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开放式数控系统PLC的研究与开发
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开放式数控系统的体系结构及关键技术研究
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面向实践教学的开放式数控车床系统的研究与开发.pdf79页
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中图分类号：TP274
论文编号：10座机电话号码-S135
学科分类号：080202
硕士学位论文
面向实践教学的开放式数控车床
系统的研究与开发
研究生姓名
学科、专业
机械电子工程
机电控制及自动化
周燕飞 教授
南京航空航天大学
研究生院 机电学院
二О一二年一月
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
The Graduate School
College of Mechanics and Electrics
Development of an Open-CNC Lathe System
for Application of Teaching
A Thesis in
Mechanical and Electrical Engineering
Advised by
Prof.ZhouYanfei
Submitted in Partial Fulfillment
of the Requirements
for the Degree of
Master of Engineering
January, 2012
本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下
进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和
致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究
成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学
位或证书而使用过的材料。
本人授权南京航空航天大学
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淘豆网网友近日为您收集整理了关于基于组件技术的开放式数控系统离散逻辑控制技术的研究--优秀毕业论文的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：基于组件技术的开放式数控系统离散逻辑控制技术的研究--优秀毕业论文 北京工业大学硕士学位论文基于组件技术的开放式数控系统离散逻辑控制技术的研究姓名:孟庆春申请学位级别:硕士专业:计算机软件与理论指导教师:刘燕军摘要摘要数控技术在制造业中占有重要地位,而开放式数控系统是目前数控技术的发展方向。开放式数控系统对外提供的功能主要是运动控制和离散逻辑控制的功能,在开放式数控系统发展之初实现离散逻辑控制功能的主要是以硬件为核心的PLC系统,随着开放式数控系统的发展,以Pc为硬件平台,用软件来实现PLC的功能(即软PLC)成为开放式数控系统中PLC的发展趋势。基于软件复用的思想,本文首先对PLC所应用的领域进行了领域分析,建立了领域分析模型,然后在此领域分析模型的基础上根据用户对于本PLC系统可以执行的外部操作设计了本软PLC系统的体系结构,为了适应用户需求的不断变化和使系统模块容易集成和替换,本系统决定采用了组件技术,将系统结构进一步划分为完成系统功能的各类组件。在实现系统组件时,难点是实现PLC控制程序的编译系统,本文详细叙述了PLC编译系统的实现,首先采用正规式表达PLC控制(来源：淘豆网[/p-3388394.html])语言中的基本单词结构的语法结构,在有效表达了这种语法结构的基础上就可以构造利用有上述正规式组成的正规集建立PLC控制程序的词法分析系统。然后可以使用带有回溯特征的LR分析法解决语法分析过程中产生的移进归约冲突。最后,由于PLC控制程序在执行时具有外部信号触发的特性,因此为了解决程序动态执行的问题引入了Petri网技术,利用基与Petri网结构的依赖链辅助程序执行,该依赖图反映了程序之间的相互依赖关系,在程序执行时根据依赖图反映的关系决定那些程序可以执行。总之,本文所开发出的PLC系统适应用户需求变化能力强,系统模块容易集成和替换,运行效率高,非常适合应用于开放式数控系统。