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数控机床控制系统中并非单纯的轨迹及定位控制，往往还有一些机床的逻辑动作需要相应的控制，这就要求在机床的
电气控制中既有数字控制系统NC又有逻辑控制系统
PLC，两者之间实现信息交换有多种方法。本文介绍了在实际设计、研制半自动提速铁路
轴承内、外滚道精机项目中，数控系统在机床
伺服电机进给数控程序和机床其他动作的PLC程序控制两者之间的通信联络方法，此方法能有效地将上述两者的控制结合起来。该机床目前已制造完成用于轴承生产加工中，实践证明，该方法简单、实用，效果良好。
1 数控系统简介
数控系统中，执行数控NC功能的NCK软件程序和执行逻辑功能的PLC程序，需由用户根据机床的实际情况加以编制。软件设计中，主控程序是NcK软件程序；机床逻辑动作由NCK软件程序输出给PLc的辅助功能来完成。
1.1 输出给PLC的辅助功能
辅助功能又称M功能或M指令，是控制机床加工操作时作一些辅助动作的开／关功能，其主要用于机床加工时的工艺性指令，靠继电器的通断来实现其控制过程。辅助功能M代码是以地址M为后跟2位数字组成，共100种(M00一M99)。机床上的各种开关操作可以通过零件程序中的M功能指令。M功能在使用时，每个程序段可以有5个M指令。M指令的值从O到99，为整数。其中少数几个M指令已经由系统生产厂商设置了一些固定功能，具体参见表1，其余部分可供机床生产厂商使用。
表1M功能表
1.2 PLC向NCK传送的信号
PLC用户程序和NcK(数控)之间通过不同的数据区可进行信号和数据的交换，PLC用户程序与交换无关，对使用者来说这是自动进行的。PLC／NCK的控制信号和状态信号会循环刷新。信号分为普通信号、运行方式信号、通道信号和进给轴／主轴信号。其中，在PLC-NcK的通道控制信号中，3200的PLC变量中的V32000006．1是读入使能禁止信号，其含义及使用方法如表2所示。
V32000006．1含义及使用方法
从表2可以看到，当对V32000006．1置“1”，禁止下一个程序段的数据传送到插补器，这时NC程序处于停止等待状态；当对v32000006．1复位清“0”，下一个程序段的给插补器，这时NC程序开始继续执行该下一程序段，因此，通过对v32000006．1的置“1”和复位清“0”就可以实现对NC程序段的运行控制。在机床设计中，某些情况下只有结束辅助功能才可以执行下一个NC程序段，因此，这时可以通过禁止读入信号阻止程序段的自动转换执行。
2 应用实例
半自动提速铁路轴承内、外滚道精机的自动控制中，具有一个往复进给轴，由数控系统的进给轴输出接口控制伺服驱动系统，再由驱动系统控制交流伺服
电动机，从而控制机床的进给轴往复进给运动，其余的电动机或动作由PLC输出，通过控制继电器或电磁阀来控制，其动作流程图如图1所示。
图1滚道精机动作流程图
精机动作流程(图1)中，所有的机床动作除了往复进给运动和工作轴电动机的粗、精启动及停止由数控程序控制外，其余所有的机床动作皆以M功能的形式由数控程序输出到PLC。从动作流程图可以看出，芯轴插人、油石跳进等动作的命令输出后，不能马上执行下一个NC程序段，需等动作到位后才能继续NC程序，这时可在PLC程序中加入传送给NCK的读入禁止命令，停止NC程序的继续向下执行，直到该动作完成后，再由PLC向NCK发出读入使能命令，NC才能继续控制程序的执行。
这里，以油石跳进动作为例来加以说明。辅助功能M16是油石跳进命令，数控程序命令为在N20语句的程序命令中，油石跳迸命令以辅助功能M16形式给出，N30和N35语句的程序命令是进行精加工的伺服电动机往复进给控制命令，从滚道精机动作流程图可知，数控系统在发出油石跳进命令后，不能马上执行精加工的伺服电动机往复进给数控动作，等到油石跳进到位开关动作后才能执行下面的N30和N35动作。正常情况下，NCK是一条接一条连续地读人数控程序命令并往下执行的，执行速度很快，在发出M功能指令后，NC紧接着就执行下一句程序段，这时PLC接受到的M功能指令可能还未来得及执行，数控程序已继续向下执行了。而机床要求NcK在执行完N20语句后，不能马上执行N30语句，因此，在PLC接收到NcK发来的M16命令后，可以通过PIJC梯形图(图2)，将PLC-NcK的通道控制信号中的v32000006．1设置为读人使能禁止，禁止下一个程序段的数据传送到插补器，这样，NcK不再执行下面的N30语句，当油石跳进动作完成，油石跳进到位开关动作后，取消读人使能禁止，允许NcK读入程序即v32000006．1设置为读入使能，NcK再继续执行N30语句。
