前言
《中國制造2025》由國務院于2015年12月公布，提出了中國制造強國建設三個十年的三步走戰(zhàn)略，是我國推動制造業(yè)轉型升級的第一個十年的行動綱領。其基本方針是創(chuàng)新驅動、質量為先、綠色發(fā)展、結構優(yōu)化、人才為本。其基本原則是市場主導、政府引導、立足當前、著眼長遠、整體推進、重點突破、自主發(fā)展、開放合作。戰(zhàn)略目標是立足國情、立足現實，力爭通過三步走實現制造強國的戰(zhàn)略目標。其重點之一是，加快推動新一代信息技術與制造技術融合發(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品，推進生產過程智能化，培育新型生產方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產、管理和服務的智能化水平，推進信息化與工業(yè)化深度融合。
眾所周知，機械裝備的制造加工功能一般是通過其相關部件的運動來實現的。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），但是都離不開機械部件的運動。從這個意義上說，運動是機械裝備的本質特征。不過，不同的工藝對運動控制的關注點有很大差異，例如機器人和數控機床關注的是路徑規(guī)劃、運動參數的混成緩沖等，而印刷機械、包裝機械等關注的是主軸和從軸之間的同步和工藝節(jié)拍。盡管機器人和數控機床的基礎都是多軸運動的協(xié)調控制，但從實際應用和控制技術的視角來分析，它們還是存在質的區(qū)別。機器人的控制主要是定位，而且是面向時間的定位；數控機床的控制是面向型面和型體輪廓的，其運動控制優(yōu)先關注的是加工刀具的運動路徑。由此可見，運動控制系統(tǒng)是確保數控機床、機器人及各種先進裝備高效運行的關鍵環(huán)節(jié)。運動控制技術是裝備制造領域的核心技術。機器人和數控機床的運動控制要求更高，這是因為其運動軌跡和運動形態(tài)遠較若干專用的機械裝置（如包裝機械、印刷機械、紡織機械、裝配線以及半導體生產設備等）復雜，而且其機械運動學和動力學的問題也顯著復雜。
運動控制泛指通過某種驅動部件（諸如液壓泵、直線驅動器或電動機，通常是伺服電動機）針對機械設備（或其部件）或者加工刀具，在運動過程中按照加工功能要求對其運動的基本要素如位置、速度、加速度（減速度）、加速度變化率以及轉矩進行控制。
顯然，運動控制技術已經在國民經濟的各行各業(yè)和諸多領域發(fā)揮著重要作用，并產生了巨大的經濟效益。它是控制理論在機械工程和電力工程的完美應用，它將微電子技術、電子電力技術、計算機和信息技術、傳感檢測技術、電機學等技術靈活結合，是一門綜合性的學科。
發(fā)展先進運動控制技術具有極其重要的現實意義。我國《中國制造2025》發(fā)布實施以來，五大工程實施效果初顯；重大標志性項目取得階段性成效；開展試點示范、落地生根效應凸顯；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)網融合效應明顯；實施專項行動、質量品牌建設取得初步成效。相信運動控制技術在不久的將來會成為中國制造的重要手段和支柱。
PLC作為設備和裝置的控制器，除了傳統(tǒng)的邏輯控制、順序控制、運動控制及安全控制功能之外，還承擔著工業(yè)4��0和智能制造賦予的下列任務：
① 越來越多的傳感器被用來監(jiān)控環(huán)境、設備的健康狀態(tài)和生產過程的各類參數，這些工業(yè)大數據的有效采集，迫使PLC的I/O必須由集中安裝在機架的方式轉型為分布式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，盡可能地在現場就完成越來越復雜的包括運動控制在內的控制任務。
③ 應用軟件編程的平臺化，進一步發(fā)展工程設計的自動化和智能化。
④ 大幅提升無縫連通能力，發(fā)揮邊緣計算的強大作用，使相關的控制參數和設備的狀態(tài)在需要時可直接傳輸至上位的各個系統(tǒng)和應用軟件，甚至送往云端。
⑤ 在實現實體資產（包括硬件和軟件）數字化的過程中提供足夠的支持，便于將資產轉化為數據、信息和知識。
事實上，PLC的軟件技術以PLCopen國際組織為先導，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備。
