0 引言

　　從近年來的市場情況來看，尤其是歐洲市場，由于IEC61131標(biāo)準(zhǔn)推廣應(yīng)用，基于IEC61131-3的開放式數(shù)控系統(tǒng)已逐漸成為開放式數(shù)控系統(tǒng)的主流，有看成為未來開放式數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)：硬件系統(tǒng)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(yùn)行IEC61131-3語言編制的用戶軟件來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制、插補(bǔ)運(yùn)算、G代碼控制等CNC標(biāo)準(zhǔn)功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)PLC邏輯控制功能。鑒于這種開放式數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上的突破主要體現(xiàn)在采用IEC61131-3語言編程實(shí)現(xiàn)CNC功能，故稱為基于IEC61131-3的開放式數(shù)控系統(tǒng)。

1 硬件系統(tǒng)

　　OPW為美國OMAC Users Group（OMAC用戶組）下設(shè)的一個(gè)工作組，致力于在包裝機(jī)械行業(yè)推廣運(yùn)動控制解決方案，在其《包裝機(jī)械自動化導(dǎo)則》中確立了一整套數(shù)字化運(yùn)動控制系統(tǒng)的概念。在綜合、擴(kuò)展現(xiàn)有硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，OPW確立了三種硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念，分別是控制器平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（Controller-Based System Architecture）、PC平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（PC-Based System Architecture）、驅(qū)動器平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（Drive-Based System Architecture）。

　　OMAC固然設(shè)在美國，但是受到歐洲控制系統(tǒng)供給商的廣泛支持，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(yán)格按照OPW概念推出了Simotion系列運(yùn)動控制產(chǎn)品，共有Simotion C、Simotion P、Simotion D三種，分別對應(yīng)上述OPW三種平臺。

　　1.1 控制器平臺系統(tǒng)

圖1：控制器平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯連接圖

　　按照OPW概念，圖1中所示控制器（Controller）作為控制系統(tǒng)的核心，是一獨(dú)立硬件實(shí)體，可實(shí)現(xiàn)邏輯控制與運(yùn)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(shí)現(xiàn)HMI軟件功能；分布式I/O及帶有數(shù)字設(shè)定接口的驅(qū)動器通過現(xiàn)場總線與控制器相連。

　　固然OPW沒有明確指出控制器是何種控制器，但這里的控制器實(shí)際上是擴(kuò)展了運(yùn)動控制功能的PLC，主要由于：采用了與PLC相一致的硬件時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)掃描周期與中斷等；其邏輯控制與運(yùn)動控制功能均采用PLC標(biāo)準(zhǔn)編程語言IEC61131-3語言實(shí)現(xiàn)。西門子公司固然未把Simotion C運(yùn)動控制系統(tǒng)稱為PLC，但該產(chǎn)品實(shí)際上是在SIMATIC S7系列PLC基礎(chǔ)上擴(kuò)展了運(yùn)動控制功能，可以直接使用 SIMATIC S7系列 PLC的 I/O 模板及功能模板。從施耐德公司產(chǎn)品上，可以更加明顯地了解到這一點(diǎn)，其最初的運(yùn)動控制產(chǎn)品就是在Modicon Premium系列PLC底板上插接運(yùn)動控制功能模塊，直接在標(biāo)準(zhǔn)PLC上擴(kuò)展了運(yùn)動控制功能。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，PLC硬件有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的PLC硬件系統(tǒng)，其組件全部安裝在獨(dú)立的機(jī)架上，另外一種是插進(jìn)到PC主板中的插槽式PLC硬件系統(tǒng)。西門子Simotion C屬于前者，而施耐德Modicon Premium系列PLC有一款A(yù)trium插槽式PLC，PLC的CPU及總線模塊集成在一塊PC板卡上，插進(jìn)到PC的PCI總線插槽中，然后通過總線與外置機(jī)架上的運(yùn)動控制功能模塊、I/O模塊等進(jìn)行通訊。Atrium插槽式PLC 完全獨(dú)立于PC運(yùn)行：標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)的“重起”命令對插槽式PLC的操縱模式不起作用；將PC機(jī)封閉后再打開，會導(dǎo)致槽式PLC治理的程序熱啟動，但是重啟動不會丟失應(yīng)用程序內(nèi)容；可插接在PC插槽中的 24 V電源答應(yīng)插槽式PLC獨(dú)立于PC電源工作。