为了扩展数控系统逻辑功能的可编程能力，通常在数控系统中配置
PLC功能。并采用立PLC或内置式PLC两种方式。但目前内置式PLC一般使用软件实现。有一套特有的编程与配置方法，这对使用者熟悉新功能提出了额外的要求。现场可编程逻辑器件FPGA具有很强的在线逻辑编程能力。常被应用于实现某些逻辑控制中。比如交通信号灯控制：近来也有用FPGA实现PLC的尝试。即将与需要实现的控制功能对应的梯形图直接做成FPGA硬连线逻辑。但这些应用都没有脱离FPGA本身的现场可编程特性。用户如需修改控制逻辑。就需要掌握VHDL语言及FPGA的EDA设计方法。否则不能提供加友好、通用的
PLC编程界面。
本文介绍了一种新的数控系统中内置式PLC的FPGA实现方法。它能较好地解决上述技术难题，也便于实际应用。
1 基于ARM和FPGA的数控系统
机床数控系统由控制系统、伺服驱动系统和
伺服电机组成。控制系统生成的坐标轴运动指令，被发送到伺服驱动系统。然后由伺服驱动系统形成伺服电机的运转控制令。从而使伺服电机完成相应的动作。
图1是基于ARM+FPGA的数控系统的FPGA部分结构框图，下载接口、配置器件及FPGA 3个部分组成了FPGA自身的开发调试环境。可以方便地与PC组成开发调试平台。机床控制单元MCU使用32位的ARM嵌入式处理器。运行uC／0S实时操作系统，实现控制系统的大量分析和计算工作。比如G代码解析，根据加工要求形成坐标轴的运动指令以及数控系统的
人机界面等。FPGA除了完成对运动指令进行细插补之外。同时还实现了数控系统键盘电路的扫描模块、编码计数器模块和驱动器控制模块的功能。本文要介绍的数控系统内置式PLC也是在FPGA内部实现的。
图1 数控系统中的FPGA结构框图
2 用FPGA实现PLC的软硬件架构
为了有好的人机界面。符合工程习惯。采用与主流商业PLC兼容的编程语言进行编程。内置式PLC可以接受终用户输入的PLC指令表(一个特定的子集)。并终实现相应的逻辑控制功能。FPGA内部是硬件逻辑。显然无法识别PLC指令，因此，为了实现这种构想。设计一套指令集。该指令集定义了FPGA可以执行的小操作的集合。然后根据指令集来设计编译器和FPGA内部的PLC逻辑。其软硬件架构如图2所示。PLC指令被编译后，生成FPGA可执行的指令代码。然后将指令代码下载到FPGA内部，由执行逻辑对代码进行逐条执行。终实现PLC的逻辑控制功能。
图2 基于FPGA的PLC软硬件架构
PLC逻辑是一个状态机。可以根据不同的输入指令执行不同的操作。在设计中。应确定需要执行的指令集合，即状态机的指令集设计。然后根据指令集来设计编译器和PLC逻辑功能。PLC指令编译器源程序使用C语言编写。这样。此编译器可以方便地移植到PC、ARM或别的任何支持C编程的平台上。基于图2中的软硬件架构的PLC不能立运行。需要MCU对其进行相应的设置和辅助。如图3所示。在MCU端。需要一个专门处理与PLC接口的任务(对于多任务操作系统)或程序。
图3 PLC逻辑的工作过程
在MCU端，可以提供相应的PLC人机界面，提供
PLC梯形图或指令表的编辑、编译甚至排错界面，当编译完成后。生成可供FPGA内部的PLC逻辑执行的“PLC中间操作码”。当要执行PLC功能时，MCU配置FPGA处于“代码下载状态”。并由MCU将编译后的代码下载到FPGA的RAM中：下载完成后。MCU将FPGA设置为“PLC运行状态”。开始依次读入输入和输出端口的状态。并根据所要执行的指令新状态。后输出刷新状态。FPGA还有一个“监控状态”。此时。ARM处理器可以直接设置PLC的输入输出10寄存器的值。并可以单步运行PLC中间操作码。ARM结合返回信息。并配合相应的界面，即实现了对PLC的调试。
3 PLC逻辑的EDA设计方法
新型FPGA器件及新的EDA设计软件和工具是这种数控系统内置式PLC实现方式的前提。没有EDA设计流程和方法的支撑。是很难完成相应设计工作的。
