就可以实现实时与非实时进程间，以及实时进程间的通信与同步。RTX也提供了高分辨率的时钟和定时器，以及中断管理。这些可以更有效地帮助开发人员进行实时程序的开发。

    由此可见，我们采用Windows+RTX作为开发平台，可以充分利用RTX提供的API函数、IPC以及定时器等各种优异性能实现软PLC模块的开发，并通过与CNC系统的通信与同步实现对机床开关量的逻辑控制。

    2.2软PLC的结构

    设计的软PLC系统由开发系统和运行系统两部分组成，如图1所示。

图1 软PLC的结构框图    图2任务执行模块流程图

    开发系统运行于Win32环境中，独立于运行系统存在，主要功能是提供一个界面友好的开发软件，用来完成PLC源程序的编辑、检错、编译以及仿真。开发系统最终产生一份满足控制要求的合格的目标代码，运行系统在启动时就可以加载该目标代码.并对目标代码进行解释执行，最终实现控制功能。

    软PLC运行系统运行于RTSS环境中，主要功能是按照PLC程序完成相应的逻辑控制。软PLC运行系统随数控系统一起启动，负责完成机床相关的开关量控制。通过与数控系统之间的通信与同步，运行系统能够和数控系统相互协作，共同完成数控功能。软PLC运行系统是软PLC的核心部分，将着重对软PLG运行系统的设计进行详细的介绍。

3软PLC运行系统的设计

    3.1软PLC运行系统的组成

    3.1.1任务执行模块

     任务执行模块是软PLC的重要组成部分，主要完成用户程序的执行。为了满足用户不同实时性的要求，我们将任务执行模块又分为普通任务执行模块和高速任务执行模块。在系统管理模块的调度下，普通任务执行模块每20ms执行一次，用来完成实时陕要求较低的控制;而高速任务执行模块每5ms执行一次，完成实时性要求较高的控制，如刀库，限位等等。这两个模块均为独立的普通线程。

    如图2所示，为任务执行模块的工作流程。从图中可以看出，任务执行模块被启动后的工作过程是一个循环。在一次循环中，任务执行模块首先从代码存储区读取一条指令，接着对该指令进行分析，根据分析结果从指令库中调取该指令对应的执行函数进行处理。读取处理完一条指令后一个循环结束，任务执行模块冉读取下一条指令进行处理，进行下一个循环，遇到End指令后，任务执行模块退出循环，完成一个软PLC周期的用户程序执行任务。