　　OPW共推薦了兩種現(xiàn)場總線，用于連接控制器與分布式I/O模塊及帶有數(shù)字設(shè)定接口驅(qū)動器：SERCOS與PROFIBUS總線。實(shí)際應(yīng)用中很多產(chǎn)品中采用了其他方式：可以采用其他現(xiàn)場總線，比如施耐德采用了CANopen總線；對于傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)，也可不采用分布式I/O及采用傳統(tǒng)的±10V模擬信號與帶有模擬設(shè)定接口的驅(qū)動器相連接。

　　由于IEC61131-3語言編程工具的發(fā)展，控制軟件具有硬件無關(guān)性、可移植性等開放性特性，給了后起的控制系統(tǒng)供給商甚至機(jī)床制造廠家打破傳統(tǒng)控制系統(tǒng)供給商市場壟斷的機(jī)遇。在歐洲市場上，后起的控制系統(tǒng)供給商甚至機(jī)床制造廠家就像PC組裝廠家一樣，購買芯片等硬件元件，獨(dú)立配置控制器系統(tǒng)，購買專業(yè)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(tǒng)控制系統(tǒng)供給商的壟斷。

　　1.2 PC平臺系統(tǒng)

圖2：PC平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯連接圖

　　按照OPW概念，圖2中所示PC作為控制系統(tǒng)的核心，通過運(yùn)行HMI（可選）、邏輯控制、運(yùn)動控制等功能軟件，可實(shí)現(xiàn)HMI、邏輯控制與運(yùn)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(shù)字設(shè)定接口的驅(qū)動器通過現(xiàn)場總線與PC相連；PC機(jī)與機(jī)床上的分布式I/O及帶有數(shù)字設(shè)定接口的驅(qū)動器通過插進(jìn)到PC機(jī)插槽上的總線卡通訊聯(lián)系。

　　在PC平臺上實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)各種控制功能。

　　PC平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是最具開放性的硬件平臺，這是由于應(yīng)用軟件運(yùn)行在擴(kuò)展了實(shí)時(shí)性能的MS Windows系列操縱系統(tǒng)及通用產(chǎn)業(yè)PC機(jī)之上，控制系統(tǒng)提供商只需潛心于開發(fā)工具與軟件模塊等控制軟件即可。PC平臺系統(tǒng)產(chǎn)品的競爭力，主要來自于軟件，這給了后起的小型專業(yè)軟件公司打破傳統(tǒng)控制系統(tǒng)供給商市場壟斷的機(jī)遇，這也是開放式控制系統(tǒng)的優(yōu)越性所在。

　　1.3 驅(qū)動器平臺系統(tǒng)

　　按照OPW概念，圖3中所示集成了邏輯控制、運(yùn)動控制軟硬件功能的多組驅(qū)動器為控制系統(tǒng)的核心，除了驅(qū)動器自身的軸控制功能，可實(shí)現(xiàn)邏輯控制與運(yùn)動控制等功能；HMI軟硬件及獨(dú)立的PLC是可選件；分布式I/O模塊通過現(xiàn)場總線與驅(qū)動器相連。

圖3：驅(qū)動器平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯連接圖

　　這是一種分布式運(yùn)動控制系統(tǒng)，驅(qū)動器實(shí)際上是集成了緊湊型控制器的智能驅(qū)動器，能獨(dú)立完成邏輯控制與運(yùn)動控制功能。從目前把握的資料來看，市場上只有西門子Simotion D一種驅(qū)動器平臺運(yùn)動控制產(chǎn)品。

2 軟件系統(tǒng)

