柔性车削中心系统中独立型PLC模块的研究设计及应用

0 引言

　　近年来汽车行业发展迅猛，制动器作为汽车、摩托车制动系统中的主要执行器件，有着巨大的市场需求。制动盘是盘式制动器的关键部件，其产品质量直接影响盘式制动器的性能发挥。目前大多数汽车、摩托车均采用特定规格的制动盘，故尺寸规格、材料种类较多，且生产工艺要求不同。为满足制动盘的多品种大批量生产，需研发适用于盘类零件的柔性生产设备。STAR.08T柔性车削中心数控系统的研发正是着眼于解决制动盘的高效柔性生产而进行的。该柔性车削中心采用两工位两主轴双刀架立式车床机构，并带上下料机构实现工件的自动安装和堆垛。该机床共二十轴，两个主轴控制，八个进给轴控制，两组上下料机构控制，共十个调整轴。该车削中心的主轴具有无级调速控制，考虑到自动上下料主轴控制必须具有准停功能，为此采用独立型PLC实现柔性车削中心主轴调速、准停和速度实时监控，上下料机构控制和监控，采用独立型PLC的作用就是在数控系统集成中可以充分利用独立型PLC的硬件资源，如要实现上述功能需要高速输入输出功能和模拟量输入输出功能，为了达到较高的控制要求需要较高的模拟量输入输出分辨率，采用独立型PLC完全可以解决这些问题，如果采用专用的控制卡则需要较高的硬件资源，提高了数控系统集成成本。为此在STAR.08T数控系统中开发了独立型PLC模块。

1 独立型PLC软件设计

　　独立型PLC实现柔性车削中心主轴调速、主轴准停、速度实时监控，上下料机构中两个步进电机位置和速度控制，双刀架控制，主轴速度监控以及主轴和步进电机当前位置监控。为了到达该功能采用“缓冲池”的软件结构，如图1。“缓冲池”执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。在输入采样阶段，PLC接收来自上位机通信数据，并存入“缓冲池”的寄存器中，此时寄存器被刷新。接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其它阶段，即使上位机的通信数据更改不会使“缓冲池”的寄存器状态发生变化，“缓冲池”的寄存器状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被更新。在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行“缓冲池”扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当指令中从输入“缓冲池”中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中。对于元件映象寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段里，PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。对于“缓冲池”中的监控缓冲区，在PLC一次扫描过程中进行一次更新，根据通信的要求进行发送数据到上位机。而“缓冲池”的程序执行采用时间片轮转思想，系统将所有的就绪进程按先来先服务算法的原则，排成一个队列，每次调度时，系统把处理机分配给队列首进程，并让其执行一个时间片。当执行的时间片用完时，由一个计时器发出时钟中断请求，调度程序根据这个请求停止该进程的运行，将它送到就绪队列的末尾，再把处理机分给就绪队列中新的队首进程，同时让它也执行一个时间片。

图1独立型PLC模块原理图

2 上位机软件模块设计

　　上位机软件模块设计采用控制字驱动方案，控制字的设计如图2所示。上位机软件设计采用循环扫描的方式进行工作，程序流程如图3所示控制CPU时刻通过人机界面和自动控制模式的G代码、M代码或FST代码的编译结果来获得控制请求。

图2上位机软件模块控制字

　　通过不同的请求来修改控制字的不同位，在获得控制请求的时候可能有多个控制请求，设计软件把所有的请求分为了三个等级，主轴控制

　　为最高级别，电机控制和换刀控制为中等级别，读取各个状态为最低级别，每档级别中还有不同事件，采用先来先服务(即FIFS：first input firstservice)的原则。为了保证软件设计的健壮性和系统的稳定型，在通信成功之后要复位控制字的相关位，在通信过程中可能由于某种原因导致的通信中断和通信错误，采用双机制程序设计：如果通信不成功再次进行通信，如果三次通信失败进行系统报警处理，同时进行通信软件诊断。通信模块是指上位机与PLC的通信模块，它包括：通信硬件接口的初始化、数据接收发送、通信协议的制定、数据打包和解包、数据的效验等待。

　　WM：工作模式设置位，独立型PLC模块共有自动、点动、单步和回零四种工作模式。
　　WS：主轴速度设定位；
　　WW：1静电机目标位置设定位；
　　WW1：错电机目标位置设定位：
　　WF：1#电机最高速度设定位；
　　WF1：2#电机最高速度设定位；
　　WT：1#刀架目标刀位设定位；
　　WT1：2#刀架目标刀位设定位；
　　WC：主轴准停位置设定位；
　　XX：备用；
　　RS：读取主轴速度设定位；
　　RC：读取主轴当前位置设定位；
　　RW：读取1#电机当前位置设定位；
　　RWl：读取2#电机当前位置设定位；
　　RT：读取1#温度值设定位：
　　RTl：读取2#温度值设定位：