基于IEC611313的开放式数控系统开发

　　1.3 驱动器平台系统

　　按照OPW概念，图3中所示集成了逻辑控制、运动控制软硬件功能的多组驱动器为控制系统的核心，除了驱动器自身的轴控制功能，可实现逻辑控制与运动控制等功能；HMI软硬件及独立的PLC是可选件；分布式I/O模块通过现场总线与驱动器相连。

图3：驱动器平台系统结构逻辑连接图

　　这是一种分布式运动控制系统，驱动器实际上是集成了紧凑型控制器的智能驱动器，能独立完成逻辑控制与运动控制功能。从目前把握的资料来看，市场上只有西门子Simotion D一种驱动器平台运动控制产品。

2 软件系统

　　基于IEC61131-3的开放式数控系统的开放性主要体现在软件方面。软件系统可分为系统软件、应用软件。系统软件包括实时操纵系统、通讯系统、设备驱动程序等。应用软件包括开发工具、用户程序等。

　　2.1 系统软件

　　操纵系统的实时性这一题目对于PC平台系统比较突出，这是由于PC上运行的MS Windows系列通用操纵系统原本面向贸易应用，并非面向产业实时控制。西门子公司等控制系统供给商曾对Windows的实时特性进行了测试，证实其存在“死机”、中断延迟等题目，并不具备硬实时特性。控制器平台及驱动器平台系统则不需要PC必须的操纵系统，而是严格按硬件时钟循环调用指令，也就不存在操纵系统的实时性这一题目。

　　解决操纵系统的实时性题目，目前应用最广的办法是为Windows扩展实时特性。美国Ardence（原VenturCom）公司RTX（Real-time Extension for Windows），是内置于Windows的实时操纵系统。RTX线程运行时，Windows的中断被屏蔽，但Windows不能屏蔽RTX治理的中断，Windows成为一个受RTX治理的任务，其优先级最低。RTX可以保证任意线程的最差响应时间为50us。德国3S（Smart Software Solution）公司CoDeSys SP RTE（Real Time Extension），同样是内置于Windows的实时操纵系统，由PC主板上的硬件时钟周期性调用，然后由RTE每毫秒产生两个硬件中断，一个用于执行CoDeSys任务，另一个用于执行Windows任务。1毫秒为默认时钟周期，可以更改，最短为50us，用于两个中断的时间比例也是可以设置的。也就是说，RTE把一个时钟周期分时用于CoDeSys任务与Windows任务，二者互不干扰。

　　目前通用数控系统的插补周期一般为1ms或1ms以下，以上两种Windows的实时扩展，均保证了Windows应用于数控系统的实时特性。

　　2.2 应用软件

　　应用软件包括开发工具与用户程序。PC平台系统中的PC既可以运行开发工具，也可以运行用户程序，而控制器平台与驱动器平台系统自身可以运行用户程序，可以另接PC运行开发工具。

　　2.2.1 开发工具

　　随着IEC61131标准的推广，涌现出很多符合这一标准的开发工具，如3S公司的CoDeSyS，Infoteam公司的OpenPCS等。IEC61131是国际电工委员会颁布的PLC国际标准，规定了二大类编程语言：文本化编程语言和图形化编程语言。前者包括指令清单语言（IL）和结构化文本语言（ST），后者包括梯形图语言（LD）、功能块图语言（FBD）和顺序功能图（SFC）。这些语言，最初是用于编制PLC逻辑控制程序的，但是由于PLCopen国际组织及专业化软件公司的努力，也可以用来编制运动控制与插补运算程序。

　　IEC61131编程语言是工控编程语言，与C语言等高级编程语言相比，在数据结构、程序结构、指令等方面相似（主要指的是ST语言），但是大幅简化，更易于自动化工程师把握，使得用户能够自行编制运动控制与插补运算程序，自行定义数控代码，这样具有了高度的开放性。

　　由于采用了适应自动控制要求的国际标准语言IEC61131-3语言，基于IEC61131-3的开放式数控系统有着高度的开放性与强大的生命力。

　　2.2.2 用户程序

　　用户程序指的是由IEC61131-3语言编制的实现逻辑控制、运动控制、插补运算功能的PLC程序，可以解读并执行G代码编制的数控加工程序。对于结构化的用户程序，最重要的是软件模块。由于基于IEC61131-3控制系统的开放性，软件模块可以由控制系统供给商编制，也可由用户编制，其使用对用户开放。对于开放式系统所要求的互换性、可移植性、硬件无关性等来说，主要体现在软件模块的互换性、可移植性、硬件无关性，这就产生了软件模块标准化的需求。

　　PLCopen国际组织致力于推广IEC61131-3语言的应用，其成员包括了世界主流控制系统供给商，上文中提到的西门子、施耐德、3S、Infoteam等公司均是其成员。作为一个国际组织，PLCopen与其成员西门子、施耐德等公司又同是美国OMAC组织的成员，在制定《包装机械自动化导则》工作中发挥了重要作用。实际上，由于PLCopen专注于IEC61131-3语言的推广，主要侧重于软件方面，它在硬件平台、机械结构等方面的设想体现在OPW的《包装机械自动化导则》中。

