五轴数控铣床软PLC控制系统的研究

2 软PLC运行系统的设计

　　2.1 系统管理模块

　　系统管理模块是软PLC运行系统的“大脑”，用于运行时分配系统资源，调度任务线程并监控系统的运行状态。在一个扫描周期内，如何调度各任务线程是保证软PLC稳定运行的关键。本文利用RTXAPI函数库中提供的RtSetThreadPriority()函数根据执行的先后顺序设定各任务线程优先级，当某一任务事件触发后，线程队列中等级最高的线程优先获得CPU时间片被执行，从而实现任务线程的合理调度。任务线程执行过程如图3图示。

图3软PLC任务线程执行过程

　　2.2 通信接口模块

　　通讯接口模块用于建立软PLC运行系统与开发系统、软CNC、人机操作面板以及其它应用程序进行数据通讯任务。其中，软PLC开发系统与运行系统采用COM组件方式进行通讯，即开发系统作为客户端向运行系统传送目标代码，运行系统作为服务器端接收目标代码并反馈软PLC的运行状态。

　　软PLC运行系统与软CNC、人机操作面板通过访问自创建的共享内存区单元PLC—CNCbuffer、PLC—Platebuffer进行数据交换。由Communication类来实现上述通信任务。

　　2.3 存储模块

　　存储模块用来保存软PLC运行过程中所需的数据、操作指令和数据地址，可表示为：存储模块=数据地址+数据+操作指令，因此将其分为三个子模块：用户程序存储模块、数据存储模块和指令存储模块。

　　用户程序存储模块用于保存开发系统编译完成的目标代码。这些目标代码是C／C++语句；例如ANDx0操作对应如下C++代码：

　　{strcpy(m—statement．m—basicorder．address[O]，”x0”)； ／／提取软元件X0中保存的数据m—statement．m—basicorder．funcname=INSTRUCTION—AndBit；／／提供对数据Xo的操作p_execute一>pstru—fun·clist一>insertAtBack(m—statement)； ／／更新链表数据域中的数据}

　　数据存储模块用于存储输入／输出端子的状态、内部继电器、定时器的状态和功能块逻辑运算的中间结果等数据。这些数据作为全局变量供软PLC控制系统各模块进行访问和修改。在执行用户程序过程中，CPU根据指令存储模块中指令参数的地址来访问数据存储模块区，获取数据进行逻辑运算。

　　指令存储模块用于存储PLC指令。每条指令对应一个C++函数，函数中封装了对数据的操作。例如：逻辑与指令对应函数ReadInputAndBit()，具体实现如下：

　　2.4 程序执行模块

　　程序执行模块用于解释和执行目标代码，通过调用相应的C++函数对堆栈进行操作，获取控制信息。下面以五轴数控铣床主轴正转梯形图程序(图4)说明软PLC指令的执行过程。

图4五轴数控铣床主轴正转梯形图程序

　　图3所示梯形图程序执行过程如下：

　　第一步：清除堆栈stack，遇到X0串联，将X0压人栈顶；第二步：遇到xl串联，弹出栈顶元素，将xl和X0逻辑或运算的结果压人栈顶；第三步：遇到并联分支点A；创建临时变量temp=0，将栈顶元素的值赋给temp，并弹出栈顶元素；第四步：遇到)(3串联，将)(3压人栈顶；第五步：遇到X4串联，弹出栈顶元素)(3，将X4与X3进行逻辑或运算，结果压人栈顶；第六步：遇到并联分支点B，弹出栈顶元素，将栈顶元素与temp进行逻辑或运算，结果赋给temp；第七步：遇到Y0串联，将Y0压入栈顶；第八步：遇到Y1串联，弹出栈顶元素Y0，将Yl和Y0逻辑与运算的结果压入栈顶；第九步：遇到并联分支点C；弹出栈顶元素，将栈顶元素与temp进行逻辑或运算，结果赋给temp；第十步：遇到x2串联，将temp与X2逻辑与运算的结果压入栈顶；第十一步：遇到Y0线圈，将栈顶元素的值赋给Y0并弹出堆栈；第十二步：将Y0值输出，清除堆栈stack。程序执行模块不断循环解释执行软PLC指令，直到执行END指令。软PLC程序执行模块工作过程如图5所示。注意：这里的跳转指令不是指PLC系统中的跳转指令，而是指梯形图程序中复杂的并联分支块引起的跳转。

图5软PLC解释和执行指令流程图 

　　2.5 I／O接口模块

　　I/O接口模块是软PLC与输入输出设备进行数据交换的通道，用于将I／O板卡采集到的机床信号写进输人映像寄存器，同时将输出映像寄存器中软元件的状态输出给端子。I／O读写过程分为两步：第一，根据五轴数控铣床电气I／O端口分配表在软PLC系统内存中建立对应物理I／O节点变量，完成端口配置；第二，调用I／O接口模块内部的读写函数，在下一个扫描周期开始将软元件状态输出，完成数据交换。

　　为智能读取数据和进一步提高I／O接口物理层的开放性，软PLC采用图6所示结构对I／O数据存储区的变量统一编址。

图6按字节、字和双字方式编址

　　I／O接口模块采用按位、字节、字和双字的寻址方式向读写函数提供操作数地址，并把I／O数据存储器变量区划分为6个区域，每个区域存储相应变量数据。其中，按位寻址的尾部编址采用了字节号加分隔符加位号的形式。