图4是典型的EDA设计流程。主要包括设计输入、功能、综合与优化、映射和布局布线以及后的下载验证等环节。EDA设计流程中。重要的环节便是。因为所设计的对象在FPGA内部很难在硬件上进行测试。利用诸如Active—HDL。ModelSim等工具进行功能、综合后以及布局布线后。设计过程和过程是交叉同步进行的。而且设计一个模块。即对一个模块的功能进行，确保其正确后，才可以集成到高层面的设计中去。的主要任务就是检验HDL是否能满足设计所提的要求。检验的方式是编写测试平台。在测试平台上给模块输入条件。观察或检验其输出。从而验是否满足设计要求。Active—HDL的Generate TestBench功能还可以生成测试向量的模板。大大加速了设计过程。
图4 EDA设计流程
图5 PLC原型机逻辑结果
总之，掌握并正确使用EDA设计方法。是使用FPGA进行逻辑设计成功的关键。
4 在数控系统中的实现与分析
基于FPGA的PLC实现方法在我们的基于ARM+FPGA的数控系统中得到了应用。形成了PLC原型机，实现了基本的PLC逻辑控制功能。能够与数控系统集成在一起。结合相应的控制界面。可以对机床的各逻辑开关量进行PLC编程控制。重要的是。这种框架下的PLC具有开放式结构。可根据需要不断完善。实现复杂的功能。如图5所示，PLC有2个主要状态。即输入输出刷新(pc status=0)和运行状态(pc status=1)。在pc status=0时，输入被采样，输出映像被置位：当pc status=1时，PLC开始运行，pc pointer为PLC内部指令的指针，在每个时钟周期，PLC执行一条指令，并将指令指针后移，当执行完所有指令后，outputfresh置高，允许输出映像寄存器的输出到端口
plc io out中去。以上过程反复进行，便实现了PLC的基本逻辑功能。
针对数控系统中各种内置式PLC的实现方式。基于FPGA的解决方案在以下一些方面做了特别的处理：
(1)复位问题。当FPGA一上电时，其内部的PLC逻辑即令其自身进入了一个自复位状态。此时如果没有外部MCU给予正确的操作指令。FPGA将不会进入其他任何状态。从而确保PLC不会产生任何的误动作。
(2)响应时间。PLC程序会得到周而复始的执行，当输入状态(in image)改变时，输出状态会在下一个允许输出信号有效时(outputfresh=1)得到新。PLC的大响应周期取决于所执行的指令条数。对于绝大多数指令而言。PLC可在每个时钟周期执行一条语句。在后一条语句执行完成后的下一个时钟上升沿输出得到刷新，同时在此刷新时钟周期内。PLC进行循环复位的初始化工作。差的情况时。输入信号在上次采集刚刚结束后发生变化。需要在下一次采样并执行完成后才能反映到输出上。即响应时间为Tresponse=(PLC指令条数+1)×2×时钟周期，本文使用的时钟周期为50ns，因此有：Tresponse=(PLC指令条数+1)×2×50ns：受FPGA内部的EAB(bbbbbded Arrav B10ck。一种专门用来综合成RAM的内部资源)数量的限制。只能综合出约2k bvte RAM(除非设置必要的控制寄存器)。当执行约有2 000条PLC指令时。大响应时间为0。2ms量级。
对于一般以软件方式实现的PLC。多使用一个特定的任务来实现PLC逻辑控制功能。在嵌入式操作系统中。任务的上下文切换时间一般在斗s量级；而且随着系统中其他任务的就绪。PLC任务将面临被暂时挂起。在这种情形下。其响应时间将进一步变长。当然。如果使用高频率运行下的嵌入式处理器(60MHz以上)，在指令条数较多时，其响应时间也可接受。但数控系统中的PLC功能一般都只实现对机床的简单逻辑控制。控制环境比较简单。指令条数有限。因此使用FPGA方式实现还是有其特有的优势的。
(3)PLC运行阶段的性。PLC是将编译后的可执行指令放到FPGA内部的RAM中运行。只要完成必要的配置。PLC便立运行，不再需要外部MCU的干预。换言之，此时。即使MCU死机或程序跑飞，也不会影响正在执行中的PLC功能。因此。使用FPGA来实现PLC功能。对于提高数控系统的整体性是有优势的。
(4)PLC指令长度的支持。由于FPGA内部的EAB资源有限，因此能够容纳的PLC指令长度有限。同时。每次PLC运行前都由MCU将代码下载到FPGA中。然后才可控制PLC开始运行。即FPGA不能自实现PLC功能。为了解决这一问题，可考虑为FPGA专门配置非易失性的存储器。比如Flash。这样不但可以扩大PLC指令长度。而且还可实现上电自动运行PLC程序。甚至不需要MCU的辅助和干预，但这将需=要诸如编程器之类的部件的支持。
