赤峰西門子閥門定位器代理商                         赤峰西門子閥門定位器代理商

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SIEMENS  西門子420變頻器技術(shù)參數(shù)

1 基于ARM和FPGA的數(shù)控系統(tǒng)

　　機床數(shù)控系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和伺服電機組成?？刂葡到y(tǒng)生成的坐標(biāo)軸運動指令，被發(fā)送到伺服驅(qū)動系統(tǒng)。然后由伺服驅(qū)動系統(tǒng)形成伺服電機的運轉(zhuǎn)控制令。從而使伺服電機完成相應(yīng)的動作。

　　圖1是基于ARM+FPGA的數(shù)控系統(tǒng)的FPGA部分結(jié)構(gòu)框圖，下載接口、配置器件及FPGA 3個部分組成了FPGA自身的開發(fā)調(diào)試環(huán)境?？梢苑奖愕嘏cPC組成開發(fā)調(diào)試平臺。機床控制單元MCU使用32位的ARM嵌入式處理器。運行uC／0S實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的大量分析和計算工作。比如G代碼解析，根據(jù)加工要求形成坐標(biāo)軸的運動指令以及數(shù)控系統(tǒng)的人機界面等。FPGA除了完成對運動指令進行細(xì)插補之外。同時還實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)鍵盤電路的掃描模塊、編碼計數(shù)器模塊和驅(qū)動器控制模塊的功能。本文要介紹的數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置式PLC也是在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)的。

                              圖1 數(shù)控系統(tǒng)中的FPGA結(jié)構(gòu)框圖
 

2 用FPGA實現(xiàn)PLC的軟硬件架構(gòu)

　　為了有更好的人機界面。更符合工程習(xí)慣。采用與主流商業(yè)PLC兼容的編程語言進行編程。內(nèi)置式PLC可以接受最終用戶輸入的PLC指令表(一個特定的子集)。并最終實現(xiàn)相應(yīng)的邏輯控制功能。FPGA內(nèi)部是硬件邏輯。顯然無法識別PLC指令，因此，為了實現(xiàn)這種構(gòu)想。必須設(shè)計一套指令集。該指令集定義了FPGA可以執(zhí)行的最小操作的集合。然后根據(jù)指令集來設(shè)計編譯器和FPGA內(nèi)部的PLC邏輯。其軟硬件架構(gòu)如圖2所示。PLC指令被編譯后，生成FPGA可執(zhí)行的指令代碼。然后將指令代碼下載到FPGA內(nèi)部，由執(zhí)行邏輯對代碼進行逐條執(zhí)行。最終實現(xiàn)PLC的邏輯控制功能。

                                    圖2 基于FPGA的PLC軟硬件架構(gòu)

　　PLC核心邏輯是一個狀態(tài)機?？梢愿鶕?jù)不同的輸入指令執(zhí)行不同的操作。在設(shè)計中。首先應(yīng)確定需要執(zhí)行的指令集合，即狀態(tài)機的指令集設(shè)計。然后根據(jù)指令集來設(shè)計編譯器和PLC邏輯功能。PLC指令編譯器源程序使用C語言編寫。這樣。此編譯器可以方便地移植到PC、ARM或別的任何支持C編程的平臺上?；趫D2中的軟硬件架構(gòu)的PLC不能獨立運行。需要MCU對其進行相應(yīng)的設(shè)置和輔助。如圖3所示。在MCU端。需要一個專門處理與PLC接口的任務(wù)(對于多任務(wù)操作系統(tǒng))或程序。

                                         圖3 PLC邏輯的工作過程

　　
在MCU端，可以提供相應(yīng)的PLC人機界面，提供PLC梯形圖或指令表的編輯、編譯甚至排錯界面，當(dāng)編譯完成后。生成可供FPGA內(nèi)部的PLC邏輯執(zhí)行的“PLC中間操作碼”。當(dāng)要執(zhí)行PLC功能時，首先MCU配置FPGA處于“代碼下載狀態(tài)”。并由MCU將編譯后的代碼下載到FPGA的RAM中：下載完成后。MCU將FPGA設(shè)置為“PLC運行狀態(tài)”。開始依次讀入輸入和輸出端口的狀態(tài)。并根據(jù)所要執(zhí)行的指令更新狀態(tài)。最后輸出刷新狀態(tài)。FPGA還有一個“監(jiān)控狀態(tài)”。此時。ARM處理器可以直接設(shè)置PLC的輸入輸出10寄存器的值。并可以單步運行PLC中間操作碼。ARM結(jié)合返回信息。并配合相應(yīng)的界面，即實現(xiàn)了對PLC的調(diào)試。
 

3 PLC邏輯的EDA設(shè)計方法

　　新型FPGA器件及新的EDA設(shè)計軟件和工具是這種數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置式PLC實現(xiàn)方式的前提。沒有EDA設(shè)計流程和方法的支撐。是很難完成相應(yīng)設(shè)計工作的。