IEC 61131-3標準的制定旨在推動PLC在軟件方面的進步，具體體現在如下幾個方面：
① 編程的標準化促進了工控編程從語言到工具性平臺的開放；同時為工控程序在不同硬件平臺間的移植創(chuàng)造了前提條件。
② 為控制系統(tǒng)創(chuàng)立統(tǒng)一的工程應用軟環(huán)境打下了堅實基礎。從應用工程程序設計的管理，到提供邏輯和順序控制、過程控制、批量控制、運動控制、傳動以及人機界面等統(tǒng)一的設計平臺，以至于將調試、投運和投產后的維護等納入統(tǒng)一的工程平臺。
③ 發(fā)展依托第三方仿真工具開發(fā)機電設備的控制行為，并進一步成為應用程序的自動生成工具。
④ 為適應工業(yè)4��0和智能制造的軟件需求，IEC 61131-3的第3版將面向對象的編程（OOP）納入標準。
為此，PLCopen國際組織注重與許多國際標準化組織和基金會（譬如ISA、OPC基金會等）的合作，開發(fā)了有關標準和規(guī)范，為智能制造和工業(yè)4��0的應用和發(fā)展打下了堅實基礎。
PLCopen國際組織考慮到用戶存在運動控制軟件標準化的需求，從1996年起就建立了運動控制規(guī)范工作組，歷時十多年完成了這一具有挑戰(zhàn)性的工作。PLCopen開發(fā)運動控制規(guī)范的目的在于：在以IEC 61131-3為基礎的編程環(huán)境下，在開發(fā)、安裝和維護運動控制軟件等各個階段，協(xié)調不同的編程開發(fā)平臺，使其能滿足運動控制功能塊的標準化要求。
IEC 61131-3為機械部件的運動控制提供一種良好的架構，PLCopen選擇以此為基礎，為運動控制提供功能塊庫，最顯著的特點如下：
① 極大增強了運動控制應用軟件的可復用性，從而減少了開發(fā)、培訓和技術支持的成本。
② 只要采用不同的控制解決方案，就可按照實際要求實現運動控制應用的可擴可縮。
③ 功能塊庫的方式保證了數據的封裝和隱藏，進而使之能適應不同的控制系統(tǒng)架構，譬如，集中的運動控制架構、分布式的運動控制架構，或者既有集中又有分散的集成運動控制架構。
④ 它不但服務于當前的運動控制技術，還能適應今后的或正在開發(fā)的運動控制技術。
可以說，IEC 61131-3與 PLCopen的運動控制規(guī)范的緊密結合提供了理想的機電一體化的解決方案。并由此奠定了PLC技術、機器人技術和數控機床技術的融合發(fā)展的基礎，形成了當前智能制造裝置最前沿的一個值得關注的動向。
為適應我國智能制造的發(fā)展，根據IEC 61131-3第三版和PLCopen的運動控制規(guī)范，以及PLCopen國際組織2017年公布的有關技術文件的有關內容，我們編寫了本書。
本書共8章。第1章介紹運動控制系統(tǒng)的組成、PLC在智能制造中的定位，并介紹運動控制技術基礎。第2章是運動控制的理論基礎，包括運動控制問題、運動控制系統(tǒng)的基本原理等。第3章介紹PLCopen運動控制規(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容，是運動控制規(guī)范的基礎。第4章介紹運動控制規(guī)范規(guī)定的運動控制功能塊，包括單軸運動控制的管理類和運動類功能塊、多軸運動控制功能塊、協(xié)調類運動控制功能塊和同步類運動控制功能塊，也介紹了回原點運動控制功能塊，并討論了安全運動的相關概念。第5章介紹了運動控制的數據通信，不僅介紹運動控制實時數據通信的基本概念，也討論了PLC的通信，包括OPC UA實現數據通信等。第6章討論運動控制應用問題，包括貼標機的應用、倉儲系統(tǒng)的應用以及點位運動控制，還討論了飛剪過程的控制和包裝機械的控制等。第7章是PLCopen運動控制規(guī)范的系統(tǒng)實現，介紹德國ISG研究所的運動控制平臺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)自動化儀表研究院、華東理工大學等單位的關心和支持，PLCopen、西門子、施耐德及OMRON等組織和公司的有關技術人員為本書的編寫提供了大量的資料和技術支持，為本書提供技術支持和幫助的還有楊靜梅、張貴年、陳朕、張勝利和沈美娟等，機械工業(yè)出版社的時靜編輯和李馨馨編輯也對本書的出版提供了很多幫助，謹在此一并表示誠摯的謝意。本書編寫過程中，參考了相關專業(yè)書籍和產品說明書，在此向有關作者和單位表示衷心感謝。
由于編者水平所限，錯漏在所難免，敬請讀者不吝指正。