运动控制系统软件原理及其标准功能块应用

本书是全面介绍诸如常见的机器人、数控机床、CNC、自动化装配流水线等运动控制系统的软件原理和标准运动控制规范及其应用的专著。它的内容除了涵盖运动控制的基础知识、PLCopen标准运动控制规范中合并的第壹部分、第四部分之外，还包括了标准运动控制规范的其他部分，例如，为精 确定位的回原点运动控制、液压驱动运动控制、安全运动控制和应用示例等，介绍了PLC在智能制造中的定位及工业4.0的美、德、中、日等国有关参考模型等内容。
标准运动控制规范将运动控制分为主轴/从轴的运动控制、多轴的协调及同步运动控制等两大类，本书不仅介绍这两大类运动控制的标准运动控制功能块，还对它们的状态图和应用作了详细讨论。此外，针对运动控制系统的时间确定性问题，介绍了运动控制系统中的数据通信等内容。本书还针对德国ISG、法国施耐德、日本欧姆龙等产品，及专门对德国西门子产品做了运动控制系统实现的详细介绍。
本书可作为机械制造及自动化、工业自动化等专业高年级和研究生的教材。也可作为运动控制有关企业工程设计人员、科研开发单位工程技术人员的培训教材和重要参考资料。

本书针对智能制造对运动控制软件功能的基本要求，全面论述其基础技术和知识，重点讲述PLCopen国际组织制定的运动控制软件功能规范的概念、原理和功能块。
全书共8章。第1章是运动控制系统的组成和PLC在智能制造中的定位。第2章是运动控制的理论基础。第3章论述PLCopen运动控制规范。第4章介绍运动控制规范规定的运动控制功能块。第5章描述运动控制的数据通信。第6章讨论运动控制应用问题。第7章是PLCopen运动控制规范的系统实现。第8章介绍西门子的Simotion系统。
本书可作为机械自动化、机电一体化等相关专业本科的教材，也是关注运动控制的工程技术人员的重要参考资料。

现任中国自动化学会理事，中国自动化学会仪表和装置专业委员会常务委员，中国自动化学会专家咨询委员会委员，上海市自动化学会常务理事，中国仪器仪表学会专家委员会委员，PLCopen国际组织中国委员会名誉主席。1962年10月至1999年在上海工业自动化仪表研究所工作。长期从事工业过程控制系统的研究开发工作

前言
第1章概述
1.1运动控制系统的组成
1.1.1运动控制和过程控制
1.1.2运动控制系统的分类
1.1.3运动控制系统的组成
1.1.4运动控制技术的发展
1.1.5运动控制技术的应用领域
1.2PLC在智能制造中的定位
1.2.1《国家智能制造标准体系建设指南（2015年版）》的智能制造标准体系参考模型
1.2.2德国工业4.0参考模型RAMI 4.0
1.2.3美国国家标准化技术研究院的智能制造生态系统模型
1.2.4日本工业价值链参考模型IVI
1.2.5PLC在智能制造系统中的定位
1.2.6标准化在智能制造中的重要作用
1.2.7智能制造对运动控制的要求和运动控制的发展趋势
1.3运动控制技术基础
1.3.1机械系统
1.3.2电气控制系统
1.3.3控制基础
1.3.4计算机编程基础
第2章运动控制的理论基础
2.1运动控制问题
2.1.1第一类运动控制问题
2.1.2第二类运动控制问题
2.2运动控制系统的基本原理
2.2.1坐标系和坐标变换
2.2.2插补技术
2.2.3S轮廓曲线和配置文件
2.2.4位置运动学和动力学方程
2.2.5电机控制技术
2.2.6传动和控制技术
2.2.7检测技术
第3章PLCopen运动控制规范
3.1PLCopen规范概述
3.1.1PLCopen运动控制规范的特点
3.1.2PLCopen运动控制功能块的概念和模型
3.1.3管理类运动控制功能块和运动类运动控制功能块
3.1.4边沿触发功能块和电平控制功能块
3.2状态图
3.2.1单轴运动控制的状态图
3.2.2轴组运动控制的状态图
3.2.3单轴和轴组状态图的关系
3.2.4运动控制功能块的状态图及其实现示例
3.3功能块接口
3.3.1标准规范定义的数据类型
3.3.2功能块接口的一般规则
3.3.3出错处理
3.4中止模式和混成模式
3.4.1单轴的缓冲模式
3.4.2轴组的缓冲模式
3.4.3轴组的过渡模式和协调运动
3.4.4电子凸轮和电子齿轮
第4章运动控制功能块
4.1单轴运动控制的管理类功能块
4.1.1MC_Power
