開(kāi)放式數控系統中IPC與PLC通信技術(shù)

　　IPC指的是工業(yè)中的使用計算機，也就是工業(yè)PC，工業(yè)PC的設計、制造與實(shí)際使用需要考慮到實(shí)際工作環(huán)境的影響，因為工業(yè)生產(chǎn)中的設備需要能夠承受溫度、濕度、機械擾動(dòng)、電磁場(chǎng)甚至灰塵等惡劣條件的影響，因此IPC的制造需要使用工業(yè)級別的處理器，全部密封的封裝箱柜，并且在設備中需要安裝保持空氣潔凈的器件，同時(shí)還要能夠鋪墊避免機械擾動(dòng)的物質(zhì)和抗電磁干擾的屏蔽器件，加上多方面的保護措施才能夠在工業(yè)環(huán)境中長(cháng)期穩定運行，因此其具有極強的穩定性，可以廣泛應用在工業(yè)、航空、礦業(yè)、軍事等多種領(lǐng)域中。

　　PLC的全稱(chēng)為可編程控制器，它是在計算機基礎上進(jìn)行開(kāi)發(fā)而成的自動(dòng)化工業(yè)控制器。在工作中可編程控制器可以進(jìn)行隨時(shí)更改程序、適應性強，因此具有很強的適應能力和計算能力，同時(shí)加上大容量空間、多樣化的軟件程序應用、便捷的操作和多種獨特的功能，如今PLC已經(jīng)在工業(yè)控制中獲得了極其廣泛的應用。在IPC和PLC發(fā)展如此迅猛的今天，兩者進(jìn)行聯(lián)合開(kāi)發(fā)，在數控領(lǐng)域中發(fā)揮強大功能已經(jīng)獲得了可能，在開(kāi)放式的數控系統中，通過(guò)PLC作為下位機處理一線(xiàn)的物理處理和數據收集，IPC可以作為處理設備進(jìn)行計算、控制、數據研究等多項后期工作，同時(shí)如果多個(gè)PLC連接還可以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化的控制，因此這兩者的聯(lián)合控制模式，將成為工業(yè)數控領(lǐng)域內的主流發(fā)展方向。

一、數控系統結構

　　開(kāi)放性的數控系統采用了開(kāi)放式的PLC，也就是外置式的PLC，傳統的PLC是內置的，且多個(gè)PLC只能夠由一個(gè)CPU進(jìn)行控制，嚴重影響了工作效率也錯誤判別的準確性，外置式的PLC具有成熟的生產(chǎn)廠(chǎng)家，穩定的通信渠道，且具有獨立的CPU對其進(jìn)行控制，大大提高了通信的穩定性和執行效率。

　　在本文的數控系統中，將以數控機床中的數控系統為例，PLC的主要功能是在機床的工作前線(xiàn)進(jìn)行數據的采集、判斷上位指令的傳達、執行輸入的控制指令，也就是對數控機床的運行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)數據采集工作。PLC在數控系統中處于協(xié)調自身所在的數控系統和外部的控制指令的位置，一方面它需要能夠執行IPC傳達的控制命令和發(fā)送數據信息，一方面也需要通過(guò)DMP接收機床操作命令，根據這些接收到的命令輸入機床的各個(gè)電機環(huán)節進(jìn)行操作。而上位的工業(yè)計算機IPC的主要工作是對采集好的數據進(jìn)行存儲、挖掘并將結果進(jìn)行輸出顯示等工作，這樣就能夠通過(guò)兩者的配合實(shí)現對數控機床工作數據進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集與顯示工作，另外上位機還需要進(jìn)行對活動(dòng)的機械設備進(jìn)行電機等運動(dòng)器件位置與方向、速度等參數的實(shí)時(shí)控制工作。系統中IPC與PLC采用點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式，具體是通過(guò)RS232的串行接口進(jìn)行連接，PLC與計算機的各個(gè)接口也都是通過(guò)RS232來(lái)進(jìn)行。