　　基于IEC61131-3的開放式數(shù)控系統(tǒng)的開放性主要體現(xiàn)在軟件方面。軟件系統(tǒng)可分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件包括實(shí)時(shí)操縱系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序等。應(yīng)用軟件包括開發(fā)工具、用戶程序等。

　　2.1 系統(tǒng)軟件

　　操縱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性這一題目對于PC平臺系統(tǒng)比較突出，這是由于PC上運(yùn)行的MS Windows系列通用操縱系統(tǒng)原本面向貿(mào)易應(yīng)用，并非面向產(chǎn)業(yè)實(shí)時(shí)控制。西門子公司等控制系統(tǒng)供給商曾對Windows的實(shí)時(shí)特性進(jìn)行了測試，證實(shí)其存在“死機(jī)”、中斷延遲等題目，并不具備硬實(shí)時(shí)特性。控制器平臺及驅(qū)動器平臺系統(tǒng)則不需要PC必須的操縱系統(tǒng)，而是嚴(yán)格按硬件時(shí)鐘循環(huán)調(diào)用指令，也就不存在操縱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性這一題目。

　　解決操縱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性題目，目前應(yīng)用最廣的辦法是為Windows擴(kuò)展實(shí)時(shí)特性。美國Ardence（原VenturCom）公司RTX（Real-time Extension for Windows），是內(nèi)置于Windows的實(shí)時(shí)操縱系統(tǒng)。RTX線程運(yùn)行時(shí)，Windows的中斷被屏蔽，但Windows不能屏蔽RTX治理的中斷，Windows成為一個(gè)受RTX治理的任務(wù)，其優(yōu)先級最低。RTX可以保證任意線程的最差響應(yīng)時(shí)間為50us。德國3S（Smart Software Solution）公司CoDeSys SP RTE（Real Time Extension），同樣是內(nèi)置于Windows的實(shí)時(shí)操縱系統(tǒng)，由PC主板上的硬件時(shí)鐘周期性調(diào)用，然后由RTE每毫秒產(chǎn)生兩個(gè)硬件中斷，一個(gè)用于執(zhí)行CoDeSys任務(wù)，另一個(gè)用于執(zhí)行Windows任務(wù)。1毫秒為默認(rèn)時(shí)鐘周期，可以更改，最短為50us，用于兩個(gè)中斷的時(shí)間比例也是可以設(shè)置的。也就是說，RTE把一個(gè)時(shí)鐘周期分時(shí)用于CoDeSys任務(wù)與Windows任務(wù)，二者互不干擾。

　　目前通用數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期一般為1ms或1ms以下，以上兩種Windows的實(shí)時(shí)擴(kuò)展，均保證了Windows應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)特性。

　　2.2 應(yīng)用軟件

　　應(yīng)用軟件包括開發(fā)工具與用戶程序。PC平臺系統(tǒng)中的PC既可以運(yùn)行開發(fā)工具，也可以運(yùn)行用戶程序，而控制器平臺與驅(qū)動器平臺系統(tǒng)自身可以運(yùn)行用戶程序，可以另接PC運(yùn)行開發(fā)工具。

　　2.2.1 開發(fā)工具

　　隨著IEC61131標(biāo)準(zhǔn)的推廣，涌現(xiàn)出很多符合這一標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)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(biāo)準(zhǔn)，規(guī)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(jié)構(gòu)化文本語言（ST），后者包括梯形圖語言（LD）、功能塊圖語言（FBD）和順序功能圖（SFC）。這些語言，最初是用于編制PLC邏輯控制程序的，但是由于PLCopen國際組織及專業(yè)化軟件公司的努力，也可以用來編制運(yùn)動控制與插補(bǔ)運(yùn)算程序。

　　IEC61131編程語言是工控編程語言，與C語言等高級編程語言相比，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序結(jié)構(gòu)、指令等方面相似（主要指的是ST語言），但是大幅簡化，更易于自動化工程師把握，使得用戶能夠自行編制運(yùn)動控制與插補(bǔ)運(yùn)算程序，自行定義數(shù)控代碼，這樣具有了高度的開放性。

