西门子模块6ES7212-1AB23-0XB8产品特点
目前该嵌入式PLC模块已成功应用于清华大学精仪系制造工程研究所THHP-III数控系统(基于RedHatLinux8.0+RTLinux3.1)中,该模块可以满足对普通数控系统和加工中心PLC控制要求。在数控机床中,通常用可编程控制器(PLC)对机床开关量信号进行控制。PLC可靠性高,使用方便。但在大多数数控机床,特别是经济型数控机床中,要求的输入输出点数并不多,通常在60点以下,因此,为了降低数控机床成本,在基于工业PC机的数控系统中,可以采用开关量I/O板加外接继电器,配合主机的软件对机床开关进行控制。但如果PC机采用单任务操作系统(如DOS),数控系统的所有任务运行都置于一个总体的消息循环中,软件的模块化和可维护性较差,系统故障的风险相对集中,而且不能充分利用PC机系统资源。而采用非实时多任务操作系统(如bbbbbbs)时,Win32API的设计没有考虑到实时环境的开发用途,其系统调用的效率不高,不能满足数控系统PLC控制的实时性要求。
为此,本文提出一种基于RT-Linux操作系统的嵌入式PLC,利用RT-Linux的开放性、模块化和可扩展性的系统结构特性和多线程/多任务的系统环境,在保证实时性的同时,使故障风险相对分散。
数控系统嵌入式PLC的硬件结构
数控系统硬件建立在通用工业PC的开放体系之上,数控系统嵌入式PLC硬件包括:工控机及其外围设备,基于ISA总线的开关量输入输出接口卡,光电隔离模块,继电器输出模块。其结构如图1所示。
工控机采用RedHatLinux810+RTLinux311操作系统,数控系统的人机界面、数控代码处理、轨迹规划、参数管理以及PLC控制都通过工控机由软件来实现,不需要独立的PLC控制器,减少了数控系统对硬件的依赖,有利于提高系统的开放性。
I/O输入输出信息通过PC机I/O接口卡实现主机与伺服接口模块和I/O接口模块之间的信息交换,PC机I/O接口卡基于ISA或者PCI总线。
RT-Linux的体系结构
RT-Linux是基于Linux系统并可运行于多种硬件平台的32位硬实时操作系统(hardreal-timeoperatingsystem)。
它继承了MERT系统的设计思想,即以通用操作系统为基础,在同一操作系统中既提供严格意义上的实时服务,又提供所有的标准POSIX服务。RT-Linux源代码公开,易于修改,使系统成本降低,源代码的公开使数控系统的开发摆脱了对国外软件公司的依赖,有利于提高数控软件国产化程度。
RT-Linux是基于Linux并可运行于多种硬件平台的多任务实时操作系统。通过修改Linux内核的硬件层,采用中断仿真技术,在内核和硬件之间实现了一个小而高效的实时内核,并在实时内核的基础上形成了小型的实时系统,而Linux内核仅作为实时系统低优先级的任务运行。对于普通X86的硬件结构,RT-Linux拥有出色的实时性和稳定性,其大中断延迟时间不超过15μs,大任务切换误差不超过35μs。这些实时参数与系统负载无关,而取决于计算机的硬件,如在PII350,64M内存的普通PC机上,系统大延迟时间不超过1μs。RT-Linux按实时性不同分为实时域和非实时域,其结构如图2所示。
实时域在设计上遵循实时操作系统的设计原则,即系统具有透明性、模块化和可扩展性。RT-Linux的实时内核由一个核心部分和多个可选部分组成,核心部分只负责高速中断处理,支持SMP操作且不会被底层同步或中断例程延迟或重入。其它功能则由可动态加载的模块扩充。RT-Linux把不影响系统实时性的操作(即非实时域的操作)都留给了非实时的Linux系统完成。基于多任务环境的Linux为软件开发提供了丰富的系统资源,如多种进程间通讯机制,灵活的内存管理机制。
嵌入式PLC的设计及实现
嵌入式PLC的模块组成
数控系统的PLC控制模块实时性要求较高,因而必须在系统的实时域内运行。根据通用数控系统的PLC控制以及数控系统软件模块化设计的要求,将数控系统的PLC控制模块作为RT-Linux系统的实时任务之一,其优先级和调用周期取决于数控系统各任务的实时性要求以及控制要求的响应时间。PLC控制模块主要完成数控系统的逻辑控制,而被控制的输入输出也就是I/O的输入输出由PC机I/O接口卡输入输出模块来完成,即完成数控系统的PLC控制需要两个RT-Linux实时任务,如图3所示,这两个任务分别为RT-Task1(以下称“适配卡输入输出”)、RT-Task2(以下称“PLC控制”)。