二、IPC與PLC之間的通信

　　數控系統中的通信接口主要有兩個(gè)，一個(gè)通過(guò)RS232串行接口進(jìn)行數據指令的傳輸，一個(gè)是通過(guò)數據線(xiàn)與計算機進(jìn)行程序的輸出與寫(xiě)入工作，該接口也是通過(guò)RS232的串行接口，通過(guò)RS232數據線(xiàn)進(jìn)行程序的傳輸和讀寫(xiě)操作。

　　在通信工作開(kāi)始之前，IPC與PLC的連接需要在正式開(kāi)始之前進(jìn)行初始化操作，PLC、IPC需要各自都采用同樣的數據傳輸格式以及波特率參數。同時(shí)，在通信正式開(kāi)始之前，PLC的寄存器也需要進(jìn)行統一的讀寫(xiě)操作，其中寄存器412用于進(jìn)行選擇計算機的連接方式，寄存器413用于選擇奇校驗，設置傳輸8位，并選擇停止位，寄存器414的作用是設置數據傳輸的速率。在計算機中，默認設置一號端口為PLC的通信讀寫(xiě)端口。

　　在計算機通過(guò)串口對PLC進(jìn)行通信程序的讀寫(xiě)時(shí)，存在一套完備成熟的通信協(xié)議工具進(jìn)行輔助程序通信，這個(gè)協(xié)議已經(jīng)具備了如何接收上位機的控制指令、PLC的編號和命令設置方式。該指令的具體執行過(guò)程如下：

　　首先，由上位機發(fā)出命令，該命令的前段包括起始碼、接收的PLC的編號、特征碼、正文命令內容、塊校驗碼等內容，該格式由通信協(xié)議實(shí)現進(jìn)行了規定；其次，PLC的工作，其在接收到上位機發(fā)出的命令之后會(huì )首先對其進(jìn)行檢查是不是一段完整的合法指令，然后再檢查自身的PLC編號是不是與指令中的目的編號相符合，如果這一切都符合要求，那么其會(huì )進(jìn)行數據的發(fā)送工作，不然其會(huì )進(jìn)行中斷以拒絕操作，根據錯誤的原因發(fā)送固定格式的錯誤代碼。

　　為了保證上位機與PLC之間通信的準確與可靠性，在通信協(xié)議中會(huì )設置一段塊校驗碼，具體的使用方法是將上位機傳來(lái)的指令進(jìn)行校驗，在校驗中會(huì )將正文的指令內容進(jìn)行一定形式的邏輯運算，轉換為其它形式的代碼，PLC在接收到信號后會(huì )對塊校驗碼進(jìn)行反演計算，如果與發(fā)送端的相同，那么就可以進(jìn)行正常通信工作執行，否則就說(shuō)明通信出現問(wèn)題，根絕校驗碼輸出的錯誤信息可以判斷出發(fā)生問(wèn)題的具體位置和原因。