4.1.2MC_ReadStatus和MC_ReadMotionState
4.1.3MC_ReadAxisError和 MC_ReadAxisInfo
4.1.4MC_ReadParameter和MC_ReadBoolParameter
4.1.5MC_WriteParameter和MC_WriteBoolParameter
4.1.6MC_ReadDigitalInput
4.1.7MC_ReadDigitalOutput和MC_WriteDigitalOutput
4.1.8MC_ReadActualPosition、MC_ReadActualVelocity和MC_ReadActualTorque
4.1.9MC_SetPosition和MC_SetOverride
4.1.10MC_TouchProbe和MC_AbortTrigger
4.1.11MC_DigitalCamSwitch
4.1.12MC_Reset
4.1.13MC_HaltSuperimposed
4.1.14MC_LimitLoad和MC_LimitMotion
4.2单轴运动控制的运动类功能块
4.2.1MC_Home
4.2.2MC_Stop和MC_Halt
4.2.3MC_MoveAbsolute、MC_MoveRelative、MC_MoveAdditive和MC_MoveSupperimposed
4.2.4MC_MoveContiAbsolute和MC_MoveContiRelative
4.2.5MC_MoveVelocity
4.2.6MC_TorqueControl和MC_LoadControl
4.2.7MC_PositionProfile、MC_VelocityProfile、MC_AccelerationProfile和MC_LoadProfile
4.2.8MC_LoadSuperImposed
4.3多轴运动控制功能块
4.3.1多轴运动控制的管理类功能块MC_CamTableSelect
4.3.2多轴运动控制的运动类功能块
4.4协调运动控制功能块
4.4.1协调管理类运动控制功能块
4.4.2协调运动类运动控制功能块
4.5同步运动控制功能块
4.5.1MC_SyncAxisToGroup
4.5.2MC_SyncGroupToAxis
4.5.3MC_TrackConveyorBelt
4.5.4MC_TrackRotaryTable
4.6原点定位运动控制功能块
4.6.1MC_StepAbsoluteSwitch
4.6.2MC_StepLimitSwitch
4.6.3MC_StepBlock
4.6.4MC_StepReferencePulse
4.6.5MC_StepDistanceCoded
4.6.6MC_HomeDirect
4.6.7MC_HomeAbsolute
4.6.8MC_FinishHoming
4.6.9MC_StepRefFlySwitch
4.6.10MC_StepRefFlyRefPulse
4.6.11MC_AbortPsHoming
4.6.12实际应用的原点定位模式
4.7安全运动
4.7.1安全运动监视功能概述
4.7.2安全运动监控功能的示例
第5章运动控制的数据通信
5.1运动控制实时数据通信的基本概念
5.1.1确定性联网的基本概念
5.1.2运动控制对实时通信的要求
5.1.3现场总线和工业以太网实时性问题
5.1.4与运动控制相关的工业以太网性能比较
5.2PLC的通信
5.2.1网络拓扑结构
5.2.2典型可编程逻辑控制器网络系统
5.2.3OPC UA实现数据通信
第6章运动控制应用
6.1贴标机的应用
6.1.1平面贴标机
6.1.2卧式贴标机
6.2仓储系统的应用
6.2.1控制要求
6.2.2简单方法的实现
6.2.3协调运动方法的实现
6.3点位运动控制
6.3.1控制要求
6.3.2点位控制功能块的编程
6.4飞剪过程的控制
6.4.1控制要求
6.4.2控制程序
6.5包装机械的控制
6.5.1PackML
6.5.2收卷过程的功能块
第7章PLCopen运动控制规范的系统实现
7.1ISG的运动控制平台ISG Kernel
7.1.1运动控制平台ISG-MCP
7.1.2PLCopen运动控制功能块库McpPLCopenBase