关键字开放式数控系统;编译系统;软PLCi Petri网北尿I业大学I学硕士学位论文AbstractNC technology is playing a very important role in manufacturing field.Functions provided by Open numerical control(来源：淘豆网[/p-3388394.html]) system are posedof moving control and dispersing logical contr01.During the Initial ofOpen numerical control system the PLC System based on hardware i Smainstream. With the development of Open numerical control system,basedon PC real ized with software which called Soft PLC has been the tendencyof modern PLC.Based on the idea of Software reuse,thiS issue firstlY analysiS thefield of the application of PLC,constructing the model of analysiS,and then(来源：淘豆网[/p-3388394.html]) construct the Archi tectureof the PLC System i n term of the requestof the user.In order to approprlate for the easily changed request of theuser,thiS system adopt
technology and design the ponent of thi S system.The difficuty in realizing thiS system iS the realiZing of piling system,thiS issue describe the realiZing of pilingsystem indetail.Firstly,using Regularity formular expressing the primaryword used in PLC Control Language,and you can cons(来源：淘豆网[/p-3388394.html])truct.the lexicalanalysis system using Regularity posed of regularity formularsmention above.Secondly,using LR analysiS method which contains tracingstrategy dealing with the conflict of naturalization and induction duri ngthe process of syntax analysis.Finaly,using relying LinkList which basedon the technology of
tackle the dynamic execution of PLCprogram because PLC program is invoked by outer signal.In sum,the system this issue described,appropr(来源：淘豆网[/p-3388394.html])iate for the frequentlychanged request of the user and posed of this systemcan be easily integrated and replaced.So We can draw this conclusion thatthis system is fit for the open numerical control system.Keywords open numeric,Il-独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名:盘盛日期:趟:6:f占关于论文使用授权的说明本人完全了解北(来源：淘豆网[/p-3388394.html])京工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定)第1章绪论第1章绪论1.1 课题背景1.1.1开放式数控系统及其发展动态数控技术是一门由机械学,电子学,控制论,计算机四大基础学科发展起来的综合性新兴学科,数控技术是数控机床的核心技术,而数控机床又是推行FMC(柔性制造单元),FMS(柔性制造系统),以及CIMS(计算机集成制造系统)等的基础,数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术,对国民经济的发展起着重要作用。开放式数控系统的研究从80年代开始,到现在还没有形成统一的规范,但普遍赞同的观点是“1:开放式数控系统是模块化、开放型、嵌入式的系统,其核心是建立一种向数控系统的第三方软、硬件开发商、机床制造商和最终用户都开放的体系结构和标准,使数控系统不依赖特定厂家.达到可互连、互操作、可重组和可的目的。开放式数控系统能够兼容市场上提供(来源：淘豆网[/p-3388394.html])的各种软硬件资源,能够根据用户的要求通过增加或减少模块来增减系统功能,能够实现与其它应用系统的通讯及协调工作。90年代开始,C面临的问题和开放式数控系统发展的必然趋势,为占领数控市场,以设计生产开放式数控系统为目标,在自动化领域对开放式数控系统做了大量的开发和研究工作,相继推出了自己的开放式体系结构规范。3。1989年,美国有政府资助的NGC(NextGeneration Controller)研究计划,作为开放性结构控制器的标准提案受到广泛关注。