卷板機數控系統的硬件和軟件設計

硬件設計應用了PC硬件技術。整個系統的基礎是Pentium III 400 工業控制機，采用工控機的CPU 作為系統的主處理器，完成系統的管理、人機交互動態顯示、預處理、參考計算及圖像處理。采用標準總線技術(ISA 總線)，有效的解決了因總線不同所帶來的硬件不能公用問題。 

具有強大的人機交互操作功能。機床操作人員可以通過軟盤在I/O 設備輸入加工所需信息，也可以通過系統所提供的編輯功能，輸入加工信息系統運行時，顯示器上的圖像和數據反映各個位置傳感器反饋的加工信息。可以通過鍵盤或操作面板進行控制。橫移等位置檢測傳感器采用磁柵R，其精度為0.05mm。主軸位置檢測傳感器為旋轉編碼器，1048線。通過位置傳感器反饋達到半閉環控制，以保證機床的定位精度和運動精度。強大的開放式模塊化硬件結構。CNC 系統包括以下模塊：運動控制模塊、PLC 模塊、基本輸入輸出模塊、通訊模塊。運動控制模塊是獨立完成運動功能的模塊，是硬件和軟件的集合體，控制目標是速度位置及轉矩。PMAC 是功能強大的運動控制器，在系統中起著關鍵作用，是極其重要的一個模塊。 

PMAC自帶高速CPU，是一個具有獨立內存、獨立運算操作能力的計算機，可接受PC主機的命令進行工作，也可脫機運行獨立工作。系統開發了PMAC運動控制器的如下功能：1，用增量式A/B正交編碼器實現位置和速度反饋，也可以連接一些適當的附件實現反饋。2，運用PMAC運動控制器的DSP板具有的強大的計算功能，對變量、常量進行算術、邏輯以及超越運算操作，進而避免了主機在進行這些操作時所造成的計算延遲和通訊延遲。3，利用PMAC的多軸運動程序管理功能。PMAC運動控制器的內存可以存儲多達256 個運動程序。在PMAC運動控制上執行的運動控制語言具有BASIC或C等高級計算機語言的特點，同時它與G代碼機床兼容，并且可直接接受G代碼命令。計算結構和邏輯結構與計算機語言相似，并且運動規范與機床工業中所使用的相似。4，后臺PLC功能。當運動程序在前臺有序地運行時，PMAC 運動控制器可以在后臺運行多達32不同PLC功能。同時PMAC提供了非專用的數字輸入和輸出口。利用這些I/O口，程序可以完成PLC功能PLC程序與運動程序共享同一種邏輯結構，但不能控制運動軸。 

PMAC接口的設計。卷板機數控系統的執行元件并不是伺服電機，其位置控制是通過磁柵和旋轉編碼器來實現位置反饋，使用MACHI口連接了4組傳感器，用來檢測位置實現位置控制卷板機控制系統中所有狀態檢測和所有元器件控制都是由PMAC的輸入、輸出控制板控制的其原理如圖2所示。

采用雙端口RAM(DPRAM)作為主機和PMAC之間通訊的橋梁。DPRAM是PMAC的備選件，為主機和PMAC之間的可以共享的高速內存區。利用DPRAM，PMAC 和主機之間可以實現高速重復不需“握手”的數據通訊，實時方便地進行數據交換。例如，主機可以將位置、速度信息實時地AM發送到PMAC，由PMAC 進行位置控制；同時，主機還可以讀取PMAC 存放在DPRAM中的機床狀態信息。 

此數控系統采用計算機總線和PMAC 進行通訊，實現主機的實時中斷，進而有效地提高了通訊效率和通訊速度。當PMAC產生的終端信號出現在主機的總線上時，主機開始計算新的控制數據并將數據寫入到DPRAM中，PMAC 則從DPRAM中讀出數據對電機進行控制；同時主機從DPRAM 中讀出反饋數據，進行處理，完成實時顯示機床位置機床狀態監控等功能。 