7.1.3运动控制系统的实现示例
7.2施耐德SoMachine系统
7.2.1系统简介
7.2.2应用示例
7.3欧姆龙Sysmac Studio系统
7.3.1系统简介
7.3.2应用示例
第8章西门子运动控制系统
8.1系统简介
8.1.1概述
8.1.2硬件简介
8.1.3软件简介
8.2工艺包和工艺对象
8.2.1工艺包和工艺对象
8.2.2运动控制功能块
8.3位置控制和伺服驱动
8.3.1位置控制
8.3.2伺服控制
参考文献

前言
《中国制造2025》由国务院于2015年12月公布，提出了中国制造强国建设三个十年的“三步走”战略，是我国推动制造业转型升级的第一个十年的行动纲领。其基本方针是创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本。其基本原则是市场主导、政府引导、立足当前、着眼长远、整体推进、重点突破、自主发展、开放合作。战略目标是立足国情、立足现实，力争通过“三步走”实现制造强国的战略目标。其重点之一是，加快推动新一代信息技术与制造技术融合发展，把智能制造作为两化深度融合的主攻方向；着力发展智能装备和智能产品，推进生产过程智能化，培育新型生产方式，全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平，推进信息化与工业化深度融合。
众所周知，机械装备的制造加工功能一般是通过其相关部件的运动来实现的。尽管制造加工的原理常常有很大差异（如冷加工的金属切削，热加工的焊接、锻造，增材制造3D打印等），但是都离不开机械部件的运动。从这个意义上说，运动是机械装备的本质特征。不过，不同的工艺对运动控制的关注点有很大差异，例如机器人和数控机床关注的是路径规划、运动参数的混成缓冲等，而印刷机械、包装机械等关注的是主轴和从轴之间的同步和工艺节拍。尽管机器人和数控机床的基础都是多轴运动的协调控制，但从实际应用和控制技术的视角来分析，它们还是存在质的区别。机器人的控制主要是定位，而且是面向时间的定位；数控机床的控制是面向型面和型体轮廓的，其运动控制优先关注的是加工刀具的运动路径。由此可见，运动控制系统是确保数控机床、机器人及各种先进装备高效运行的关键环节。运动控制技术是装备制造领域的核心技术。机器人和数控机床的运动控制要求更高，这是因为其运动轨迹和运动形态远较若干专用的机械装置（如包装机械、印刷机械、纺织机械、装配线以及半导体生产设备等）复杂，而且其机械运动学和动力学的问题也显著复杂。
运动控制泛指通过某种驱动部件（诸如液压泵、直线驱动器或电动机，通常是伺服电动机）针对机械设备（或其部件）或者加工刀具，在运动过程中按照加工功能要求对其运动的基本要素如位置、速度、加速度（减速度）、加速度变化率以及转矩进行控制。
显然，运动控制技术已经在国民经济的各行各业和诸多领域发挥着重要作用，并产生了巨大的经济效益。它是控制理论在机械工程和电力工程的完美应用，它将微电子技术、电子电力技术、计算机和信息技术、传感检测技术、电机学等技术灵活结合，是一门综合性的学科。
发展先进运动控制技术具有极其重要的现实意义。我国《中国制造2025》发布实施以来，五大工程实施效果初显；重大标志性项目取得阶段性成效；开展试点示范、落地生根效应凸显；制定分地区指南、各地差异化发展格局加快形成；制造业与互联网融合效应明显；实施专项行动、质量品牌建设取得初步成效。相信运动控制技术在不久的将来会成为中国制造的重要手段和支柱。
PLC作为设备和装置的控制器，除了传统的逻辑控制、顺序控制、运动控制及安全控制功能之外，还承担着工业40和智能制造赋予的下列任务：
① 越来越多的传感器被用来监控环境、设备的健康状态和生产过程的各类参数，这些工业大数据的有效采集，迫使PLC的I/O必须由集中安装在机架的方式转型为分布式I/O方式。
② 各类智能部件普遍采用嵌入式PLC，或者微小型PLC，尽可能地在现场就完成越来越复杂的包括运动控制在内的控制任务。
③ 应用软件编程的平台化，进一步发展工程设计的自动化和智能化。
④ 大幅提升无缝连通能力，发挥边缘计算的强大作用，使相关的控制参数和设备的状态在需要时可直接传输至上位的各个系统和应用软件，甚至送往云端。
⑤ 在实现实体资产（包括硬件和软件）数字化的过程中提供足够的支持，便于将资产转化为数据、信息和知识。
