NI PXI-7813R_廈門仲鑫達科技有限公司

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從近年來的市場情況來看，尤其是歐洲市場，由於IEC61131標準推廣應用，基於IEC61131-3的開放式數控係統已逐漸成為開放式數控係統的主流，有望成為未來開放式數控係統的標準：硬件係統按美國OMAC Packaging Workgroup（OMAC包裝工作組，簡稱OPW）概念分為三種，通過在軟件或硬件PLC上運行IEC61131-3語言編制的用戶軟件來實現運動控制、插補運算、G代碼控制等CNC標準功能，同時實現PLC邏輯控制功能。鑒於這種開放式數控係統在技術上的突破主要體現在採用IEC61131-3語言編程實現CNC功能，故稱為基於IEC61131-3的開放式數控係統。
1 硬件係統
OPW為美國OMAC Users Group(OMAC用戶組)下設的一個工作組，致力於在包裝機械行業推廣運動控制解決方案，在其《包裝機械自動化導則》中確立了一整套數字化運動控制係統的概念。在綜合、擴展現有硬件係統結構的基礎上，OPW確立了三種硬件係統結構的概念，分別是控制器平臺係統結構（Controller-Based System Architecture）、PC平臺係統結構（PC-Based System Architecture）、驅動器平臺係統結構（Drive-Based System Architecture）。
OMAC雖然設在美國，但是受到歐洲控制係統供應商的廣泛支持，西門子、施耐德等多家歐洲廠商是該組織的成員，其中西門子公司嚴格按照OPW概念推出了Simotion係列運動控制產品，共有Simotion C、Simotion P、Simotion D三種，分別對應上述OPW三種平臺。
1.1 控制器平臺係統

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圖1：控制器平臺係統結構邏輯連接圖
按照OPW概念，圖1中所示控制器（Controller）作為控制係統的核心，是一獨立硬件實體，可實現邏輯控制與運動控制等功能；HMI是可選件，即使是PC做為HMI的硬件，也只能實現HMI軟件功能；分布式I/O及帶有數字設定接口的驅動器通過現場總線與控制器相連。
雖然OPW沒有明確指出控制器是何種控制器，但這裏的控制器實際上是擴展了運動控制功能的PLC，主要因為：採用了與PLC相一致的硬件時鐘實現掃描周期與中斷等；其邏輯控制與運動控制功能均採用PLC標準編程語言IEC61131-3語言實現。西門子公司雖然未把Simotion C運動控制係統稱為PLC，但該產品實際上是在SIMATIC S7係列PLC基礎上擴展了運動控制功能，可以直接使用 SIMATIC S7係列 PLC的 I/O 模板及功能模板。從施耐德公司產品上，可以更加明顯地了解到這一點，其初的運動控制產品就是在Modicon Premium係列PLC底板上插接運動控制功能模塊，直接在標準PLC上擴展了運動控制功能。
在實際應用中，PLC硬件有兩種結構形式，一種是傳統結構的PLC硬件係統，其組件全部安裝在獨立的機架上，另外一種是插入到PC主板中的插槽式PLC硬件係統。西門子Simotion C屬於前者，而施耐德Modicon Premium係列PLC有一款Atrium插槽式PLC，PLC的CPU及總線模塊集成在一塊PC板卡上，插入到PC的PCI總線插槽中，然後通過總線與外置機架上的運動控制功能模塊、I/O模塊等進行通信。Atrium插槽式PLC 完全獨立於PC運行：標準PC機的“重起”命令對插槽式PLC的操作模式不起作用；將PC機關閉後再打開，會導致槽式PLC管理的程序熱啟動，但是重啟動不會丟失應用程序內容；可插接在PC插槽中的 24 V電源允許插槽式PLC獨立於PC電源工作。