　　PLCopen国际组织在其技术规范《运动控制功能块》中制定了一整套标准的运动控制功能块。为了实现标准化，PLCopen分析定义了7种机床状态，机床的运动轴总是处于所定义的一种状态之下，运动命令使轴在这些状态之间相互转换，一根轴的运动命令总是顺序执行的。具体的状态、状态间的转换及功能块定义见图4。

　　PLCopen定义的7种状态为：1）Stand still保持静止；2）Homing回原点；3）Discrete motion断续运动；4）Continous motion连续运动；5）Synchronized同步运动，这就涉及了多轴运动；6）Stopping停止；7）Error stop故障停止。其中，3）、4）、5）为运动状态。

　　图4：功能块状态行为
注：此图为PLCopen在技术规范《运动控制功能块》Version1.0中的定义。

    状态之间的转换定义了功能块功能，共有单轴运动控制功能块MC_MoveAbsolute等10种，多轴运动控制功能块CamIn等5种，另有信息传递功能块MC_ReadStatus等10种，调用这有限的25种功能模块进行编程，就可实现机床的运动控制。

　　机床设备生产厂家可向3S、Infoteam等专业软件公司购买开发工具与运动控制功能块，选择一种控制系统硬件平台，根据设备的工作原理编制PLC程序，自行定义G代码、编制代码程序，以多重选择语句CASE……OF……调用代码程序的方式实现CNC控制，这在欧洲机床行业较为普遍。

　　PLCopen在技术规范《运动控制功能块》中为插补运算专设一部分，但是这一部分仍在建设中，至今没有公布任何标准性文件。另外，PLCopen并未在其技术规范中引进G代码，如需G代码控制，仍需用户自行定义编制。但是，PLCopen的某些成员，比如德国3S公司、Beckhoff公司，已经在用IEC61131-3语言实现插补运算与标准G代码控制方面取得了进展，推出了相应的产品。

　　现以德国3S（Smart Software Solution）公司CoDeSys Version2.3.7.2为例扼要先容。CoDeSys中有一个可选组件Softmotion用于实现标准G代码控制。除了总线、驱动器等硬件的驱动程序，所有组件均用IEC61131-3语言编制，适用于PC平台系统结构。目前能实现包括主轴在内的9轴控制，其中两轴用于非线性插补，其他轴为线性插补。在CNC程序编辑器中能同时以图形与文本的形式编制G代码程序，编程语言遵循DIN66025标准。

　　为了实现标准CNC代码控制需应用多种功能模块，其中插补模块、转换模块、直接设置点输进模块这三种模块对理解CNC代码控制的实现过程较为关键。插补模块对G代码程序进行处理，把G代码所描述的连续轨迹转变成离散的路径位置点，然后由转换模块把这些位置点分解为每一个轴上的座标点，再由直接设置点输进模块分别控制每一个轴的驱动器，实现目标轨迹。插补模块有两个，SMC_Interpolator和SMC_Interpolator2D，除了后者能实现正、反两方向的插补运算，二者功能相同。目前转换模块有六种，根据机床运动学原理进行分类，分为龙门系统（Portal Systems）、带有刀具偏置的龙门系统（Portal Systems with Tool Offset）、带有静态驱动器的H型龙门系统（H- Portal Systems with Stationary drives）、2关节平面关节机器人系统（2-Jointed Scara-Systems）、3关节平面关节机器人系统（3-Jointed Scara-Systems）、并联运动系统（Parallel Kinematics），每种又分正、反方向转换的模块。直接设置点输进模块通过驱动器制造商提供的驱动器驱动程序通讯，实现对驱动器的控制，根据控制原理的不同，可以分为按位置控制、按速度控制、按力矩控制三种。

3 结论

　　综上所述，由于基于IEC61131-3的开放式数控系统采用了PLC标准编程语言IEC61131-3语言，具有了高度的开放性，尤其在硬件系统及运动控制功能块方面形成了标准，使得其推广应用远景光明。但是在插补运算方面，尚未形成标准，这将是未来发展所需解决的题目。

　　我国数控行业可以鉴戒国外同行业开发新产品的经验。开放式数控系统的发展方向在软件。目前，可从控制器平台着手，购置芯片等硬件配置控制器，使用专业化软件公司提供的开发工具；然后再以这些开发工具为基础进行二次开发，终极研发出自己的基于IEC61131-3的开放式数控系统开发工具。实际上，国外某些著名控制系统供给商都在这样做，比如施耐德公司2007年推出的最新运动控制产品Lexium PAC，硬件结构属于控制器平台，开发工具即采用了3S公司的CoDeSys；西门子公司Simotion系列运动产品采用的开发工具Scout即是在Infoteam公司的OpenPCS基础上二次开发而来。