在机械工业中，传统普通车床仍占有相当比例，其中部分车床采用液压系统来控制的自动切换，机床
电气控制部分多应用继电器——
接触器控制来实现，这类系统元器件多，体积大，连线复杂，性和可维护性低，故障，工作效率低，而随着计算机技术、
电子技术等的发展，计算机控制技术在液压传动控制中也得到了广泛的应用。以计算机技术为的
PLC(可编程序控制器)具有抗干扰性强，运行等诸多优点在工业
自动化领域已被广泛应用。本文即是利用PLC控制技术，对传统液压回路进行系统控制设计，变传统电气控制为PLC控制。
1 工作原理
1.1车床液压控制回路的液压元件构成
此车床液压控制回路主要由以下原件组成：左夹紧液压缸用于夹紧工件和卸下工件，中横向进给液压缸带动横向进给，右纵向进给液压缸带动纵向进给，6个电磁换向阀控制进给液压缸的前进与后退，2个调速阀控制进给液压缸进给速度，双联泵提供液压油输出，另外采用3个单向阀控制液压油流动方向，减压阀和压力继电器监控夹紧缸的油压。
1.2 车床液压控制回路的工作原理
液压控制回路如图1所示，其作用主要是能够控制车床完成完整的切削加工过程，并且工作一个循环，分为8个步聚：1、装件夹紧；2、横快进；3、横工进；4、纵工进；5、横快退；6、纵快退；7、卸下工件；8、原位停止；各步骤的切换分别由行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5、SQ6、SQ7控制，具体工作循环如图2所示。行程开关用于控制液压回路中6个电磁换向阀电磁铁的通电与否，进而改变液压油流向，影响液压缸实现动作顺序，完成切削过程。断电情况如表1所示。
图1 车床液压控制系统
电磁铁动作顺序表
(1)装件夹紧。接通液压回路
电源，按下启动按钮SB1，电磁铁6YA、7YA通电，5YA失电，两阀右位接人液压回路，双联泵左侧高压小流量泵提供高压液压油，保证夹紧力；此时夹紧液压缸右腔进油，活塞左移，完成工件的夹紧。
(2)横快进。活塞左移到一定位置，工件夹紧后，压下行程开关SQ1，此时7YA断电使双联泵右侧低压大流量泵提供大流量液压油，1YA通电使该阀左位接通，横向进给液压缸下腔进油，带动快进，实现横向快进动作。
图2 工作循环图
(3)横工进。当横向进给液压缸到达切削加工区域时，压下行程开关SQ2，此时电磁铁1YA、3YA、6YA、7YA通电，此处快速油路切断，液压油从其右侧调速阀经过，从而控制横向液压缸进给速度，完成横向工进，对工件进行横向切削加工。
(4)纵工进。横向进给液压缸到达一定位置时，压下行程开关SQ3，此时电磁铁1YA、2YA、3YA、4YA、6YA、7YA通电，纵向进给液压缸右腔进油，回油从调速阀经过，液压缸带动进行纵向切削加工，完成纵工进给动作。
(5)横快退。纵向切削加工完成后，进给液压缸压下行程开关SQ4，IYA、3YA、7YA断电，使双联泵低压大流量提供液压油，横向液压缸带动快速后退。
(6)纵退。横快退完成后，液压缸压下行程开关SQ5，此时电磁铁2YA、4YA断电，使两阀右位接通，纵向进给液压缸左腔进油，带动完成纵向快速后退动作。
(7)卸下工件。纵快退动作完成后，液压缸压下行程开关SQ6，此时电磁铁5YA、7YA得电，6YA断电。使双联泵左侧高压小流量泵提供高压液压油，保证卸下工件动作平稳进行；完成卸下工件动作。
(8)原位停止。卸下T件后，活塞杆退回原位，压下行程开关SQ7，此时所有电磁铁都断电，液压系统恢复原始停止状态。
2 PLC控制系统设计
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化等各个行业，在各个领域的应用都得到了广泛的发展。
PLC具有自己的特点：
1、性高，抗干扰能力强；PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了的抗干扰技术，具有很高的性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时问高达30万小时。