OPW共推薦了兩種現場總線，用於連接控制器與分布式I/O模塊及帶有數字設定接口驅動器：SERCOS與PROFIBUS總線。實際應用中許多產品中採用了其他方式：可以採用其他現場總線，比如施耐德採用了CANopen總線；對於傳統的PLC係統，也可不採用分布式I/O及採用傳統的±10V模擬信號與帶有模擬設定接口的驅動器相連接。
由於IEC61131-3語言編程工具的發展，控制軟件具有硬件無關性、可移植性等開放性特性，給了後起的控制係統供應商甚至機床制造廠家打破傳統控制係統供應商市場壟斷的機遇。在歐洲市場上，後起的控制係統供應商甚至機床制造廠家就像PC組裝廠家一樣，購買芯片等硬件元件，獨立配置控制器係統，購買專業軟件公司的IEC61131-3語言編程工具與軟件模塊，也可自行編制軟件模塊，從而打破了西門子公司等傳統控制係統供應商的壟斷。
1.2 PC平臺係統

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圖2：PC平臺係統結構邏輯連接圖
按照OPW概念，圖2中所示PC作為控制係統的核心，通過運行HMI（可選）、邏輯控制、運動控制等功能軟件，可實現HMI、邏輯控制與運動控制等功能；HMI硬件是可選件，一般為PC顯示器；分布式I/O模塊及帶有數字設定接口的驅動器通過現場總線與PC相連；PC機與機床上的分布式I/O及帶有數字設定接口的驅動器通過插入到PC機插槽上的總線卡通信聯係。
在PC平臺上實現I/O等控制功能，首先要通過IEC61131-3語言編程工具，在PC中模擬PLC硬件，也就是以軟PLC的方式實現各種控制功能。
PC平臺係統結構是具開放性的硬件平臺，這是由於應用軟件運行在擴展了實時性能的MS Windows係列操作係統及通用工業PC機之上，控制係統提供商只需潛心於開發工具與軟件模塊等控制軟件即可。PC平臺係統產品的競爭力，主要來自於軟件，這給了後起的小型專業軟件公司打破傳統控制係統供應商市場壟斷的機遇，這也是開放式控制係統的性所在。
1.3 驅動器平臺係統
按照OPW概念，圖3中所示集成了邏輯控制、運動控制軟硬件功能的多組驅動器為控制係統的核心，除了驅動器自身的軸控制功能，可實現邏輯控制與運動控制等功能；HMI軟硬件及獨立的PLC是可選件；分布式I/O模塊通過現場總線與驅動器相連。

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圖3：驅動器平臺係統結構邏輯連接圖
這是一種分布式運動控制係統，驅動器實際上是集成了緊湊型控制器的智能驅動器，能獨立完成邏輯控制與運動控制功能。從目前掌握的資料來看，市場上只有西門子Simotion D一種驅動器平臺運動控制產品。
2 軟件係統
基於IEC61131-3的開放式數控係統的開放性主要體現在軟件方面。軟件係統可分為係統軟件、應用軟件。係統軟件包括實時操作係統、通信係統、設備驅動程序等。應用軟件包括開發工具、用戶程序等。
2.1 係統軟件
操作係統的實時性這一問題對於PC平臺係統比較突出，這是因為PC上運行的MS Windows係列通用操作係統原本面向商業應用，並非面向工業實時控制。西門子公司等控制係統供應商曾對Windows的實時特性進行了測試，證實其存在“死機”、中斷延遲等問題，並不具備硬實時特性。控制器平臺及驅動器平臺係統則不需要PC必需的操作係統，而是嚴格按硬件時鐘循環調用指令，也就不存在操作係統的實時性這一問題。
解決操作係統的實時性問題，目前應用廣的辦法是為Windows擴展實時特性。美國Ardence（原VenturCom）公司RTX(Real-time Extension for Windows)，是內置於Windows的實時操作係統。RTX線程運行時，Windows的中斷被屏蔽，但Windows不能屏蔽RTX管理的中斷，Windows成為一個受RTX管理的任務，其優先級低。RTX可以保證任意線程的差響應時間為50us。德國3S(Smart Software Solution)公司CoDeSys SP RTE（Real Time Extension），同樣是內置於Windows的實時操作係統，由PC主板上的硬件時鐘周期性調用，然後由RTE每毫秒產生兩個硬件中斷，一個用於執行CoDeSys任務，另一個用於執行Windows任務。1毫秒為默認時鐘周期，可以更改，短為50us，用於兩個中斷的時間比例也是可以設置的。也就是說，RTE把一個時鐘周期分時用於CoDeSys任務與Windows任務，二者互不幹擾。