三、IPC的通信程序

　　對于作為上位機的IPC來(lái)說(shuō)，在其與PLC通信的過(guò)程中，始終處于主動(dòng)發(fā)送命令的位置，根據用戶(hù)的需求，使用特定的功能，讓IPC發(fā)送相應的命令信息，而PLC則始終處于被動(dòng)接受信息和執行的狀態(tài)，由于PLC中不需要進(jìn)行編程信息的編寫(xiě)和存儲，因此其只能夠處于響應控制命令，不能夠進(jìn)行主動(dòng)發(fā)送信息和命令。在數控系統中，各種一線(xiàn)設備的工作狀態(tài)數據需要隨時(shí)進(jìn)行讀取顯示，因此IPC并不具備主動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取的功能，所以這樣的方式影響了PLC的實(shí)時(shí)工作性質(zhì)。 　　傳統的上位機與PLC之間的通信方式采用定時(shí)進(jìn)行查詢(xún)的方式，該方式具體的做法是IPC會(huì )在固定的時(shí)間間隔點(diǎn)后進(jìn)行讀取PLC的工作狀態(tài)，如果某一次對PLC的讀取發(fā)現其狀態(tài)異常，那么會(huì )觸發(fā)對應的處理方案，這種方法在故障發(fā)生并不嚴重的時(shí)候可以發(fā)揮基本的監控和提醒作用，但是在實(shí)時(shí)性上仍然具有一定的劣勢，且操作的效率不高。而當使用串行接口進(jìn)行通信工作時(shí)，在一開(kāi)始對PLC的端口進(jìn)行了預先的設置后，并不需要進(jìn)行定時(shí)的數據匯報，而是當其實(shí)時(shí)觀(guān)察到的數據產(chǎn)生變化時(shí)才會(huì )觸發(fā)緊急狀態(tài)信息，這樣的數據會(huì )立即被傳送至上位機進(jìn)行處理，這樣IPC上位機就能夠在錯誤發(fā)生的第一時(shí)間進(jìn)行處理，工作的效率較高，也節省了大量的監控數據傳送，從錯誤發(fā)生到事件處理之間的時(shí)間也大大減少。

　　在IPC與PLC之間的通信中，需要開(kāi)發(fā)相應的通信軟件，以筆者所在的學(xué)校擁有的數控系統設備來(lái)講，配備了成熟的串行通信程序編寫(xiě)控件MSComm，它能夠為絕大多數的串口通信模塊提供通信程序的編寫(xiě)工具。在Visual Basic環(huán)境中，利用該控件可以為各端口提供完備的輸入輸出數據信號的能力，另外其優(yōu)勢在于完善的中斷功能，中斷功能可以幫助開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)出更加成熟穩定的通信工具。如上述所說(shuō)，通信中斷的方式主要有兩種，固定間隔的查詢(xún)功能與實(shí)施狀態(tài)變化發(fā)生的信息傳送功能，如果數控系統涉及的器件不多，且結構簡(jiǎn)單無(wú)任何嚴重的不良后果，則可以采用定時(shí)查詢(xún)的方式進(jìn)行監控，如果數控系統的中斷對即時(shí)性要求較高，那么則必須采用串口通信的方式處理錯誤事件。也叫做事件驅動(dòng)方式。事件驅動(dòng)方式的具體方法是當上位機決定好發(fā)送數據時(shí)，事件的屬性定義為查詢(xún)式傳送數據時(shí)，系統將會(huì )以定時(shí)間間隔的方式由PLC匯報系統運行狀態(tài)，而當事件的屬性定義為事件驅動(dòng)方式時(shí)，那么該通信會(huì )即時(shí)生效，開(kāi)始處理程序，如果PLC匯報狀態(tài)改變的信息時(shí)，上位機會(huì )立即作出處理。在處理的過(guò)程中，為了避免重復通信，可以繼而轉換為定時(shí)查詢(xún)的方法向PLC發(fā)送信息處理狀態(tài)，保證在處理過(guò)程中通信程序的暢通運行。

四、總結

　　總的來(lái)說(shuō)，在數控機床等非標準機械的開(kāi)發(fā)制造過(guò)程中，PLC的長(cháng)期穩定工作能夠為系統的運行帶來(lái)可靠性，但是自身帶有無(wú)法進(jìn)行信息管理的弱點(diǎn)，而且不能夠直接與使用者進(jìn)行交流，所以在故障的發(fā)現與排除、實(shí)時(shí)狀態(tài)的匯報等方面無(wú)法實(shí)現功能，在本文中利用了其與IPC進(jìn)行通信的方式，成功地解決了該弱點(diǎn)，PLC能夠實(shí)現數控系統前沿的信息收集，由IPC進(jìn)行信息處理和現實(shí)，對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)使用更方便，可靠性更高，在實(shí)際的各類(lèi)數控系統開(kāi)發(fā)中都可以得到廣泛的應用。