C的显著差别是它基于”开放体系结构”,其首要目标是开发”开放式系统体系结构标准规范(Specification foran 0Den System Architecture Standard,SOSAS),此规范用来管理工作站和机床控制器的设计和结构组织。NGC计划于1994年完成了原形设计,并转入了工业开发应用。在NGC计划的指导下,美国的Ford,GM和Chrylser等公司联合推出了OMAC(Open Modular ArchitectureC(来源：淘豆网[/p-3388394.html])ontriollers)计划。3,其目的是,开发一种模块化的可重构控制系统,能适应新技术的发展和用户需求,随时可纳入或集成模块化软件与硬件,使北京工业大学32学硕士学位论文之重构成一个高效的控制器,以实现具有低成本、少维护、开发周期短、更新换代快等特点的控制系统。与NGC同步,1994年,日本也启动了一项开放系统计划——OsEc(Open System Environment for Controller)计划。其主要内容是基于Pc平台的开放式系统,宗旨就在于确定”不依赖与特定卖主的开放性控制器”的结构。这一计划由3家机床企业(东芝机械、丰田工机、山崎)与3家信息系统开发企业(日本IBM,三菱电机,SML)发起,提出了控制器的分层模型,明确了各层次模块的功能、服务内容和接口规范。此外,还定义了一种新的NC语言——FADL语言。1991年t0月,一项涉及欧洲各国的控制系统计划OSACA(Open System Architecturefor Controller within Automatio(来源：淘豆网[/p-3388394.html])n systems)开始启动,它是欧洲各国的合作计划,立足于提高机床和控制系统制造商在世界市场中的竞争力。其主要任务是制定一个与制造商无关的开放控制系统结构。OSACA计划的成功将减少新产品的上市时间,提供更强的客户定制功能和柔性程度,减少了开发、维护、培训和文档建立的费用。自改革开放以来,我国数控技术的开发研究有了较快的发展,尤其是经过将近二十年的发展,截止到2000年开发了具有我国自主版权的两个基本系统(即平台),四种数控系统及其派生产品。它们是,中华I型(中国珠峰公司)、航天I型(航天数控集团公司)、蓝天I型(中科院沈阳计算所)、华中I型(华中理工大学)。这些高档数控系统的开发成功,使我国数控技术有长足的进步,也给我国数控发展带来了新的机遇。开放式数控系统对外提供的主要功能是运动控制和离散逻辑控制,在开放式数控系统的发展初期,负责离散逻辑控制的主要是以硬件为核心的PLC系统,随着开放式数控系统的发展,以Pc为硬件平台,用软件来实现PLC的功能(即软PLC)成为开放式数控系统中PLC的发展(来源：淘豆网[/p-3388394.html])趋势。1.1.2开放式数控系统的特点开放式数控系统是由一系列逻辑上独立的部件构成的,部件间的接口以及部件与实验平台的接口己预先定义,并允许来自不同厂家的部件协调工作,从而形成一个完整的控制系统。该系统可运行于不同的平台之上,并为用户和其它自动化系统提供完整一致的界面。开放式数控系统具有以下基本特征:1) 互操作性(Interoperability)。通过提供标准化接口、通信和交互机制,使不同功能模块能以标准的应用程序接口运行与系统平台之上,并获得平等的相互操作能力,协调工作。2) 可移植性(Portability)。系统的功能软件与设备无关,即应用统一的数据格式、交互模型、控制机理、使构成系统的各功能模块能运行于不同供应商提供的硬件平台之上。3) 可扩充性(Scalability)。CNC系统的功能、规模可以灵活设置,方便修改,既可以增加硬件或软件构成功能更强的系统,也可以裁减其功能以适应低端应用。4) 可互换性(Interchangeability)。指构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的控制,可根据其功能、可靠性及性能要求相互替换,而不影响系统整体的协调运行。满足这些特点的系统能根据用户的需求,迅速、高效、低成本的构建面向用户,具有广泛兼容性的控制器,而这一过程并不依赖于某一控制器制造商,且可融入用户的专用功能,从而是最终用户、机床制造商和控制器开发商在设计、实现、安装、操作、维护、重配置等多方面受益。1.1.3开放式数控系统的体系结构根据开放式数控系统的定义,一个开放式数控系统可以分为两个部分:统一的系统平台以及由各功能结构单元的对象(ArchitectureObject功能元对象)组成的应用软件模块“1。图卜1开放式数控系统体系结构fig卜1 Architecture of open Numeric Control System北京工业大学T:学硕J.学位论立如图卜1所示,数控系统的系统平台由系统软件和系统硬件组成,系统硬件由机床的功能配置决定,它不依赖某一硬件制造商。系统软件由两部分组成:系统核心软件(如操作系统、通讯系统、动态的实时配置系统等)和可选的系统软件(如数据库系统、图形系统等)。系统平台提供的服务是通过标准应用程序接口API来实现的。API是系统功能对象进入系统平台的唯一途径,它一方面隐藏了系统平台提供的一系列服务的真实实现,使硬件与软件独立,另一方面提供了各种功能元对象在各种平台上的统一接口。在这个系统平台上,用户可以任意选购不同的供应商提供不同的功能模块,来构筑自己所需要的控制系统。