目前通用數控係統的插補周期一般為1ms或1ms以下，以上兩種Windows的實時擴展，均保證了Windows應用於數控係統的實時特性。
2.2 應用軟件
應用軟件包括開發工具與用戶程序。PC平臺係統中的PC既可以運行開發工具，也可以運行用戶程序，而控制器平臺與驅動器平臺係統自身可以運行用戶程序，可以另接PC運行開發工具。
2.2.1 開發工具
隨著IEC61131標準的推廣，涌現出許多符合這一標準的開發工具，如3S公司的CoDeSyS，Infoteam公司的OpenPCS等。IEC61131是國際電工委員會頒布的PLC國際標準，規定了二大類編程語言：文本化編程語言和圖形化編程語言。前者包括指令清單語言（IL）和結構化文本語言（ST），後者包括梯形圖語言（LD）、功能塊圖語言（FBD）和順序功能圖（SFC）。這些語言，初是用於編制PLC邏輯控制程序的，但是由於PLCopen國際組織及專業化軟件公司的努力，也可以用來編制運動控制與插補運算程序。
IEC61131編程語言是工控編程語言，與C語言等編程語言相比，在數據結構、程序結構、指令等方面相似（主要指的是ST語言），但是大幅簡化，更易於自動化工程師掌握，使得用戶能夠自行編制運動控制與插補運算程序，自行定義數控代碼，這樣具有了高度的開放性。
由於採用了適應自動控制要求的國際標準語言IEC61131-3語言，基於IEC61131-3的開放式數控係統有著高度的開放性與強大的生命力。
2.2.2 用戶程序
用戶程序指的是由IEC61131-3語言編制的實現邏輯控制、運動控制、插補運算功能的PLC程序，可以解讀並執行G代碼編制的數控加工程序。對於結構化的用戶程序，重要的是軟件模塊。由於基於IEC61131-3控制係統的開放性，軟件模塊可以由控制係統供應商編制，也可由用戶編制，其使用對用戶開放。對於開放式係統所要求的互換性、可移植性、硬件無關性等來說，主要體現在軟件模塊的互換性、可移植性、硬件無關性，這就產生了軟件模塊標準化的需求。
PLCopen國際組織致力於推廣IEC61131-3語言的應用，其成員包括了主流控制係統供應商，上文中提到的西門子、施耐德、3S、Infoteam等公司均是其成員。作為一個國際組織，PLCopen與其成員西門子、施耐德等公司又同是美國OMAC組織的成員，在制定《包裝機械自動化導則》工作中發揮了重要作用。實際上，由於PLCopen專注於IEC61131-3語言的推廣，主要側重於軟件方面，它在硬件平臺、機械結構等方面的設想體現在OPW的《包裝機械自動化導則》中。
PLCopen國際組織在其技術規範《運動控制功能塊》中制定了一整套標準的運動控制功能塊。為了實現標準化，PLCopen分析定義了7種機床狀態，機床的運動軸總是處於所定義的一種狀態之下，運動命令使軸在這些狀態之間相互轉換，一根軸的運動命令總是順序執行的。具體的狀態、狀態間的轉換及功能塊定義見圖4。
PLCopen定義的7種狀態為：1）Stand still保持靜止；2）Homing回原點；3）Discrete motion斷續運動；4）Continous motion連續運動；5）Synchronized同步運動，這就涉及了多軸運動；6）Stopping停止；7）Error stop故障停止。其中，3）、4）、5）為運動狀態。

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圖4：功能塊狀態行為
注：此圖為PLCopen在技術規範《運動控制功能塊》Version1.0中的定義。
