前言
《中國制造2025》由國務(wù)院于2015年12月公布，提出了中國制造強(qiáng)國建設(shè)三個(gè)十年的三步走戰(zhàn)略，是我國推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的第一個(gè)十年的行動(dòng)綱領(lǐng)。其基本方針是創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本。其基本原則是市場主導(dǎo)、政府引導(dǎo)、立足當(dāng)前、著眼長遠(yuǎn)、整體推進(jìn)、重點(diǎn)突破、自主發(fā)展、開放合作。戰(zhàn)略目標(biāo)是立足國情、立足現(xiàn)實(shí)，力爭通過三步走實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)。其重點(diǎn)之一是，加快推動(dòng)新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)融合發(fā)展，把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向；著力發(fā)展智能裝備和智能產(chǎn)品，推進(jìn)生產(chǎn)過程智能化，培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平，推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合。
眾所周知，機(jī)械裝備的制造加工功能一般是通過其相關(guān)部件的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。盡管制造加工的原理常常有很大差異（如冷加工的金屬切削，熱加工的焊接、鍛造，增材制造3D打印等），但是都離不開機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)。從這個(gè)意義上說，運(yùn)動(dòng)是機(jī)械裝備的本質(zhì)特征。不過，不同的工藝對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)注點(diǎn)有很大差異，例如機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床關(guān)注的是路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)參數(shù)的混成緩沖等，而印刷機(jī)械、包裝機(jī)械等關(guān)注的是主軸和從軸之間的同步和工藝節(jié)拍。盡管機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)都是多軸運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制，但從實(shí)際應(yīng)用和控制技術(shù)的視角來分析，它們還是存在質(zhì)的區(qū)別。機(jī)器人的控制主要是定位，而且是面向時(shí)間的定位；數(shù)控機(jī)床的控制是面向型面和型體輪廓的，其運(yùn)動(dòng)控制優(yōu)先關(guān)注的是加工刀具的運(yùn)動(dòng)路徑。由此可見，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是確保數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人及各種先進(jìn)裝備高效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是裝備制造領(lǐng)域的核心技術(shù)。機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制要求更高，這是因?yàn)槠溥\(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)形態(tài)遠(yuǎn)較若干專用的機(jī)械裝置（如包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、紡織機(jī)械、裝配線以及半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備等）復(fù)雜，而且其機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的問題也顯著復(fù)雜。
運(yùn)動(dòng)控制泛指通過某種驅(qū)動(dòng)部件（諸如液壓泵、直線驅(qū)動(dòng)器或電動(dòng)機(jī)，通常是伺服電動(dòng)機(jī)）針對(duì)機(jī)械設(shè)備（或其部件）或者加工刀具，在運(yùn)動(dòng)過程中按照加工功能要求對(duì)其運(yùn)動(dòng)的基本要素如位置、速度、加速度（減速度）、加速度變化率以及轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。
顯然，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)在國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)和諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。它是控制理論在機(jī)械工程和電力工程的完美應(yīng)用，它將微電子技術(shù)、電子電力技術(shù)、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、電機(jī)學(xué)等技術(shù)靈活結(jié)合，是一門綜合性的學(xué)科。
發(fā)展先進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。我國《中國制造2025》發(fā)布實(shí)施以來，五大工程實(shí)施效果初顯；重大標(biāo)志性項(xiàng)目取得階段性成效；開展試點(diǎn)示范、落地生根效應(yīng)凸顯；制定分地區(qū)指南、各地差異化發(fā)展格局加快形成；制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合效應(yīng)明顯；實(shí)施專項(xiàng)行動(dòng)、質(zhì)量品牌建設(shè)取得初步成效。相信運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)在不久的將來會(huì)成為中國制造的重要手段和支柱。
PLC作為設(shè)備和裝置的控制器，除了傳統(tǒng)的邏輯控制、順序控制、運(yùn)動(dòng)控制及安全控制功能之外，還承擔(dān)著工業(yè)4��0和智能制造賦予的下列任務(wù)：
① 越來越多的傳感器被用來監(jiān)控環(huán)境、設(shè)備的健康狀態(tài)和生產(chǎn)過程的各類參數(shù)，這些工業(yè)大數(shù)據(jù)的有效采集，迫使PLC的I/O必須由集中安裝在機(jī)架的方式轉(zhuǎn)型為分布式I/O方式。
② 各類智能部件普遍采用嵌入式PLC，或者微小型PLC，盡可能地在現(xiàn)場就完成越來越復(fù)雜的包括運(yùn)動(dòng)控制在內(nèi)的控制任務(wù)。
③ 應(yīng)用軟件編程的平臺(tái)化，進(jìn)一步發(fā)展工程設(shè)計(jì)的自動(dòng)化和智能化。
④ 大幅提升無縫連通能力，發(fā)揮邊緣計(jì)算的強(qiáng)大作用，使相關(guān)的控制參數(shù)和設(shè)備的狀態(tài)在需要時(shí)可直接傳輸至上位的各個(gè)系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，甚至送往云端。
⑤ 在實(shí)現(xiàn)實(shí)體資產(chǎn)（包括硬件和軟件）數(shù)字化的過程中提供足夠的支持，便于將資產(chǎn)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)。
事實(shí)上，PLC的軟件技術(shù)以PLCopen國際組織為先導(dǎo)，一直在為滿足工業(yè)4��0和智能制造日益清晰的要求做足了準(zhǔn)備。
IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的制定旨在推動(dòng)PLC在軟件方面的進(jìn)步，具體體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
① 編程的標(biāo)準(zhǔn)化促進(jìn)了工控編程從語言到工具性平臺(tái)的開放；同時(shí)為工控程序在不同硬件平臺(tái)間的移植創(chuàng)造了前提條件。