一个典型的开放式体系结构应具有三个重要的组成部分:参考结构(reference architecture)、munication system)、配置系统(configuration system)。通讯系统解决各个功能元对象(AO)模块如何在独立于系统的情况下交换信息,它包括信息传送系统(MTs)和应用服务系统(ASS)。参考结构描述了一个控制系统由哪些功能元对象模块组成以及这些功能元对象模块提供什么开放式接口:配置系统划分系统平台所需实例化的AO,并对它进行配置。参考结构包含各种功能单元(如轴控制、运动控制等)、客户应用(如人机控制等)和功能单元组(如逻辑控制、过程控制等)。PLC作为参考结构的一部分,位于开放式数控系统的体系结构上层,PLC在数控系统中主要执行离散逻辑控制的功能。1.1.4 PLC发展历史与现状可编程逻辑控制器PLC。1(Programmable Logic Controller)是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物,是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器,是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。国际电工委员会(IEC)。1先后于1982年11月和1985年1月颁布了可编程逻辑控制器标准的第一稿和第二稿,对可编程逻辑控制器做了如下的定义:“可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计,它采用一类可编程序的存储器,用于在内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操第1苹绪论作等面向用户的指令,并通过数字式和模拟式的输入输出,控制各种类型的机械的生产过程。可编程控制器及其有关外围设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充功能的原则设计。”近年来,PLC技术在各种工业过程控制、生产自动线控制及各类机电一体化设备控制中得到极为广泛的应用。在20世纪60年代末,美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)为了适应汽车型号不断更新的需要,试图寻找一种新的生产线控制方法,使之尽可能地减少设计继电器控制系统的工作量以及尽量地减少控制系统硬连接线的数量以降低生产成本,缩短制造周期,减少生产线的故障率,从而有效地提高生产效率。1969年,美国数字设备公司(DEC)研制出符合上述想法的工业控制装置,命名为可编程逻辑控制器即PLC。之后,日本、德国、法国等先进工业国家相继研制了各自的PLC系列产品,并逐步在工业控制中推广应用,越来越受到工业界的重视。20世纪70年代中期,PLC进入了实用化发展阶段,在PLC中全面引入了微型计算机技术,使PLC的结构和功能产生了新的飞跃。20世纪70年代末期和80年代初期,PLC进入了成熟阶段,向大规模、高速度、高性能方向发展,形成了多种系列化产品,编程语言也发展迅速。90年代后PLC进入了加速发展阶段,世界各国、各公司不断开发新产品,在软件方面也不断向上发展,并与计算机系统兼容。1.1.5 PLO的特点和应用领域PLC的主要特点如下:1)应用灵活、扩展性好。PLC的用户程序可简单而方便地编制和修改,以适应各种工艺流程变更的要求。PLC的安装和现场接线简便,可按积木方式扩充控制系统规模和增删其功能以满足各种应用场合的要求。2)编程简单,使用方便。PLC采用面向过程、面向问题的“自然语言编程,如梯形图语言编程方式,非常直观,易懂易编,容易推广使用。3)功能强大:现代PLC不仅具有条件控制、计数、定时、步进、跳转、移位等功能,还能完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通北京I业人学工学硕士学位论文信网络、生产过程监控制等功能。4)体积小、重量轻、易于实现机电一体化。PLC结构紧凑、坚固耐用、体积小巧、并且具备很强的可靠性和抗干扰能力,使之易于装入机械设备内部,因而成为机电一体化十分理想的控制设备。PLC由于具备以上特点,现在已经广泛应用于国内外的机械、冶金、化工、汽车、轻工等行业中。若按应用类型来划分,PLC应用领域大致可以分为如下几个领域:1)开关量逻辑控制。PLC最基本的功能是逻辑控制,如逻辑运算、定时,计数等。在中、高档数控制机床的数控系统中,大多采用PLC+NC的控制方式、前者实现对开关量(如M功能,T功能)的控制,后者完成插补运算等功能。2)模拟量的闭环控制。一般PLC都有A/D、D/A转换及算术运算等功能,因此可以实现模拟量控制。3)数字量的智能控制。利用PLC能接受和输出高速脉冲的功能,在配备相应的传感器或脉冲伺服装置(如环行分配器、功放、步进电机)就能实现数字量的智能控制。41数据采集与监控。PLC可以在控制现场实行控制,把现场的数据实时显示或采集保存下来,供进一步研究。51分布式控制系统。通过联网可以把PLC与PLC或PLC与上位机连接起来,构成多级分布式控制系统。1.1.6典型PLO系统结构PLC主要由中央处理单元(CPU),存储器(RAM,ROM)、输入输出部件(i/o),电源和编程器几大部分组成。其结构框图如图卜2所示:播放器加载中，请稍候...
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