淺談基于CNC 的軟PLC 虛擬機中元件庫的研究論文

　　0 引言

　　數(shù)控是用數(shù)字信息對機械運動和自動化加工過程進行控制的技術(shù)，是現(xiàn)代國家制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的象征，已有50 多年的發(fā)展歷史。如今，隨著市場競爭日趨激烈，被加工零件的精益求精及微型計算機的迅猛發(fā)展，軟PLC 發(fā)展成為進一步提高數(shù)控技術(shù)、實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)開放化的重要手段。軟PLC 能夠充分利用工業(yè)控制計算機( IPC) 或嵌入式計算機( EPC) 的硬件和軟件資源，改變傳統(tǒng)硬件PLC繁瑣、呆板的缺點，全部用軟件靈活地來實現(xiàn)數(shù)控功能。

　　1 軟PLC 虛擬機系統(tǒng)

　　在數(shù)控機床運行過程中，PLC 是機床本體與數(shù)控裝置之間的橋梁。它根據(jù)CNC 內(nèi)部標志以及機床的各控制開關(guān)、檢測元件、運行部件的狀態(tài)，按照程序設(shè)定的控制邏輯，完成對刀庫運動、換刀機構(gòu)、冷卻液等的控制功能。

　　1. 1 軟PLC

　　軟PLC 采取基于虛擬機的解決方案，分為開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)兩部分。開發(fā)系統(tǒng)實際上就是編程器，完成調(diào)試和編譯工作。運行系統(tǒng)是軟PLC 的核心，完成輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理等工作。

　　1. 2 軟PLC 虛擬機

　　軟PLC 虛擬機是相對我們平常所用的實際的計算機而言的一個概念，它是一個假想的模擬實際計算機進行工作的軟件系統(tǒng)，由編譯器、解釋執(zhí)行器、元件庫和管理模塊組成，可以完成對圖文件的編譯、中間代碼生成和解釋執(zhí)行，對PLC 文件的加載和執(zhí)行。其中，元件庫提供了梯形圖元件的相關(guān)信息，作為一個單獨的模塊可動態(tài)升級，可根據(jù)用戶的需要進行裁減。這種架構(gòu)給PLC 虛擬機帶來了極大的`靈活性和可擴展型，是數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)開放化的關(guān)鍵技術(shù)。

　　2 軟PLC 中元件庫模塊的研究

　　2. 1 元件及元件庫

　　梯形圖中的觸點、線圈和用方框表示的功能塊，把這些繪圖元素叫做“元件”。由于“元件”在梯形圖中作為梯形圖的繪圖元素，因此元件中包括其所具有的自身參數(shù)( 輸入?yún)��?shù)、輸出參數(shù)) 和功能函數(shù)( 邏輯行為) 。

　　所有的元件按照一定的分類規(guī)則組合在一起，稱元件的組合為元件庫。元件庫是軟PLC 虛擬機中獨立的模塊，包含元件的繪圖信息和行為信息，提供了一組對外訪問的接口，其它模塊通過這些接口獲取希望獲得的信息。

　　2. 2 元件庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　由于標準中規(guī)定的元件數(shù)量較多，為了便于信息查找，可對其建模過程采用按類型分組的策略，功能相近的元件分在同一個元件組中，采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是鏈表。每個元件庫包含一個元件組鏈表，該鏈表的結(jié)點為元件組的信息，每個元件組又包含一個元件鏈表，結(jié)點為元件。2. 3 開發(fā)語言及編程工具的選擇

　　開發(fā)元件庫，可以選擇當今業(yè)界流行的C + + 語言，C + + 是C 的派生，是C 的超集，是一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言( Object - Oriented Programming Language，OOPL) ，具有封裝性、繼承性、多態(tài)性等獨到之處，使程序結(jié)構(gòu)更加清晰，更易于擴充和維護，更加靈活，程序設(shè)計者能更好地理解和管理龐大的復(fù)雜程序。