　　圖4是典型的EDA設(shè)計流程。主要包括設(shè)計輸入、功能仿真、綜合與優(yōu)化、映射和布局布線以及最后的下載驗證等環(huán)節(jié)。EDA設(shè)計流程中。最重要的環(huán)節(jié)便是仿真。因為所設(shè)計的對象在FPGA內(nèi)部很難在硬件上進行測試。必須利用諸如Active—HDL。ModelSim等仿真工具進行功能仿真、綜合后仿真以及布局布線后仿真。設(shè)計過程和仿真過程是交叉同步進行的。而且設(shè)計一個模塊。即對一個模塊的功能進行仿真，確保其正確后，才可以集成到更高層面的設(shè)計中去。仿真的主要任務(wù)就是檢驗HDL是否能滿足設(shè)計所提的要求。檢驗的方式是編寫測試平臺。在測試平臺上給模塊輸入條件。觀察或檢驗其輸出。從而驗證是否滿足設(shè)計要求。Active—HDL的Generate TestBench功能還可以生成測試向量的模板。大大加速了設(shè)計過程。

圖4 EDA設(shè)計流程
 

圖5 PLC原型機邏輯仿真結(jié)果

　　
總之，掌握并正確使用EDA設(shè)計方法。是使用FPGA進行邏輯設(shè)計成功的關(guān)鍵。
 

4 在數(shù)控系統(tǒng)中的實現(xiàn)與分析

　　基于FPGA的PLC實現(xiàn)方法在我們自主研發(fā)的基于ARM+FPGA的數(shù)控系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。形成了PLC原型機，實現(xiàn)了基本的PLC邏輯控制功能。能夠與數(shù)控系統(tǒng)集成在一起。結(jié)合相應(yīng)的控制界面。可以對機床的各邏輯開關(guān)量進行PLC編程控制。更重要的是。這種框架下的PLC具有開放式結(jié)構(gòu)?？筛鶕?jù)需要不斷完善。實現(xiàn)更復(fù)雜的功能。如圖5所示，PLC有2個主要狀態(tài)。即輸入輸出刷新(pc status=0)和運行狀態(tài)(pc status=1)。在pc status=0時，輸入被采樣，輸出映像被置位：當(dāng)pc status=1時，PLC開始運行，pc pointer為PLC內(nèi)部指令的指針，在每個時鐘周期，PLC執(zhí)行一條指令，并將指令指針后移，當(dāng)執(zhí)行完所有指令后，outputfresh置高，允許輸出映像寄存器的結(jié)果輸出到端口plc io out中去。以上過程反復(fù)進行，便實現(xiàn)了PLC的最基本邏輯功能。

1 數(shù)控系統(tǒng)簡介

　　數(shù)控系統(tǒng)中，執(zhí)行數(shù)控NC功能的NCK軟件程序和執(zhí)行邏輯功能的PLC程序，需由用戶根據(jù)機床的實際情況加以編制。軟件設(shè)計中，主控程序是NcK軟件程序；機床邏輯動作由NCK軟件程序輸出給PLc的輔助功能來完成。

　　
1.1 輸出給PLC的輔助功能

　　輔助功能又稱M功能或M指令，是控制機床加工操作時作一些輔助動作的開／關(guān)功能，其主要用于機床加工時的工藝性指令，靠繼電器的通斷來實現(xiàn)其控制過程。輔助功能M代碼是以地址M為首后跟2位數(shù)字組成，共100種(M00一M99)。機床上的各種開關(guān)操作可以通過零件程序中的M功能指令激活。M功能在使用時，每個程序段可以有5個M指令。M指令的值從O到99，為整數(shù)。其中少數(shù)幾個M指令已經(jīng)由系統(tǒng)生產(chǎn)廠商設(shè)置了一些固定功能，具體參見表1，其余部分可供機床生產(chǎn)廠商使用。

1.2 PLC向NCK傳送的信號

　　PLC用戶程序和NcK(數(shù)控核心)之間通過不同的數(shù)據(jù)區(qū)可進行信號和數(shù)據(jù)的交換，PLC用戶程序與交換無關(guān)，對使用者來說這是自動進行的。PLC／NCK的控制信號和狀態(tài)信號會循環(huán)刷新。信號分為普通信號、運行方式信號、通道信號和進給軸／主軸信號。其中，在PLC-NcK的通道控制信號中，3200的PLC變量中的V32000006．1是讀入使能禁止信號，其含義及使用方法如表2所示。
   V32000006．1含義及使用方法 

　　從表2可以看到，當(dāng)對V32000006．1置“1”，禁止下一個程序段的數(shù)據(jù)傳送到插補器，這時NC程序處于停止等待狀態(tài)；當(dāng)對v32000006．1復(fù)位清“0”，下一個程序段的數(shù)據(jù)傳輸給插補器，這時NC程序開始繼續(xù)執(zhí)行該下一程序段，因此，通過對v32000006．1的置“1”和復(fù)位清“0”就可以實現(xiàn)對NC程序段的運行控制。在機床設(shè)計中，某些情況下只有結(jié)束輔助功能才可以執(zhí)行下一個NC程序段，因此，這時可以通過禁止讀入信號阻止程序段的自動轉(zhuǎn)換執(zhí)行。