在数控机床中, 通常用可编程控制器( PLC) 对机床开关量信号进行控制。PLC可靠性高, 使用方便。但在大多数数控机床, 特别是经济型数控机床中, 要求的输入输出点数并不多, 通常在60点以下,因此, 为了降低数控机床成本, 在基于工业PC机的数控系统中, 可以采用开关量I/O板加外接继电器,配合主机的软件对机床开关进行控制。但如果PC机采用单任务操作系统(如DOS) , 数控系统的所有任务运行都置于一个总体的消息循环中, 软件的模块化和可维护性较差, 系统故障的风险相对集中, 而且不能充分利用PC机系统资源。而采用非实时多任务操作系统(如WINOOWs) 时, Win32 API的设计没有考虑到实时环境的开发用途, 其系统调用的效率不高,不能满足数控系统PLC控制的实时性要求。
为此, 本文提出一种基于RT - Linux操作系统的嵌入式PLC, 利用RT - Linux的开放性、模块化和可扩展性的系统结构特性和多线程/多任务的系统环境,在保证实时性的同时, 使故障风险相对分散。
数控系统嵌入式PLC的硬件结构
数控系统硬件建立在通用工业PC的开放体系之上, 数控系统嵌入式PLC硬件包括: 工控机及其外围设备, 基于ISA总线的开关量输入输出接口卡, 光电隔离模块, 继电器输出模块。
工控机采用RedHatLinux810 + RTLinux311操作系统, 数控系统的人机界面、数控代码处理、轨迹规划、参数管理以及PLC控制都通过工控机由软件来实现, 不需要独立的PLC控制器, 减少了数控系统对硬件的依赖, 有利于提高系统的开放性。
I/O输入输出信息通过PC机I/O接口卡实现主机与伺服接口模块和I/O接口模块之间的信息交换,PC机I/O接口卡基于ISA或者PCI总线。
RT - Linux的体系结构
RT - Linux是基于Linux系统并可运行于多种硬件平台的32位硬实时操作系统( hard real - time operating system) 。
它继承了MERT系统的设计思想, 即以通用操作系统为基础, 在同一操作系统中既提供严格意义上的实时服务, 又提供所有的标准POSIX服务。RT - Linux源代码公开, 易于修改, 使系统成本降低, 源代码的公开使数控系统的开发摆脱了对国外软件公司的依赖, 有利于提高数控软件国产化程度。RT - Linux是基于Linux并可运行于多种硬件平台的多任务实时操作系统。通过修改Linux内核的硬件层, 采用中断仿真技术, 在内核和硬件之间实现了一个小而高效的实时内核, 并在实时内核的基础上形成了小型的实时系统, 而Linux内核仅作为实时系统最低优先级的任务运行。对于普通X86的硬件结构,RT - Linux拥有出色的实时性和稳定性, 其最大中断延迟时间不超过15μs, 最大任务切换误差不超过35μs。这些实时参数与系统负载无关, 而取决于计算机的硬件, 如在PII350, 64M内存的普通PC机上,系统最大延迟时间不超过1μs。RT - Linux按实时性不同分为实时域和非实时域,
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