　　3 標準元件庫的創(chuàng)建

　　3. 1 實現(xiàn)原則

　　元件庫創(chuàng)建的過程中，采用了C + + 標準程序庫，提供了容器和泛性算法。比如: 實現(xiàn)元件庫模型中的實體類時，使用了標準庫中提供的元素，包括pair、wstring 等類型和list、vector 等容器，直接調(diào)用容器類提供的成員函數(shù)，不但避免了自己設(shè)計鏈表、動態(tài)數(shù)組等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生的錯誤，而且對軟件的可靠性有了很大的提高，大大提高了開發(fā)效率和程序質(zhì)量。

　　3. 2 元件庫的組類

　　元件的信息分成兩部分描述。一部分為靜態(tài)信息，包括繪圖信息和參數(shù)信息，抽象出元件基類CBaseUnit，具體的元件類都繼承自元件基類，例如元件ID、元件大小、元件名稱和參數(shù)表等屬性的初始化和描述; 另一部分為動態(tài)信息，也就是元件的行為信息，抽象出行為抽象基類CDictate，具體元件行為的描述都繼承自該類，例如純虛函數(shù)Run。通過兩部分信息結(jié)合，完成對元件描述和類型聲明。

　　由于元件較多，所以采取了分組策略，將標準中規(guī)定的功能相關(guān)的元件放在一組當中，產(chǎn)生元件組。對元件組類的聲明可以如下:

　　class CUnitGroup

　　{

　　public:

　　CUnitGroup( ) ;

　　virtual ～ CUnitGroup( ) ;

　　void AddUnit ( CBaseUnit * pUnit) ; / /向元件組中添加元件

　　成員函數(shù)定義略……

　　private:

　　unsigned int m_nID; / /組ID

　　std: : wstring m_szName; / /組名稱

　　std: : list < CBaseUnit* > Units m_units; / /元件

　　組中包含元件鏈表

　　} ;

　　元件組實例對象可以通過調(diào)用AddUnit 成員函數(shù)向元件組添加元件，使得元件組中成員變量鏈表的節(jié)點是元件對象的指針，對元件的操作可通過遍歷元件組來實現(xiàn)。

　　3. 3 標準元件庫的實現(xiàn)

　　標準元件庫中共包括觸點組、線圈組、程序控制組、計數(shù)器指令組、定時器指令組、數(shù)學運算組、邏輯運算組等多個元件組，將標準中的元件按功能分配到相應(yīng)的元件組中。在元件庫中需要將具體的元件組組織起來，并且通過公有接口提供給系統(tǒng)中的其它模塊。針對元件庫的功能出元件庫基類CBaseUnitTempl，在該類中包含成員變量std: : list < CUnitGroup *> namedUnitGroups，該成員變量把元件組的指針作為鏈表的節(jié)點，可以把元件組對象的指針存放在該鏈表對象namedUnitGroups 中。此外，該基類主要包含了一組虛函數(shù)，標準元件庫繼承該基類，并對繼承的接口進行重寫，元件庫中接口按功能主要分為以下4類:

　　( 1) 元件庫信息相關(guān)接口，包括獲取元件庫ID號、是否是標準元件庫等接口。

　　( 2) 元件組信息相關(guān)接口，包括獲取元件組名稱、各個元件組中元件的數(shù)量、創(chuàng)建新的元件組等接口。

　　( 3) 判斷元件類型的接口，包括判斷元件是否為直線、是否為觸點等接口。

　　( 4) 元件信息相關(guān)的接口，包括獲取元件參數(shù)類型、獲取元件大小、獲取元件名稱等接口。

　　4 總結(jié)

　　開放式數(shù)控系統(tǒng)是當今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向，軟PLC 因具有更好的數(shù)據(jù)處理能力、網(wǎng)絡(luò)通訊能力和開放的體系結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的硬PLC 替而代之。筆者以FANUC 數(shù)控系統(tǒng)作為硬件平臺，對軟PLC 技術(shù)進行分析，尤其是元件庫模塊進行了研究設(shè)計，提出了新的解決方案，解決了傳統(tǒng)封閉式數(shù)控系統(tǒng)兼容性差、功能不易擴展等問題，提高數(shù)控系統(tǒng)的開放性、降低成本。

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