嵌入式数控系统中PLC模块的设计与实现

引言

　　近年来，嵌入式数控系统已成为研究热点。PLC模块是数控系统的重要组成部分，它与数控装置配合，完成机床开关量控制。工业自动化控制领域的国际编程标准IEC61131的推出和实施，打破以前各PLC生产厂商的产品不兼容的‘局限性。充分利用嵌入式系统硬件和软件资源，使PLC的性价比大大提高。相对于通用型PLC，嵌入式PLC具有兼容性、通用性、性价比高、网络连接简便、编程方便等优点。目前，大多数嵌人式PLC以Windows CE系统为操作平台，具有操作界面良好、程序开发相对容易等优点，但Windows操作系统是收费的，这将增加数控系统的开发应用成本。本文中嵌入式PLC配合数控系统的开发，以免费的具有开放式源码和良好可靠性的Linux系统作为软件平台，利用C语言在普通PC上做好设计和开发，再将软件移植到嵌入式数控系统中。

1 数控系统中嵌入式PLC系统框图

　　如图1所示，嵌入式PLC系统由硬件层、引导层、驱动层、系统层、用户层构成。硬件层是整个系统的最底层，驱动层是应用层与硬件层之间的一个纽带，系统层用来管理系统的任务、用户层提供用户良好的人机界面，方便使用，用户层通过驱动层实现对硬件的控制。在数控机床中PLC主要实现对机床的坐标的零位控制、主轴的起停、冷却液的起停、自动润滑以及过载、超程、碰撞、掉电等紧急控制等。

图1嵌入式PLC系统结构图

2 嵌入式PLC硬件结构框图

　　PLC的硬件电路采用“ARM+CPLD”的方案来实现。如图2所示，其中ARM和CPLD通过三总线连接，数据总线为16根，分别为D[O~15]，而地址总线5根，分别为A[0~4]，控制总线为4根，分别为NEW、NOE、OE1和片选信号NGCS2。ARM外围设计利用HHARM2410开发板进行再开发，底板上现有一个RS-232串口、一个RJ-45以太网口与宿主机通讯、一个USB设备接口、一个LCD及触摸屏接口，在这基础上，增加CAN总线功能模块电路，并引出S3C2410核心板上的空余引脚以达到本系统控制要求。

图2嵌入式PLC硬件结构图

　　ARM9通过RS-232通讯接口和以太网口与宿主机通讯，利用宿主机在Redhat9．0 Linux操作系统以上的平台上进行驱动开发、程序调试和数据传输；HHARM2410核心板中的存储系统较小，为达到开发系统的要求，利用USB设备接口提供方便的移动存储。外围设计主要是PLC的I／O模块和主轴及进给轴的A／D模块，其中PLC的I／O模块主要用于PLC的开关量的输人与输出，用来采集机床传感器的信号、控制主轴和冷却液等电机的启停。而A／D模块则是用于主轴和进给轴的调速。采集的信号通过CAN模块发送给上位机，上位机调用解释程序处理后通过CAN模块把结果发送下位机，实现电气开关量控制。