1. 五轴数控加工中心软PLC系统运行平台及总体结构
2.1软PLC系统运行平台的选择
软PLC是运行在计算机上的应用软件,需要硬件平台和操作系统的支持。 根据当前软PLC系统运行硬件平台的不同,有以下三种控制方案[3Q]:
(1)基于传统PLC的控制方案。
该方案以传统PLC硬件为运行平台,将厂商开发的软PLC运行系统固化在 硬件上,通过RS232串口及通讯协议下载开发系统中的用户PLC程序,在传统 PLC硬件上运行后将控制信号输出。此方案保留了传统PLC的硬实时性。
基于嵌入式控制器的控制方案。
该方案是以嵌入式实时操作系统(VxWorks、pC/OS-II等)作为软件运行平 台,把软PLC运行系统做成固件嵌入到小型计算机系统中的控制器上,在Win32 环境下编写PLC控制程序,利用标准通讯协议下载用户程序交由PLC运行系统 运行,完成控制信号的输出。 |
(3)基于通用PC的控制方案。
该方案采用Windows NT、RTLinux等操作系统作为软件运行平台,软PLC的开发系统和运行系统可独立运行在同一台计算机系统上,软PLC运行系统利 用通用I/O板卡或现场总线对外部设备进行控制,易于实现工业的网络化控制。
基于PC的软PLC控制方案能够充分利用PC机的高性能处理器进行大量复 杂数据的计算、具有开放的控制体系和丰富的软、硬件资源,易于维护、性价比 高等优点,适合开放式数控系统模块化、标准化、。而方案一和方案二的软PLC 运行系统只能在特定的硬件环境中运行,并未实现真正意义上的开放,无法进行 升级,通用性较差。因此,本文选用基于PC的控制方案设计软PLC控制系统
数控系统中的轨迹插补模块是根据进给轴的位置信息进行插补运算,它需控 制系统在定时点调度插补功能来保证精确的插补周期,对操作系统的实时性要求 很高。同样软PLC系统也必须具备一定的实时控制能力才足以完成对机床急停 信号、超程等信号的处理,虽然软PLC本身并不具备实时性,但它的实时控制 功能可依靠操作系统的实时性来保证,因此选择一个开放的且适合的实时操作系 统尤为重要,常用的有以下几种实时操作系统:
基于Windows的实时扩展操作系统 Windows是一个窗口式的多任务操作系统,有利于人机界面的开发和多任务 的并行处理,虽然它不是实时操作系统,但通过改造系统内核可使位于Ring3层 (最低特权级)的应用程序跃至RingO层(最高特权级)直接访问CPU和PC机的硬件,从而实现Windows操作系统的实时性控制[31]。具体改造方法如下: 一种是直接对Windows系统内核进行改造,这是利用RTX或Intime等实时软件 向Windows系统内核增加实时补丁程序来直接访问PC硬件设备。另一种是从系 统外部对Windows进行实时扩展。例如:利用某些软件工具对计算机定时器、 时钟芯片、中断控制器等PC硬件进行直接操作,从而实现PC数控系统所需的 实时控制功能。图2.4为基于RTX的Windows实时扩展操作系统的基本结构。
(2 )基于RTLinux的实时操作系统
Linux是一个支持多任务,具有开放的源代码和可向系统内核动态添加模块 的操作系统。美国新墨西哥工学院通过改造Linux,开发出了 RTLinux实时操作 系统。RTLinux建立一个新的实时内核来控制PC机的硬件,实现抢先式优先级 的调度,其基本结构如图2.5所示。由于实时内核可完全抢占Linux的任务,所 以RTLinux的响应速度特别快。即使在PC386机器上其中断响应不会超过15@ (微秒),因此RTLinux能很好地满足PC数控系统对实时性的要求。
基于嵌入式的实时操作系统
RTOS(Real Time Operating System,嵌入式实时操作系统)的软件代码小;软、 硬件可裁剪;具有良好的可靠性和稳定性,被应用于工业和军事中对系统响应要 求较高的设备。但RTOS是一种专用的计算机系统,它不具备开放性这一特点, 应用范围有限。典型的RTOS产品如:WindRiver System公司的VxWorks、 pC/OS-II 以及 RTXC 等等。
基于DOS的实时操作系统
DOS操作系统小巧灵活、稳定性好、可直接访问设备硬件层,被广泛应用 在工业控制领域。虽然DOS是非实时单任务操作系统,但利用DOS运行在CPU 实模式下,通过改写PC中8259、实时时钟等可编程芯片或着硬件逻辑的控制字 以及内存中断矢量,可使数控系统软件能够运行和调度中断服务程序,进而实现 PC数控系统的实时任务以中断方式优先运行,非实时任务以循环方式后台运行。
综上所述,基于RTLinux开发的实时控制软件具有很好的开放性,但软件构 架没有一个统一标准,不能支持多数的硬件系统;基于嵌入式的实时操作系统是 一种专用的计算机控制系统,开发出的用户程序可移植性较差,不适合全软件数 控系统的发展;基于DOS的实时操作系统功能比较简单,系统的灵活性较差, 不能充分发挥PC机的软硬件资源;而Windows操作系统不仅具有开放的体系结 构、良好的系统稳定性和较高的市场占有率,还提供了大量的Win32 API函数供 软件开发者使用。因此本文选用WindowsXP+RTX5.0实时扩展作为软PLC控制 系统的软件开发和运行平台。
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