　　由于采用了適應(yīng)自動控制要求的國際標(biāo)準(zhǔn)語言IEC61131-3語言，基于IEC61131-3的開放式數(shù)控系統(tǒng)有著高度的開放性與強(qiáng)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(shí)現(xiàn)邏輯控制、運(yùn)動控制、插補(bǔ)運(yùn)算功能的PLC程序，可以解讀并執(zhí)行G代碼編制的數(shù)控加工程序。對于結(jié)構(gòu)化的用戶程序，最重要的是軟件模塊。由于基于IEC61131-3控制系統(tǒng)的開放性，軟件模塊可以由控制系統(tǒng)供給商編制，也可由用戶編制，其使用對用戶開放。對于開放式系統(tǒng)所要求的互換性、可移植性、硬件無關(guān)性等來說，主要體現(xiàn)在軟件模塊的互換性、可移植性、硬件無關(guān)性，這就產(chǎn)生了軟件模塊標(biāo)準(zhǔn)化的需求。

　　PLCopen國際組織致力于推廣IEC61131-3語言的應(yīng)用，其成員包括了世界主流控制系統(tǒng)供給商，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(gè)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(jī)械自動化導(dǎo)則》工作中發(fā)揮了重要作用。實(shí)際上，由于PLCopen專注于IEC61131-3語言的推廣，主要側(cè)重于軟件方面，它在硬件平臺、機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面的設(shè)想體現(xiàn)在OPW的《包裝機(jī)械自動化導(dǎo)則》中。

　　PLCopen國際組織在其技術(shù)規(guī)范《運(yùn)動控制功能塊》中制定了一整套標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動控制功能塊。為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，PLCopen分析定義了7種機(jī)床狀態(tài)，機(jī)床的運(yùn)動軸總是處于所定義的一種狀態(tài)之下，運(yùn)動命令使軸在這些狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換，一根軸的運(yùn)動命令總是順序執(zhí)行的。具體的狀態(tài)、狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換及功能塊定義見圖4。

　　PLCopen定義的7種狀態(tài)為：1）Stand still保持靜止；2）Homing回原點(diǎn)；3）Discrete motion斷續(xù)運(yùn)動；4）Continous motion連續(xù)運(yùn)動；5）Synchronized同步運(yùn)動，這就涉及了多軸運(yùn)動；6）Stopping停止；7）Error stop故障停止。其中，3）、4）、5）為運(yùn)動狀態(tài)。

　　圖4：功能塊狀態(tài)行為注：此圖為PLCopen在技術(shù)規(guī)范《運(yùn)動控制功能塊》Version1.0中的定義。

狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換定義了功能塊功能，共有單軸運(yùn)動控制功能塊MC_MoveAbsolute等10種，多軸運(yùn)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(diào)用這有限的25種功能模塊進(jìn)行編程，就可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的運(yùn)動控制。

　　機(jī)床設(shè)備生產(chǎn)廠家可向3S、Infoteam等專業(yè)軟件公司購買開發(fā)工具與運(yùn)動控制功能塊，選擇一種控制系統(tǒng)硬件平臺，根據(jù)設(shè)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CASEOF調(diào)用代碼程序的方式實(shí)現(xiàn)CNC控制，這在歐洲機(jī)床行業(yè)較為普遍。

　　PLCopen在技術(shù)規(guī)范《運(yùn)動控制功能塊》中為插補(bǔ)運(yùn)算專設(shè)一部分，但是這一部分仍在建設(shè)中，至今沒有公布任何標(biāo)準(zhǔn)性文件。另外，PLCopen并未在其技術(shù)規(guī)范中引進(jìn)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(jīng)在用IEC61131-3語言實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算與標(biāo)準(zhǔn)G代碼控制方面取得了進(jìn)展，推出了相應(yīng)的產(chǎn)品。