图3是基于RT-Linux系统的嵌入式PLC实时任务关系图,其中适配卡输入输出主要是完成数控系统的输入输出,即各轴位置控制命令的输出、I/O的输出、I/O输入以及位置反馈输入,它实际上是数控系统控制卡的设备驱动模块,其优先级在数控系统的各实时任务中为。根据其硬件特征以及运动控制要求,其响应周期为100μs,响应时钟周期由PC机I/O接口卡上的硬件定时器产生。根据RT-Linux系统对硬件中断的响应机制,输入输出控制任务的实时性是可以保证的,这一点在我们的数控系统已经得到验证。
图3中PLC控制主要是完成数控系统的PLC控制功能,其任务优先级低于适配卡输入输出,同时也低于数控系统的精插补实时任务和位置伺服实时任务。根据通用数控系统的PLC控制要求,确定其响应周期为5ms,响应周期由RT-Linux的软件定时器产生,根据RT-Linux系统的实时多任务调度机制,PLC控制任务的实时性是可以保证的。在实际应用中也得到验证。
嵌入式PLC的实时任务模块数据通讯
完成数控系统PLC控制的两个实时任务之间由于需要输入输出的数据量(一般情况下为64输入,64输出,但输入输出根据需要还可以扩展)不太大,因而采用共享内存的通讯方式,在适配卡输入输出和PLC控制
两个实时任务之间开两块共享内存,一块用于适配卡向PLC控制传输I/O口状态信息,另一块用于PLC控制向适配卡输入输出任务传输经PLC逻辑处理后的控制信息。
在这里,两个实时任务间不采用RT-FIFO进行通讯的原因在于这两个实时任务间通讯的数据量不是很大,而这两个实时任务运行周期差别较大,采用RT-FIFO传输数据,为了避免FIFO的阻塞,相应地要增加两个任务间的协调机制,这样的通讯效果未必比采用共享内存好,而且共享内存的读写速度比FIFO相对较快。
嵌入式PLC的实时任务的实现
适配卡输入输出为动态可加载模块,适配卡输入输出模块(任务)以100μs为周期的硬件定时中断,完成各轴位置控制指令和I/O的输出、各轴位置反馈值和I/O的输入,适配卡输出值来自于位置伺服任务和PLC控制任务,输入值来自于适配卡的输入接口。PLC控制模块(任务)同样也是一个动态可加载模块,它以5ms的软定时,周期性地从它与总控模块通讯的RT-FIFO读取控制信息(如M指令,S指令及T指令),同时从它与适配卡输入输出模块通讯的共享内存中读取I/O信息,然后进行逻辑处理,后将结果写入共享内存供适配卡输入输出模块读取并输出
1 引言
铸造是人类掌握早的一种金属热加工成形工艺，已有约6000年的历史，是现代机械制造工业的基础工艺。铸造过程是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件(零件或毛坯)的工艺过程。铸造生产的毛坯成本低廉，对于形状复杂、特别是具有复杂内腔的零件，更能显示出它的经济性；同时它的适应性较广，且具有较好的综合机械性能。
低压铸造是使液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。其工艺过程是：在密封的坩埚(或电炉)中，通入干燥的压缩空气，金属液在气体压力的作用下，沿升液管上升，通过浇口平稳地进入型腔(金属型)，并保持坩埚(或电炉)内液面上的气体压力，经过一段时间的保压，直到铸件完全凝固为止。然后解除液面上的气体压力，使升液管中未凝固的金属液流坩埚(电炉)，再由气缸开型并推出铸件。低压铸造独特的优点表现在以下几个方面：液体金属充型比较平稳；铸件成形性好，有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件，对于大型薄壁铸件的成形更为有利；铸件组织致密，机械性能高。低压铸造是一种低压强与
低速度的充型铸造方法，利用压缩空气作为充型动力，液体金属充型要求平稳；保压性好，铸件成形性好，轮廓清晰、铸件表面光洁；要求模具冷却性好，铸件组织致密，机械性能高。
2 低压铸造自动化系统
2.1 系统结构
工控机和plc在低压铸造中的系统构成为了满足低压铸造的要求，把工控机和plc组成一个有机系统，如图1所示。本系统采用分级控制方式。由工控机完成液面压力控制和铸型温度(冷却)控压铸造的要求。
图1 低压铸造自动化系统
2.2 系统原理
低压铸造机压力/温度控制系统的计算机控制系统原理如图2所示。
图2 系统原理