2 數控系統的軟件設計 

為了保持所開發系統的技術先進性，同時使系統有一定的功能可擴展性，項目選擇了開放式數控系統的設計思想與方法。其系統的總體方案如圖3所示。

系統設計與開發采用了面向對象的方法因為這種方法模擬了人類認知客觀世界的過程；具有封裝性，集成性，以及消息驅動等一系列特性，使得改造的系統模塊清晰、組裝維護方便，可擴充性可重組性強；面向對象模型將概念模型、邏輯模型和物理模型統一到一起，極大的降低了系統的理解難度。 

采用PMAC可編程多軸控制器，因為它的開發界面非常友好。它提供的PWIN 編程工具完全在Windows 環境，運行編輯修改非常容易。 

遵照面向對象的系統設計與分析的主導思想，系統設計成若干個對象模塊的有機組合。宏觀上看系統分為系統層、應用層和物理層三個層面，如圖4所示。主要解決IPC 與PMAC，FlyVideo繼承的一系列技術問題，因為PMAC 有自己的CPU 和RAM 還有EPROM; FlyVido 也有自己的RAM和相應的運算器，而PMAC和FlyVideo都是以總線方式與IPC相連，IPC要將這些資源和自身資源集成到一起形成完整的控制系統，必須有有效的集成手段。應用層是系統的主體部分，由若干個功能模塊組成。在系統層的支持下，各功能模塊獨立完成一部分任務，從而實現系統的所有控制目標。物理層是與物理空間相對應的機制，由若干和存儲文件結構對應的數據結構組成，用來滿足人機交互和訪問數據庫的需求。

軟件設計過程中還必須實現下面這些技術要求： 

(1) 上位機與下位機的實時通訊：上位機與下位機的實時通訊是利用DELTA TAU DATASYSTEM 公司提供的與PMAC相配套的PtalkDT類實現的。PtalkDT類通過添加ActiveX 的方式加以實例化，并由其中的GetResponse()方法完成雙向通訊。上位機與下位機通訊的速度取決于主計算機的主頻、PMAC CPU 的速度，以及系統程序和下位機控制程序的大小。 

(2) 視頻顯示：視頻信號的處理及圖像顯示控制是通過對視頻卡的二次開發實現的。FlyVideo視頻卡提供了OCX標準控件Capwnd與應用系統進行集成。該控件的16 個主要方法和7 個屬性由MFC42.DLL 和MSVCRT.DLL兩個動態連接庫支持，借助這兩個動態連接庫支持，系統開發了Overlay 和Peview 兩種圖像顯示模式，以方便現場的不同要求。 

(3) 穩壓電源：大型卷板設備工作環境惡劣，尤其是電網電壓極不穩定，很容易沖擊數控系統，造成死機。其結果輕則產品作廢，重則損壞設備，損失難以估量。為了防止數控系統因電源干擾而產生控制失誤，系統專門配置了響應速度小于0.1ms 的在線不間斷穩壓電源。除此之外，系統還在軟件設計上進行了必要的處理，為每個動作編制了濾波程序。 

(4) 控制時鐘：系統控制時鐘主要是從保證系統正常運行的角度，周期掃描下位機I/O 口、視頻信號狀態，以及中斷請求信息，實現上位機與下位機的實時通訊；獲取運動坐標當前值；動態管理數據庫；在線決策程序進程等。此模塊由標準控件Timer 實現。為了提高可靠性，系統采用單時鐘驅動時鐘，掃描周期80ms。 

3 結論 

經過生產實踐的檢驗，17000kNx3000mm上輥萬能式卷板機數控系統的軟件和硬件設計完全符合生產。在生產過程中，系統控制軟件配合硬件順利地進行數據輸入、數據處理、信息輸出以及對執行部件的控制，使數控卷板機按照設計要求，安全可靠地運行自動卷制工藝過程。

參考文獻 
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