　　現(xiàn)以德國3S（Smart Software Solution）公司CoDeSys Version2.3.7.2為例扼要先容。CoDeSys中有一個(gè)可選組件Softmotion用于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)G代碼控制。除了總線、驅(qū)動器等硬件的驅(qū)動程序，所有組件均用IEC61131-3語言編制，適用于PC平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。目前能實(shí)現(xiàn)包括主軸在內(nèi)的9軸控制，其中兩軸用于非線性插補(bǔ)，其他軸為線性插補(bǔ)。在CNC程序編輯器中能同時(shí)以圖形與文本的形式編制G代碼程序，編程語言遵循DIN66025標(biāo)準(zhǔn)。

　　為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)CNC代碼控制需應(yīng)用多種功能模塊，其中插補(bǔ)模塊、轉(zhuǎn)換模塊、直接設(shè)置點(diǎn)輸進(jìn)模塊這三種模塊對理解CNC代碼控制的實(shí)現(xiàn)過程較為關(guān)鍵。插補(bǔ)模塊對G代碼程序進(jìn)行處理，把G代碼所描述的連續(xù)軌跡轉(zhuǎn)變成離散的路徑位置點(diǎn)，然后由轉(zhuǎn)換模塊把這些位置點(diǎn)分解為每一個(gè)軸上的座標(biāo)點(diǎn)，再由直接設(shè)置點(diǎn)輸進(jìn)模塊分別控制每一個(gè)軸的驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)軌跡。插補(bǔ)模塊有兩個(gè)，SMC_Interpolator和SMC_Interpolator2D，除了后者能實(shí)現(xiàn)正、反兩方向的插補(bǔ)運(yùn)算，二者功能相同。目前轉(zhuǎn)換模塊有六種，根據(jù)機(jī)床運(yùn)動學(xué)原理進(jìn)行分類，分為龍門系統(tǒng)（Portal Systems）、帶有刀具偏置的龍門系統(tǒng)（Portal Systems with Tool Offset）、帶有靜態(tài)驅(qū)動器的H型龍門系統(tǒng)（H- Portal Systems with Stationary drives）、2關(guān)節(jié)平面關(guān)節(jié)機(jī)器人系統(tǒng)（2-Jointed Scara-Systems）、3關(guān)節(jié)平面關(guān)節(jié)機(jī)器人系統(tǒng)（3-Jointed Scara-Systems）、并聯(lián)運(yùn)動系統(tǒng)（Parallel Kinematics），每種又分正、反方向轉(zhuǎn)換的模塊。直接設(shè)置點(diǎn)輸進(jìn)模塊通過驅(qū)動器制造商提供的驅(qū)動器驅(qū)動程序通訊，實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動器的控制，根據(jù)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(jié)論

　　綜上所述，由于基于IEC61131-3的開放式數(shù)控系統(tǒng)采用了PLC標(biāo)準(zhǔn)編程語言IEC61131-3語言，具有了高度的開放性，尤其在硬件系統(tǒng)及運(yùn)動控制功能塊方面形成了標(biāo)準(zhǔn)，使得其推廣應(yīng)用遠(yuǎn)景光明。但是在插補(bǔ)運(yùn)算方面，尚未形成標(biāo)準(zhǔn)，這將是未來發(fā)展所需解決的題目。

　　我國數(shù)控行業(yè)可以鑒戒國外同行業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)。開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)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(yè)化軟件公司提供的開發(fā)工具；然后再以這些開發(fā)工具為基礎(chǔ)進(jìn)行二次開發(fā)，終極研發(fā)出自己的基于IEC61131-3的開放式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)工具。實(shí)際上，國外某些著名控制系統(tǒng)供給商都在這樣做，比如施耐德公司2007年推出的最新運(yùn)動控制產(chǎn)品Lexium PAC，硬件結(jié)構(gòu)屬于控制器平臺，開發(fā)工具即采用了3S公司的CoDeSys；西門子公司Simotion系列運(yùn)動產(chǎn)品采用的開發(fā)工具Scout即是在Infoteam公司的OpenPCS基礎(chǔ)上二次開發(fā)而來。