狀態之間的轉換定義了功能塊功能，共有單軸運動控制功能塊MC_MoveAbsolute等10種，多軸運動控制功能塊CamIn等5種，另有信息傳遞功能塊MC_ReadStatus等10種，調用這有限的25種功能模塊進行編程，就可實現機床的運動控制。
機床設備生產廠家可向3S、Infoteam等專業軟件公司購買開發工具與運動控制功能塊，選擇一種控制係統硬件平臺，根據設備的工作原理編制PLC程序，自行定義G代碼、編制代碼程序，以多重選擇語句CASE……OF……調用代碼程序的方式實現CNC控制，這在歐洲機床行業較為普遍。
PLCopen在技術規範《運動控制功能塊》中為插補運算專設一部分，但是這一部分仍在建設中，至今沒有公布任何標準性文件。另外，PLCopen並未在其技術規範中引入G代碼，如需G代碼控制，仍需用戶自行定義編制。但是，PLCopen的某些成員，比如德國3S公司、Beckhoff公司，已經在用IEC61131-3語言實現插補運算與標準G代碼控制方面取得了進展，推出了相應的產品。
現以德國3S（Smart Software Solution）公司CoDeSys Version2.3.7.2為例簡要介紹。CoDeSys中有一個可選組件Softmotion用於實現標準G代碼控制。除了總線、驅動器等硬件的驅動程序，所有組件均用IEC61131-3語言編制，適用於PC平臺係統結構。目前能實現包括主軸在內的9軸控制，其中兩軸用於非線性插補，其他軸為線性插補。在CNC程序編輯器中能同時以圖形與文本的形式編制G代碼程序，編程語言遵循DIN66025標準。
為了實現標準CNC代碼控制需應用多種功能模塊，其中插補模塊、轉換模塊、直接設置點輸入模塊這三種模塊對理解CNC代碼控制的實現過程較為關鍵。插補模塊對G代碼程序進行處理，把G代碼所描述的連續軌跡轉變成離散的路徑位置點，然後由轉換模塊把這些位置點分解為每一個軸上的座標點，再由直接設置點輸入模塊分別控制每一個軸的驅動器，實現目標軌跡。插補模塊有兩個，SMC_Interpolator和SMC_Interpolator2D，除了後者能實現正、反兩方向的插補運算，二者功能相同。目前轉換模塊有六種，根據機床運動學原理進行分類，分為龍門係統（Portal Systems）、帶有刀具偏置的龍門係統（Portal Systems with Tool Offset）、帶有靜態驅動器的H型龍門係統(H- Portal Systems with Stationary drives)、2關節平面關節機器人係統(2-Jointed Scara-Systems)、3關節平面關節機器人係統(3-Jointed Scara-Systems)、並聯運動係統(Parallel Kinematics)，每種又分正、反方向轉換的模塊。直接設置點輸入模塊通過驅動器制造商提供的驅動器驅動程序通信，實現對驅動器的控制，根據控制原理的不同，可以分為按位置控制、按速度控制、按力矩控制三種。
3 結論
綜上所述，由於基於IEC61131-3的開放式數控係統採用了PLC標準編程語言IEC61131-3語言，具有了高度的開放性，尤其在硬件係統及運動控制功能塊方面形成了標準，使得其推廣應用前景光明。但是在插補運算方面，尚未形成標準，這將是未來發展所需解決的問題。
我國數控行業可以借鑒國外同行業開發新產品的經驗。開放式數控係統的發展方向在軟件。目前，可從控制器平臺著手，購置芯片等硬件配置控制器，使用專業化軟件公司提供的開發工具；然後再以這些開發工具為基礎進行二次開發，終研發出自己的基於IEC61131-3的開放式數控係統開發工具。實際上，國外某些控制係統供應商都在這樣做，比如施耐德公司2007年推出的新運動控制產品Lexium PAC，硬件結構屬於控制器平臺，開發工具即採用了3S公司的CoDeSys；西門子公司Simotion係列運動產品採用的開發工具Scout即是在Infoteam公司的OpenPCS基礎上二次開發而來。