2、配套齐全，功能完善，适用性强；现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。目前已经渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
3、易学易用，深受工程技术人员欢迎；PLC作为通用工业控制计算机，接口容易，编程语言简单，容易掌握。
4、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；5、体积小，重量轻，能耗低 。
1.1 性高，抗干扰能力强
性是
电气设备的关键性能。 在 PLC 的设计和制造过程中， 由于采用了现代大规模集成电路技术和严格的生产工艺来制造内部电路，PLC 具有的抗干扰能力，使用 PLC 的平均无故障时间通常在 20 000 小时以上，这是一般的其他电气设备做不到的。
1.2 配套齐全，功能完善，适用性强
虽然 PLC 的种类繁多， 但由于其产品的系列化和模块化，且软件包齐全， 用户可灵活组成各种规模和要求不同的控制系统。除了逻辑处理功能外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种控制领域。 近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使PLC 的应用扩展到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及
人机界面技术的发展，使用 PLC组成各种控制系统变得加容易。
1.3 编程语言易学易用
PLC 一般采用易于理解和 掌握的梯形图语言及面向工业控制的简单指令编写程序，易于为工程技术人员所接受。 梯形图语言的图形符号和表达方式与继电器电路图相当接近， 只用PLC 的少量开关 量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能，为不熟悉
电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人打开了方便之门。
1.4 维护工作量小，维修方便
PLC 用存储逻辑代替接线逻辑 ，大大减少了控制设备的外部接线。 同时具有很强的自我诊断能力， 能随时查出自身的故障，并显示给技术人员，使技术人员能检查、判断故障的原因。如果是 PLC 自身的原因，在维修时只需换插入式模块及其它易损坏的部件即可，既方便又减少了影响生产的时间，使维护也变得容易起来。
2.1 开关量逻辑控制
这是 PLC 广泛的应用领域， 它取代传统的继电器控制，按照逻辑条件进行顺序动作， 按照逻辑关系进行互锁保护动作的控制。 PLC 应用于单机控制、多机制、自动生产线控制等。
2.2 运动控制
运动控制主要指对工作对象的位置、速度及加速度所做的控制。 可以是单坐标，即控制对象做直线运动；也可是多坐标的，控制对象做平面、立体，以及角度变换等运动。 有时，还可控制多个对象，而这些对象间的运动可能还要有协调。 这对于提高控制精度、响应速度和能源利用率有着重要意义。
2.3 过程控制
PLC 已广泛地应用于连续过程控制领域。 过程控制是对电流、电压、温度、压力等模拟量的闭环控制。 过程控制的目的就是根据有关模拟量的当前与历史的输入状况， 产生所要求的开关量或模拟量输出，使系统工作参数能按一定要求工作。 这是连续生产过程常用的控制。
2.4 数据处理
信息控制也称数据处理，是指数据采集、存储、检索、变换、传输及数表处理等。 随着技术的发展，PLC 不仅可用于系统的工作控制，还可用于系统的信息控制。
2.5 通信与联网
依靠的工业网络技术可以有效地收集、传送生产和管理数据。 PLC 具有通信联网的功能，它使 PLC 与 PLC 之间、PLC 与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息， 形成一个统一的整体。工厂自动化网络发展很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。有的企业将不同厂商的 PLC 设备连接到单层或多层网络上， 相互之间进行数据通信，实现分散控制和集中管理，从而实现全车间甚至全厂的综合自动化。
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