基于开放式数控系统中嵌入式PLC体系结构分析

0 前言

　　CNC数控系统的控制信号有两类，一类是高速信号，主要用于各个联动坐标轴的插补运动；另一类是低速信号，主要用于控制主轴电机的运转、电磁阀的通断等开关量。低速信号的控制对象主要是一些高电压或大电流的强电设备，其控制采用可编程控制器具有可靠性高，柔性好等特点，而且随着可编程控制器本身性能价格比不断提高,在现CNC、FMS系统中的应用有不断上升的趋势。目前，可编程控制器在CNC 机床中的应用有3 种方式，其1是：可编程控制器和CNC机床数控装置采用单CPU组成的计算机系统，此系统中具有两指令处理系统，PLC 系统与CNC系统的通讯是通过软件接口，这种方式多用于复杂的数控系统，如美国的A -B公司的7360CNC系统；其2是：CNC机床数控系统与可编程控制器采用通讯接口相联接，一般采用标准的异步串行通讯接口RS-232C或RS422，可编程控制器直接用于过程量控制, 数控系统通过改变可编程控制器的设定值，实现对可编程控制器的直接控制；其3是：采用CNC数控系统扩展接口与通用可编程控制器输入端相联接。这是一种双CPU运行方式。此种方式硬件简单，数控系统对可编程控制器的控制能力较差，在简易CNC机床和普通机床的数控改造中多采用这种方式。数控系统内装型PLC从属于CNC装置，内装型PLC实际上是CNC装置带有PLC功能，存在于CNC系统的内部。内装型PLC的性能指标（如输入/输出点数、程序最大步数每步执行时间程序扫描时间、功能指令数目等）由所从属的CNC系统的规格、性能、适用机床的类型等确定的。硬件和软件部分作为CNC系统的基本功能或附加功能与CNC系统一起统一设计制造的。

1 可编程控制器基本结构分析

　　可编程控制器是面向工业现场的特殊计算机控制系统，从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

　　图1所示为一个小型PLC的硬件结构示意图。可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持。

图1  典型BP网络示意图

　　下面重点分析一下可编程控制器的CPU部分I/O接口部分。

　　1.1 微处理器CPU部分

　　CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，它主要完成以下功能：

　　1. 将输入信号送入PLC中存储起来；

　　2. 按存放的先后顺序取出用户指令，进行编译；

　　3. 完成用户指令规定的各种操作；

　　4. 将结果送到输出端；

　　5. 响应各种外围设备的要求；

　　小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M68000等，这类芯片价格很低，中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高，而大型PLC 则需采用高速位片式微处理器。

　　1.2 I/O 接口电路部分

　　输入输出接口(I/O) 是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载，继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。

　　现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。