(1) 压力控制：低压铸造机压力控制系统的气动原理如图3所示，工控机和由其控制的液面压力i/o模板对数字组合阀岛进行控制，实现了低压铸造压力控制。工控机系统采用灵敏的压力传感器和软件式pid控制器，在计算机屏幕上同时显示铸造过程的设定压力曲线和实际控制压力曲线，并进行叠加比较。在计算机屏幕上以四种颜色显示四个测温点的实时温度曲线。另外用图形来指示保温炉内铝液液面情况，以提醒操作人员注意：当炉内金属液少于低限时，系统自动停止加压。
图3 压力控制系统
y1～y9：调节阀(常闭)；
y11：进气主阀(常闭)；
y13：炉子慢泄压(常开)；
y14：炉子全部泄压(常开)；
yk1：压力开关，监测“0”mbar时的炉内压力。出厂时调节为约50mbar；
yk2：压力开关，监测大炉内压力，出厂时调节为约950mbar；
b1：压力传感器，0～1600mbar，4～20ma。检测炉膛压力；
b2：压力传感器，0～7000mbar，4～20ma。检测进气管气源压力。
(2) 冷却控制：工控机和由其控制的冷却控制i/o模板控制了12个(5路风冷、7路风冷+水冷)冷却通道，可任意选择若干个通道工作。对每路冷却通道均提供了“on”、“off”、“auto”三种工作方式和按时间控制、按温度控制两种控制模式。人机界面有冷却画面，可任意开关调整电磁阀的通断。
2.3 硬件配置
低压控制系统配置如下：
(1) panel870面板式工控机：piii700以上cpu、40g硬盘、128m内存、12〞液晶显示屏、触摸键盘、带软驱和dvd光驱、usb接口和rj45接口；
(2) 板卡：813b a/d板一套、1751d i/o板一套、7216继电器板一套(包括odc5或idc5b固态继电器)、785继电器板一套；
(3) s7-300 系列plc：
cpu模块：cpu314一套，flash eprom 内存卡(64k)一个，ps307电源5a一个，sm321输入模块(32点 24v dc)3套，sm322输出模块(16点 24v dc)4套，40针端子3个，20针端子4个，480mm导轨1个。
3 项目评价
(1) 控制系统实现对机器运行、液压机械动作、铸造工艺过程、保温炉加热、铸型冷却过程中包括压力、温度、时间、位置在内的工艺参数进行有效控制。系统具有数据保存功能，能够存取、调整和管理铸造参数。
(2) 控制精度高，充型、保压阶段压力偏差值≤3mbar，升液阶段压力偏差值≤5mbar，升压阶段压力偏差值≤10mbar。
(3) 具有压力自动补偿能力，保温炉内的压力可以根据设定的曲线jingque、重复再现，而不受保温炉泄漏、供气管路气压波动和金属液位变动的影响(保温炉严重泄漏除外)。
(4) 可根据工艺需要自由设定多达八段的升压曲线和一段保压曲线。对于炉膛容积≤800l的炉型，大升压速度可达100mbar/s。
(5) 具有友好的人机界面，可以方便的输入各类工艺参数。
(6) 具有数据保存及调用功能。每个轮型的铸造工艺参数可以输入并确认后自动保存，以后可以直接从系统中调用。
(7) 低压铸造控制系统具有故障自检功能，维修方便。
4 结束语
我国工业控制自动化技术飞速发展，特别是工控机和plc的应用更为成熟，经过近三年的努力，我们成功把工控机和plc同时应用在轮毂低压铸造机中。
0、引言
组合机床是针对某些特定工件，按特定工序进行批量加工的专用设备。随着PLC的广泛应用和机床电控技术的不断发展，利用PLC实现对组合机床的自动控制，无疑是今后的发展方向，而针对这种控制的PLC程序设计也显得尤为重要。这种控制属于顺序逻辑控制，有多种编程方法与语言可供选择，编程中也有一些技巧与规律可循。下面较为详细的介绍一组合机床自动控制的PLC程序设计实例。
1、实例工作过程及程序设计思路
本文给出的实例是一台立卧三面镗床，有右头、左头及上头三个工作头，有自动循环（三头同时加工）和单头调整四种不同工况。三头同时加工时，一个自动工作循环过程如图1所示。其特点是多头同时加工和多工步，体现在控制要求上是：工步之间转换条件较复杂，存在并行同步问题，记忆、连锁等问题也较多。鉴于此，应采用顺序功能流程图的程序设计方法：首先根据对工作过程的分析对各步、转换条件及路径进行全面定义，确定各步的动作，然后按照控制要求，运用指令对各步和转换进行编程。
