基于PLC的嵌入式数控机床控制系统设计
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摘 要：由于PLC技术具备的高可靠性、强抗干扰性、适用于恶劣生产环境等优势，在工业控制领域中得到了广泛的应用。对此，基于PLC技术提出一种新的嵌入式数控机床控制系统，通过对其硬件结构及数控机床控制数据通信接收、基于PLC的控制数据映射设计，最终实现系统对数控机床控制程序的执行。通过对比实验进一步证明，该系统与传统控制系统相比误差率更低，更具有应用价值。
关键词：PLC;嵌入式;数控机床;控制系统
中图分类号：TP391.8 文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2020）06-0107-02
Abstract： Because of the advantages of high reliability， strong anti-interference and suitable for harsh production environment， PLC technology has been widely used in the field of industrial control. In view of this， a new embedded CNC machine tool control system is proposed based on PLC technology. Through the communication and reception of its hardware structure and CNC machine tool control data， and the design of control data mapping based on PLC， the system finally realizes the execution of CNC machine tool control program. Through the comparative experiment， it is further proved that the error rate of this system is lower than that of the traditional control system， and it has more application value.
Keywords： PLC; embedded; CNC machine tool; control system
引言
PLC也称为可编程控制器，是由计算机实现对继电器的控制发展而来的一种全自动化的控制装置。PLC具备传统继电器中操作简单、成本低廉等优势，同时又具备计算机中运用灵活、功能完备的优势，因此在众多要求可靠性高且工作环境恶劣的领域得到而很好的发展，但目前仍没有一套结构完善、功能强大的基于PLC的数控机床控制系统[1]。传统数控机床的控制主要是通过人为的方式进行，一旦设备出现故障会严重影响工作人员的人身安全，因此本文提出一种全新的基于PLC的嵌入式数控机床控制系统，通过对其硬件结构及软件中的功能进行设计，为工业控制领域的安全生产提供保障。
1 基于PLC的嵌入式数控机床控制系统硬件设计
基于PLC的嵌入式数控机床控制系统硬件部分是由微型处理器、存储设备、输入输出设备以及设备之间连接的电路组成的系统硬件结构。硬件结构为系统中的软件及软件的运行提供良好的运行环境[2]。硬件结构中，嵌入式的微型处理器装置是本文系统的硬件核心部分，主要负责控制整个嵌入式数控机床的运行[2]。外部设备主要用于本文系统与数控机床现场的环境进行交互，其中包括用于对数据信息进行保留的存储设备、计算机接口设备以及用于制作控制过程中数据表格的打印设备等。在本文系统实际应用过程中，用户可以根据不同的需要，选择不同的硬件平台。因此，在系统中的嵌入式计算机应该与标准计算机完全兼容，并且其它硬件结构也应与标准计算机相同，实现本文系统完成与标准计算机相同的工作任务。
保证本文设计的基于PLC的嵌入式数控机床控制系统能够在数控机床现场恶劣的环境当中正常的运行，在系统输入接口处位置的连接线路选用具备光电隔离工能以及滤波功能的电路[3]。输入接口的线路主要用于接收和收集开关量输入的信号以及模拟量信号。通过微型处理器设备的输入接口线路一般是由寄存设备、选通线路以及带有中断请求逻辑的线路三部分构成，将以上三种组成结构连接在一个芯片上形成完整的电路集成。