② 為控制系統(tǒng)創(chuàng)立統(tǒng)一的工程應(yīng)用軟環(huán)境打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。從應(yīng)用工程程序設(shè)計(jì)的管理，到提供邏輯和順序控制、過程控制、批量控制、運(yùn)動(dòng)控制、傳動(dòng)以及人機(jī)界面等統(tǒng)一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，以至于將調(diào)試、投運(yùn)和投產(chǎn)后的維護(hù)等納入統(tǒng)一的工程平臺(tái)。
③ 發(fā)展依托第三方仿真工具開發(fā)機(jī)電設(shè)備的控制行為，并進(jìn)一步成為應(yīng)用程序的自動(dòng)生成工具。
④ 為適應(yīng)工業(yè)4��0和智能制造的軟件需求，IEC 61131-3的第3版將面向?qū)ο蟮木幊蹋∣OP）納入標(biāo)準(zhǔn)。
為此，PLCopen國際組織注重與許多國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和基金會(huì)（譬如ISA、OPC基金會(huì)等）的合作，開發(fā)了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，為智能制造和工業(yè)4��0的應(yīng)用和發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
PLCopen國際組織考慮到用戶存在運(yùn)動(dòng)控制軟件標(biāo)準(zhǔn)化的需求，從1996年起就建立了運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范工作組，歷時(shí)十多年完成了這一具有挑戰(zhàn)性的工作。PLCopen開發(fā)運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的目的在于：在以IEC 61131-3為基礎(chǔ)的編程環(huán)境下，在開發(fā)、安裝和維護(hù)運(yùn)動(dòng)控制軟件等各個(gè)階段，協(xié)調(diào)不同的編程開發(fā)平臺(tái)，使其能滿足運(yùn)動(dòng)控制功能塊的標(biāo)準(zhǔn)化要求。
IEC 61131-3為機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)控制提供一種良好的架構(gòu)，PLCopen選擇以此為基礎(chǔ)，為運(yùn)動(dòng)控制提供功能塊庫，最顯著的特點(diǎn)如下：
① 極大增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用軟件的可復(fù)用性，從而減少了開發(fā)、培訓(xùn)和技術(shù)支持的成本。
② 只要采用不同的控制解決方案，就可按照實(shí)際要求實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的可擴(kuò)可縮。
③ 功能塊庫的方式保證了數(shù)據(jù)的封裝和隱藏，進(jìn)而使之能適應(yīng)不同的控制系統(tǒng)架構(gòu)，譬如，集中的運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)、分布式的運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)，或者既有集中又有分散的集成運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)。
④ 它不但服務(wù)于當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，還能適應(yīng)今后的或正在開發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。
可以說，IEC 61131-3與 PLCopen的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的緊密結(jié)合提供了理想的機(jī)電一體化的解決方案。并由此奠定了PLC技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和數(shù)控機(jī)床技術(shù)的融合發(fā)展的基礎(chǔ)，形成了當(dāng)前智能制造裝置最前沿的一個(gè)值得關(guān)注的動(dòng)向。
為適應(yīng)我國智能制造的發(fā)展，根據(jù)IEC 61131-3第三版和PLCopen的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范，以及PLCopen國際組織2017年公布的有關(guān)技術(shù)文件的有關(guān)內(nèi)容，我們編寫了本書。
本書共8章。第1章介紹運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、PLC在智能制造中的定位，并介紹運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)基礎(chǔ)。第2章是運(yùn)動(dòng)控制的理論基礎(chǔ)，包括運(yùn)動(dòng)控制問題、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理等。第3章介紹PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范，包括規(guī)范的概述、狀態(tài)圖、功能塊接口、中止模式和混成模式等內(nèi)容，是運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的基礎(chǔ)。第4章介紹運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范規(guī)定的運(yùn)動(dòng)控制功能塊，包括單軸運(yùn)動(dòng)控制的管理類和運(yùn)動(dòng)類功能塊、多軸運(yùn)動(dòng)控制功能塊、協(xié)調(diào)類運(yùn)動(dòng)控制功能塊和同步類運(yùn)動(dòng)控制功能塊，也介紹了回原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制功能塊，并討論了安全運(yùn)動(dòng)的相關(guān)概念。第5章介紹了運(yùn)動(dòng)控制的數(shù)據(jù)通信，不僅介紹運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的基本概念，也討論了PLC的通信，包括OPC UA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信等。第6章討論運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用問題，包括貼標(biāo)機(jī)的應(yīng)用、倉儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用以及點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制，還討論了飛剪過程的控制和包裝機(jī)械的控制等。第7章是PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，介紹德國ISG研究所的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)ISG Kernel、施耐德SoMachine系統(tǒng)和歐姆龍Sysmac Studio系統(tǒng)。第8章介紹西門子的Simotion系統(tǒng)。
本書由彭瑜、何衍慶編著。本書的編寫得到PLCopen中國組織PC5的積極支持和幫助，得到上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院、華東理工大學(xué)等單位的關(guān)心和支持，PLCopen、西門子、施耐德及OMRON等組織和公司的有關(guān)技術(shù)人員為本書的編寫提供了大量的資料和技術(shù)支持，為本書提供技術(shù)支持和幫助的還有楊靜梅、張貴年、陳朕、張勝利和沈美娟等，機(jī)械工業(yè)出版社的時(shí)靜編輯和李馨馨編輯也對(duì)本書的出版提供了很多幫助，謹(jǐn)在此一并表示誠摯的謝意。本書編寫過程中，參考了相關(guān)專業(yè)書籍和產(chǎn)品說明書，在此向有關(guān)作者和單位表示衷心感謝。
由于編者水平所限，錯(cuò)漏在所難免，敬請(qǐng)讀者不吝指正。