事实上，PLC的软件技术以PLCopen国际组织为先导，一直在为满足工业40和智能制造日益清晰的要求做足了准备。
IEC 61131-3标准的制定旨在推动PLC在软件方面的进步，具体体现在如下几个方面：
① 编程的标准化促进了工控编程从语言到工具性平台的开放；同时为工控程序在不同硬件平台间的移植创造了前提条件。
② 为控制系统创立统一的工程应用软环境打下了坚实基础。从应用工程程序设计的管理，到提供逻辑和顺序控制、过程控制、批量控制、运动控制、传动以及人机界面等统一的设计平台，以至于将调试、投运和投产后的维护等纳入统一的工程平台。
③ 发展依托第三方仿真工具开发机电设备的控制行为，并进一步成为应用程序的自动生成工具。
④ 为适应工业40和智能制造的软件需求，IEC 61131-3的第3版将面向对象的编程（OOP）纳入标准。
为此，PLCopen国际组织注重与许多国际标准化组织和基金会（譬如ISA、OPC基金会等）的合作，开发了有关标准和规范，为智能制造和工业40的应用和发展打下了坚实基础。
PLCopen国际组织考虑到用户存在运动控制软件标准化的需求，从1996年起就建立了运动控制规范工作组，历时十多年完成了这一具有挑战性的工作。PLCopen开发运动控制规范的目的在于：在以IEC 61131-3为基础的编程环境下，在开发、安装和维护运动控制软件等各个阶段，协调不同的编程开发平台，使其能满足运动控制功能块的标准化要求。
IEC 61131-3为机械部件的运动控制提供一种良好的架构，PLCopen选择以此为基础，为运动控制提供功能块库，最显著的特点如下：
① 极大增强了运动控制应用软件的可复用性，从而减少了开发、培训和技术支持的成本。
② 只要采用不同的控制解决方案，就可按照实际要求实现运动控制应用的可扩可缩。
③ 功能块库的方式保证了数据的封装和隐藏，进而使之能适应不同的控制系统架构，譬如，集中的运动控制架构、分布式的运动控制架构，或者既有集中又有分散的集成运动控制架构。
④ 它不但服务于当前的运动控制技术，还能适应今后的或正在开发的运动控制技术。
可以说，IEC 61131-3与 PLCopen的运动控制规范的紧密结合提供了理想的机电一体化的解决方案。并由此奠定了PLC技术、机器人技术和数控机床技术的融合发展的基础，形成了当前智能制造装置最前沿的一个值得关注的动向。
为适应我国智能制造的发展，根据IEC 61131-3第三版和PLCopen的运动控制规范，以及PLCopen国际组织2017年公布的有关技术文件的有关内容，我们编写了本书。
本书共8章。第1章介绍运动控制系统的组成、PLC在智能制造中的定位，并介绍运动控制技术基础。第2章是运动控制的理论基础，包括运动控制问题、运动控制系统的基本原理等。第3章介绍PLCopen运动控制规范，包括规范的概述、状态图、功能块接口、中止模式和混成模式等内容，是运动控制规范的基础。第4章介绍运动控制规范规定的运动控制功能块，包括单轴运动控制的管理类和运动类功能块、多轴运动控制功能块、协调类运动控制功能块和同步类运动控制功能块，也介绍了回原点运动控制功能块，并讨论了安全运动的相关概念。第5章介绍了运动控制的数据通信，不仅介绍运动控制实时数据通信的基本概念，也讨论了PLC的通信，包括OPC UA实现数据通信等。第6章讨论运动控制应用问题，包括贴标机的应用、仓储系统的应用以及点位运动控制，还讨论了飞剪过程的控制和包装机械的控制等。第7章是PLCopen运动控制规范的系统实现，介绍德国ISG研究所的运动控制平台ISG Kernel、施耐德SoMachine系统和欧姆龙Sysmac Studio系统。第8章介绍西门子的Simotion系统。
本书由彭瑜、何衍庆编著。本书的编写得到PLCopen中国组织PC5的积极支持和帮助，得到上海工业自动化仪表研究院、华东理工大学等单位的关心和支持，PLCopen、西门子、施耐德及OMRON等组织和公司的有关技术人员为本书的编写提供了大量的资料和技术支持，为本书提供技术支持和帮助的还有杨静梅、张贵年、陈朕、张胜利和沈美娟等，机械工业出版社的时静编辑和李馨馨编辑也对本书的出版提供了很多帮助，谨在此一并表示诚挚的谢意。本书编写过程中，参考了相关专业书籍和产品说明书，在此向有关作者和单位表示衷心感谢。
由于编者水平所限，错漏在所难免，敬请读者不吝指正。