基于IEC611313的开放式数控系统开发

0 引言

　　从近年来的市场情况来看，尤其是欧洲市场，由于IEC61131标准推广应用，基于IEC61131-3的开放式数控系统已逐渐成为开放式数控系统的主流，有看成为未来开放式数控系统的标准：硬件系统按美国OMAC Packaging Workgroup（OMAC包装工作组，简称OPW）概念分为三种，通过在软件或硬件PLC上运行IEC61131-3语言编制的用户软件来实现运动控制、插补运算、G代码控制等CNC标准功能，同时实现PLC逻辑控制功能。鉴于这种开放式数控系统在技术上的突破主要体现在采用IEC61131-3语言编程实现CNC功能，故称为基于IEC61131-3的开放式数控系统。

1 硬件系统

　　OPW为美国OMAC Users Group（OMAC用户组）下设的一个工作组，致力于在包装机械行业推广运动控制解决方案，在其《包装机械自动化导则》中确立了一整套数字化运动控制系统的概念。在综合、扩展现有硬件系统结构的基础上，OPW确立了三种硬件系统结构的概念，分别是控制器平台系统结构（Controller-Based System Architecture）、PC平台系统结构（PC-Based System Architecture）、驱动器平台系统结构（Drive-Based System Architecture）。

　　OMAC固然设在美国，但是受到欧洲控制系统供给商的广泛支持，西门子、施耐德等多家欧洲厂商是该组织的成员，其中西门子公司严格按照OPW概念推出了Simotion系列运动控制产品，共有Simotion C、Simotion P、Simotion D三种，分别对应上述OPW三种平台。

　　1.1 控制器平台系统

图1：控制器平台系统结构逻辑连接图

　　按照OPW概念，图1中所示控制器（Controller）作为控制系统的核心，是一独立硬件实体，可实现逻辑控制与运动控制等功能；HMI是可选件，即使是PC做为HMI的硬件，也只能实现HMI软件功能；分布式I/O及带有数字设定接口的驱动器通过现场总线与控制器相连。

　　固然OPW没有明确指出控制器是何种控制器，但这里的控制器实际上是扩展了运动控制功能的PLC，主要由于：采用了与PLC相一致的硬件时钟实现扫描周期与中断等；其逻辑控制与运动控制功能均采用PLC标准编程语言IEC61131-3语言实现。西门子公司固然未把Simotion C运动控制系统称为PLC，但该产品实际上是在SIMATIC S7系列PLC基础上扩展了运动控制功能，可以直接使用 SIMATIC S7系列 PLC的 I/O 模板及功能模板。从施耐德公司产品上，可以更加明显地了解到这一点，其最初的运动控制产品就是在Modicon Premium系列PLC底板上插接运动控制功能模块，直接在标准PLC上扩展了运动控制功能。

　　在实际应用中，PLC硬件有两种结构形式，一种是传统结构的PLC硬件系统，其组件全部安装在独立的机架上，另外一种是插进到PC主板中的插槽式PLC硬件系统。西门子Simotion C属于前者，而施耐德Modicon Premium系列PLC有一款Atrium插槽式PLC，PLC的CPU及总线模块集成在一块PC板卡上，插进到PC的PCI总线插槽中，然后通过总线与外置机架上的运动控制功能模块、I/O模块等进行通讯。Atrium插槽式PLC 完全独立于PC运行：标准PC机的“重起”命令对插槽式PLC的操纵模式不起作用；将PC机封闭后再打开，会导致槽式PLC治理的程序热启动，但是重启动不会丢失应用程序内容；可插接在PC插槽中的 24 V电源答应插槽式PLC独立于PC电源工作。

　　OPW共推荐了两种现场总线，用于连接控制器与分布式I/O模块及带有数字设定接口驱动器：SERCOS与PROFIBUS总线。实际应用中很多产品中采用了其他方式：可以采用其他现场总线，比如施耐德采用了CANopen总线；对于传统的PLC系统，也可不采用分布式I/O及采用传统的±10V模拟信号与带有模拟设定接口的驱动器相连接。

　　由于IEC61131-3语言编程工具的发展，控制软件具有硬件无关性、可移植性等开放性特性，给了后起的控制系统供给商甚至机床制造厂家打破传统控制系统供给商市场垄断的机遇。在欧洲市场上，后起的控制系统供给商甚至机床制造厂家就像PC组装厂家一样，购买芯片等硬件元件，独立配置控制器系统，购买专业软件公司的IEC61131-3语言编程工具与软件模块，也可自行编制软件模块，从而打破了西门子公司等传统控制系统供给商的垄断。

　　1.2 PC平台系统

图2：PC平台系统结构逻辑连接图

 　　按照OPW概念，图2中所示PC作为控制系统的核心，通过运行HMI（可选）、逻辑控制、运动控制等功能软件，可实现HMI、逻辑控制与运动控制等功能；HMI硬件是可选件，一般为PC显示器；分布式I/O模块及带有数字设定接口的驱动器通过现场总线与PC相连；PC机与机床上的分布式I/O及带有数字设定接口的驱动器通过插进到PC机插槽上的总线卡通讯联系。

　　在PC平台上实现I/O等控制功能，首先要通过IEC61131-3语言编程工具，在PC中模拟PLC硬件，也就是以软PLC的方式实现各种控制功能。

　　PC平台系统结构是最具开放性的硬件平台，这是由于应用软件运行在扩展了实时性能的MS Windows系列操纵系统及通用产业PC机之上，控制系统提供商只需潜心于开发工具与软件模块等控制软件即可。PC平台系统产品的竞争力，主要来自于软件，这给了后起的小型专业软件公司打破传统控制系统供给商市场垄断的机遇，这也是开放式控制系统的优越性所在。