基于PLCopen的数控机械控制器研究与开发

摘 要：本文以“数控一代”作为研究背景，对基于PLCopen的数据机械控制器进行了研究与开发，在研究的过程中，要对数控机械运动控制系统进行完善，还要对相关控制技术进行改进，提高机械控制器的性能，实现产品的创新，提高产品的工作效率。

关键词：PLCopen；数控；机械；控制器；研究

数控一代机械产品在发展与规划的过程中，需要利用数字控制技术，还要利用性能优良的装置，当前社会，机械产品的种类以及功能越来越多，为了提高生产的效率，相关技术人员还需要不断的完善机械控制器的运行系统。基于PLCopen的数控机械控制器，可以实现系统灵活、高效的运行，下面笔者对这一控制器的研究与开发进行简单介绍，以供参考。

1 PLCopen运动控制规范研究

PLCopen运动规范在数控机械控制器中发挥着重要的作用，其可以解决控制系统不兼容的问题，还可以优化控制方案，通过修改运动控制编程，实现运动控制编程的标准化发展，需要做好编程语言的标准化管理，在运动控制解决方案中推行标准化编程语言，可以提高控制的精确性。在PLCopen运动控制规范中，需要做好以下几项规范工作：首先，要对运动控制功能块进行规范化管理，其次，要对运动模块的功能进行扩展，再次，要对用户使用进行规范指导，最后，还要对协同运动、回零过程控制功能块以及液压部分扩展功能块进行优化。这些功能块在优化时结合轴状态机的定义。

2 PLCopen运动控制库的实现

2.1 运动控制功能块总体设计

PLCopen运动控制块的语言编程主要是FBD，这一功能块需要利用软件模型，还需要利用内部运动控制算法。功能块的数量比较多，在研究的过程中，在对不同的功能块下进行定义时，需要做好标识工作，对输入以及输出变量进行定义时，要将运动控制算法作为主要的参考依据，由于这部门功能是对用户隐蔽的，所以，在开发的过程中，一定要结合用户的需求，做好变量的设定工作。

功能块对轴的作用机理如图1所示。轴数据变量Axis，作为公共的数据电缆联系并贯穿于整个控制方案的始终，各个功能块根据自身的控制功能，完成对单轴数据结构体中控制信息和反馈信息的处理，最后在TwinCAT的任务调度下，以及经过必要的数据变换，完成对电机的控制。多轴和轴组功能块的控制作用是在单轴功能块作用机理的基础上实施的。

本文PLCopen运动控制库开发，主要分为五大模块，如图2所示：电源开/关管理模块、功能块参数配置和状态管理模块、运动控制信息管理模块、错误信息管理和复位模块以及运动控制执行模块。图中的箭头指向表示了控制相关信息流的流向，其中前四个模块由PLCopen运动控制库中的管理类功能块完成，而运动控制执行模块则由运动控制类功能块完成。

其中，运动控制执行模块是运动控制库控制的核心部分，其可以完成对单轴运动速度的控制工作，还可以对轴之间进行协同控制，保证机械控制器可以稳定的运行，避免部件出现损坏等问题。轴组一般需要完成定位控制、运动中止或者继续等控制工作。管理型功能模块具有调节的作用，其可以对控制器运动情况以及工作状态进行监测与控制，还可以对相关参数设置的正确性进行检测，发挥着重要的协调作用。

2.2 运动控制库数据类型设计

在机械控制器中，有着较多的功能块，这些功能块发挥着不同的作用，相关技术人员需要做好模块接口变量的调节工作，还要对变量进行分析与处理，使之形成数据结构体。在研究与开发的过程中，要对运动控制库的数据进行整合。在数据机械控制器中，数据的类型主要有三类，第一类是基本数据类型，第二类是类属数据类型，第三类是导出数据类型，这三种数据在处理时需要采用不同的方式。将PLCopen运动控制库应用在开发与研究中，需要做好数据调整工作，要助于轴与轴相关数据的融合问题。

2.3 Visual C++环境下的PLCopen运动控制库开发

本文PLCopen运动控制库是在Visual C++环境下

利用C语言进行开发的，这样一方面可以更加灵活方便地进行控制算法的编程；另一方面，用C语言开发的PLCopen运动控制库可以很方便地实现不同硬件平台上的移植，实现运动控制库函数的通用性。开发工作包括两个步骤，即TwinCAT平台下的功能块的组织结构和接口变量设计以及Visual C++平台下的功能块控制算法实现，这样导出的.lib文件和.obj文件共同构成PLCopen运动控制库。本文开发的PLCopen运动控制库包括单轴、多轴以及轴组控制功能，共计54个功能块，另外，为了方便后面数控机械功能库的开发，本文还开发了符合PLCopen运动控制规范的自定义功能块，如点动控制、虚拟主轴功能块等。

2.4 PLCopen运动控制库开发过程中的关键问题

（1）为了保证系统运行的过程中各个功能都能保证其运行的完整性和独立性，要对单轴参考数据类型的系统进行科学合理的设计。（2）为了更好的保证咒诅功能模块在运行过程中的多轴协同控制和物理单轴和概念轴之间保持密切的联系，需要对数据类型AXES_GROUP_REF进行设计。（3）为了保证多个功能块以及不同轴之间的合理控制，同时还要保证控制方案能够按照对应的时间和逻辑关系去执行，一定要合理的对PLCopen状态机进行设计，保证设计的质量。（4）对运动控制类模块进行设计的时候，需要充分考虑到减速运动状态下模块的设计和执行。只有这样才能更好的保证模块设计的合理性和模块运行的稳定性。（5）对轴组能模块设计的时候需要用到概念轴组建立法，这种方法是 设计过程中最常用的一种方法，所以这种方法也是相对比较成熟 和稳定的方法。

结束语

IEC61131-3编程语言标准是计算机编程技术和PLC技术的一种完美的融合，这一标准为系统控制软件的开发提供了一个更加有效的途径，同时它也是在该领域当中出现的一种新型的事物，PLCopen标准化的运动控制在工业生产领域 正在产生巨大的影响，对 我国工业和数控机床技术的不断发展和壮大起到了非常明显的推动作用，所以这种设备也必将会成为数控领域和机械生产领域的一个重要的参与者，它会给人们的生产和生活带来巨大的变化。

参考文献

[1]周济，邵新宇，周艳红.《“数控一代”机械产品创新工程》的战略意义和技术路线[J].中国机械工程，2012，23（1）：1-6.

[2]祝宪民.“智能制造”和“数控一代”纺织机械发展探讨[J].纺织机械，2011，（5）：2-4.

[3]罗伯特・杉布，王蔚庭.IEC61131-3国际标准简介[J].国内外机电一体化技术，2001：4（1）：53-57.

[4]郇极，靳阳，肖文磊.基于工业控制编程语言IEC61131-3的数控系统软件设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.