在输出接口线路中的继电器装置输出时，由于继电器装置上的线圈与两个导体间可供电流通过的接触面是相互隔离的，因此可以将其分别连接在具有不同性质以及不同电压等级的电路当中。根据这一原理，在本文设计的系统上可以利用PLC将继电器装置输出电路中的内部电路与PLC的外部驱动在电路中间完全的隔离，實现两部分结构在不受另一方影响的情况下，稳定的运行。
2 基于PLC的嵌入式数控机床控制系统软件设计
基于PLC对嵌入式数控机床控制系统软件功能的设计包括对数控机床控制数据通信的接收功能、基于PLC的控制数据输入映射功能、控制状态值逻辑处理功能以及控制程序最终的执行功能。图1为基于PLC的嵌入式数控机床控制系统运行基本流程。
根据图1中系统的运行基本流程对系统中数控机床控制数据通信接收、基于PLC的控制数据映射以及实现数控机床控制程序执行进行详细的说明。
2.1 数控机床控制数据通信接收
数控机床控制数据通信接收是系统运行的第一个阶段，是通过接口板获取端口上的控制数据信息[4]。由于在系统实际运行中，控制数据信息常常会存在无效数据。因此，需要利用PLC以扫描的方式，按照控制顺序对接收到的控制数据进行采集，并将其中有效的控制数据填入到存储器当中，再进入系统的处理阶段当中。在进行程序控制执行的阶段，通过数控机床控制数据通信接收保证当输入的控制数据发生变化的情况下，存储器当中已有的控制数据不会受到影响发生改变，控制数据的改变只会通过在下一阶段中的控制数据通信接收改变。 2.2 基于PLC的控制数据映射
当完成数控机床控制数据通信接收后，再次通过系统的计算机接口实现对控制数据的通信，并获取到2个8位数的16进制数，通过对该数据进行映射，最终获取到每个控制点位上的数值，再用特定的变量对每个点位的数值进行保存，实现区域性映射[5]。基于PLC的控制数据映射是系统中一项十分重要的环节，只有通过这一环节才能将用户输入的参数信息转换为具体的功能，从而在系统当中实现对数据机床的控制。通过本文上述数据的采集阶段，已经将用户编写的语言程序转变为了系统可以运行的数据，再利用计算机接口板的端口状态对信息进行实时的存储，并将其输入到映射区域当中，通过映射环节再将数据中原本的语义、词义等分析出来，从而做出正确的控制。
2.3 实现数控机床控制程序执行
为了实现系统对数控机床控制程序执行，首先需要根据用户实际输入的信息，经过控制程序执行后得到相应的预想结果[6]。在逻辑构造当中，根据设备元件的各项信息将保留的输出控制数据的变量与系统中对应的位置进行连接，实现设备元件与系统端口额的额状态数值实时连接的效果。
通过编译环节将控制程序差分成多个不同的单元，再将其分别进行转换。在每个逻辑当中都分别对应一个数据机床上的设备元件，节点位置表示各个控制逻辑与逻辑功能的节点。再对逻辑进行后序周游，并在后序周游的过程中，系统开始对各个控制命令进行逻辑运算，并将运算结果输出到映射区域。最终通过映射区域输出的结果执行相应的控制程序，实现对数控机床的控制。
3 实验论证分析
3.1 实验准备
首先将本文系统与传统控制系统共同建立在实时操作系统环境当中，分别选取两种规格、型号完全相同的数控机床作为实验对象，设置本文系统为实验组，传统控制系统为对照组，分别在实验组和对照组中添加一位实验人员作为系统的使用用户，对两组系统输入同样的数控机床控制信息，待两组系统均完成相应的运行后，将两组系统的实验结果相关数据进行记录。
3.2 实验结果及分析
根据记录的实验结果，计算出两组系统的误差率，并绘制成如图2所示的实验结果对比图。
从图2中的两条曲线可以看出，实验组的误差率明显低于对照组的误差率。且实验组的误差率曲线波动幅度较缓，而对照组的误差率波动幅度较大。因此通过对比实验证明，本文提出的基于PLC的嵌入式数控机床控制系统对数控机床的控制准确性和稳定性更高，更适用于实际工业控制领域对数据机床的控制。
4 结束語
本文针对传统控制系统中存在的问题，结合PLC的优势，提出一种基于PLC的嵌入式数控机床控制系统，并通过对比实验进一步证明了该系统的稳定性和准确性。但本文在研究的过程中仍然存在某些方面的问题，例如系统中除控制功能外其它功能涉及较少、系统本身可支持的元件较少等。因此在后续的研究中，还将针对这两个方面的问题进行更加深入的研究。
参考文献：
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