步的定义可由顺序功能流程图描述，图2所示为本例主功能流程图。它从功能入手，以功能为主线，将生产过程分解为若干个独立的连续阶段（步）。分解的各步可以是一个实际的顺序步，例如步1，对应的动作是起动主泵电机，也可以是生产过程的一个阶段，例如步2为自动工作过程，其功能流程图见图3。从这两个功能流程图可以看到，它将各步的操作、转换条件以及步的推进过程简单明了地显示出来了，并体现出了具有单序列、选择序列、并行序列几种基本结构。例如步25至步27是单序列，实现了多工序的顺序工作；步12、步13、步14及步15构成了四分支选择序列结构，可实现三头同时加工、右头调整、上头调整、左头调整四种工况的选择；而步28至步30、步31至步34、步35至步38则形成了三个并行的分支，实现的是三头同时加工过程；步21、步22与步23、步24间也是并行关系，实现了工件上位降中位与主轴定位两个工序并行工作。该两个并行的过程间有同步问题，即步21（工件上位降中位）与步23（主轴定位）同时开始，但不同时结束，需要用并行序列的合并来同步（等待两个动作均结束）；使之同时转入步25。三头同时加工时也有此问题。在顺序功能流程图的描述中，注意要说明各步间的转换条件、各步对应的命令与动作及相应运行状态。
2、程序实现方法
接下来的第二步则需要用某种编程语言的指令对上述功能流程图进行编程，以实现其中的功能和操作。目前已有提供直接功能流程图编程的PLC，但对于不具有该编程语言的PLC，可采用仿功能流程图编程的方法，这里所说的是采用梯形图、指令表等常见的编程语言实现编程的方法。根据功能流程图的描述，可将该复杂的结构分解为单序列、选择序列、并行序列几种基本环节，找出这些基本环节各自的规律、编程规则，化整为零分块编程。这样程序为结构化模块形式，编程的思路更清楚，程序设计更为规范。各种基本环节的程序实现可采用通用逻辑指令、置位与复位指令或移位寄存器，这几种实现方法有一个共性就是要考虑如何激活一步保持该步、又如何停止一步，如果用步进指令来实现，这些问题就无需考虑，程序也简洁的多。下面给出运用步进指令实现的对图2、图3的编程，并就关键问题进行分析。
图4为主功能流程图的梯形图，图5为自动工作功能流程图的梯形图（只给出了一部分）。先看步25到步27的单序列，其各步的控制规律为：若某步为活动时，则当它与下步间的转换条件一旦成立，该步即变为非活动步，而下一步成为活动步。当步为活动时，相应的动作和命令才执行，非活动步相应的动作和命令不被执行。这样步25是活动步时，会发右头快进指令（使Y442得电），直到快进到位（行程开关SQ4受压，转换条件X412满足），步25成为非活动步，右头停止快进（使Y442失电），步26成为活动步，工件开始从中位降下位（使Y447、Y552得电）……。选择序列各步的控制规律为：分支时，若一个前级步是活动的，则当它与多个选择后续步之间的哪个转换条件满足，哪个后续步就成为活动步，而前级步成为非活动步。合并时，若多个选择前级步之一是活动的，当该活动步与一个后续步之间的转换条件满足，则后续步就成为活动步，前级步成为非活动步。实例中步11为活动步时，四个分支的转换条件哪个成立则哪个分支步就会成为活动步。如果按动自动加工起动按钮，使转换条件X403满足，则会进入步12，开始自动加工过程，直到转换条件X424满足，分支合并循环到初始步，开始一个新的轮回。按照控制要求，整个加工过程中主泵电机需要一直处于运转状态，所以在步11中使用了置位Y430指令而在步11成为非活动步后，Y430并不失电。并行序列各步的控制规律为：分支时，若一个前级步是活动的，则当转换条件满足，则多个并行的后续步同时成为活动步，而前级步成为非活动步。合并时，若多个并行的前级步均是活动的，当转换条件满足，则一个后续步成为活动步，多个并行的前级步同步成为非活动的。实例中步20为活动步时，执行装件指令，装件完毕，转换条件X425满足，步21、步23同时成为活动步，即停止装件，开始工件上位降中位和主轴定位动作。由于这两个动作不同时结束，因此插入了两个没有动作和命令的空步——步22、步24（梯形图中相应的步进接点没有连接输出继电器），用于分别停止两个前级步，结束相应的动作，并等待两个动作均停止的时刻，一旦时刻来到（条件X410•X427满足），两并行步合并转换到步25。三头同时加工时，也有类似的同步问题，在此不再赘述。
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3、结束语
通过本PLC程序设计实例可以看出，采用顺序功能流程图的程序设计方法有以下优点：
a.功能流程图与生产过程结合紧密，设计思路明确，系统操作含义清晰，有利于工艺和自控技术、设计人员的思想沟通；
b.功能流程图可以向设计者提供规律的控制问题描述方法，就易于得到相应的编程方式，易于设计出任意复杂的控制程序，并使编程更趋于规范化、标准化。
