基于PLC系統(tǒng)的現(xiàn)場總線運動控制模塊的設(shè)計和實現(xiàn)

　　計算機數(shù)字通信技術(shù)及信息技術(shù)的發(fā)展，推動了自動化技術(shù)的進步；特別是近十年來興起的現(xiàn)場總線技術(shù)（Filedbus），是計算機數(shù)字通信技術(shù)向工業(yè)自動化領(lǐng)域的延伸，它的發(fā)展將促使自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變革，是傳統(tǒng)的基于PLC及DCS控制技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的必然歸宿。

　　現(xiàn)場總線技術(shù)的一個顯著特點是其開放性，允許并鼓勵不同廠家按照現(xiàn)場總線技術(shù)標準，自主開發(fā)具有特點及專有技術(shù)的產(chǎn)品。依照現(xiàn)場總線技術(shù)規(guī)范，不同廠家產(chǎn)品可以方便完成組態(tài)與集成，構(gòu)成面向行業(yè)、適合行業(yè)特點的自主控制系統(tǒng)。這一特點為更多的自動化產(chǎn)品制造商自主開發(fā)并推出自主知識產(chǎn)權(quán)的自動化系統(tǒng)提供了可能。也為自動化系統(tǒng)集成商開發(fā)面向行業(yè)應(yīng)用的成套技術(shù)和自動化系統(tǒng)提供了機會。

　　現(xiàn)場總線技術(shù)以其先進性、實用性、可靠性、開放性的優(yōu)點，必然成為未來自動化技術(shù)發(fā)展的主流?；诂F(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)（Filedbus Control System-FCS）與人們預(yù)想的一樣，對傳統(tǒng)的PLC、DCS系統(tǒng)形成了巨大的沖擊。FCS已不再是一種預(yù)測、一種設(shè)想，而是實實在在的作為先進控制系統(tǒng)產(chǎn)品出現(xiàn)在市場上。本文將描述傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)向基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的演變過程，以現(xiàn)場總線PROFIBUS為背景，描述一個基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，并分析系統(tǒng)的市場前景。

　　1 運動控制模塊的研制

　　本設(shè)計中，運動控制模塊負責電機的驅(qū)動、多軸聯(lián)動、G代碼解釋等工作，是數(shù)控系統(tǒng)的"大腦".因此運動控制器的性能直接關(guān)系到整個機床的性能。

　　1.1 總體結(jié)構(gòu)

　　為實現(xiàn)高性能數(shù)控計算，系統(tǒng)采用雙MCU結(jié)構(gòu)，主控MCU負責G代碼讀寫與解釋、人機界面、網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)；NC運動控制MCU（即運動控制芯片）作為一個專用數(shù)字芯片，負責三軸電機的速度控制、定位、多軸直線和圓弧插補等任務(wù)，以保證運動控制模塊在完成復(fù)雜的工作時仍能提供良好的性能。運動控制模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　模塊采用SD卡作為G代碼文件的存儲器。SD卡具有大容量、小體積、支持熱插拔等特點，尤其是其兼容SPI總線讀寫，省去了主控制器作為USB盤讀寫的硬件，降低了成本。

　　運動控制模塊具有現(xiàn)場總線通信功能，支持RS-485和CAN總線2種現(xiàn)場總線物理層規(guī)范。以可靠性為設(shè)計原則，總線接口與主控制器進行了電氣隔離，并加入保護元件提高其抗瞬態(tài)干擾能力。圖2、圖3分別是模塊RS-485和CAN總線的隔離接口原理圖。其中使用了TI公司的高速數(shù)字隔離器ISO7221進行數(shù)字信號的電氣隔離，同時在接口端設(shè)置了瞬態(tài)抑制二極管（TVS管）進行保護，確保了硬件在各種環(huán)境下的可靠性。

　　1.2 Cortex-M3與STM32簡介

　　Cortex-M3是一個32位的核，在傳統(tǒng)的單片機領(lǐng)域中，有一些不同于通用32位CPU應(yīng)用的要求。譚軍舉例說，在工控領(lǐng)域，用戶要求具有更快的中斷速度，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中斷技術(shù)，完全基于硬件進行中斷處理，最多可減少12個時鐘周期數(shù)，在實際應(yīng)用中可減少70%中斷。

　　基于Cortex-M3核的STM32F103系列MCU,運行于最高72 MHz的總線頻率，可以獲得1.25 DMIPS/MHz的運算性能、單周期乘法指令、硬件除法器，帶有容量至少為32 KB的Flash及6 KB的SRAM、2個12位A/D、7通道DMA、6路16位定時器及PWM、SPI、I2C、USART、USB、CAN等高性能模塊，并具有最高18 MHz輸出頻率的高速GPIO.在電機和運動控制的應(yīng)用中，可以充分發(fā)揮其先進內(nèi)核的性能和豐富的模塊資源特性。

　　1.3 工作流程

　　運動控制器工作流程總體示意圖如圖4所示。

　　1.3.1 G代碼解碼

　　運動控制模塊接收到工作指令后，開始進行G代碼的解釋執(zhí)行任務(wù)。G代碼存放在SD卡中，主控制器集成FAT文件系統(tǒng)，支持SD卡的文件讀寫。G代碼讀入后，逐行進行第一遍掃描（即指令預(yù)處理），期間將注釋、空格、非法字符去除，小寫字符轉(zhuǎn)換成大寫，以方便解碼程序進行識別。

　　經(jīng)過預(yù)處理的G代碼指令逐行送入G代碼解碼程序，解釋程序再逐字檢查其是否為G代碼的指令字符，若是，則提取關(guān)鍵字的后續(xù)數(shù)值，作為該指令的操作數(shù)，將其提取出來。其中用到了ANSI C的標準庫函數(shù)sscanf（ ）（位于stdio.h中），可以方便地提取字符串中指定的信息，支持類正則表達式的格式字符串，非常靈活。同時因為使用了ANSI C的標準庫函數(shù)，程序移植簡單。

　　以下是G代碼解碼程序的部分代碼：

　　/*遍歷整個s字符串，找到字符后，提取后續(xù)數(shù)字，并存入中間代碼中*/

　　其中，CurrentGMidCode是預(yù)定義的結(jié)構(gòu)體變量，用于保存每行G代碼提取出來的指令及其操作數(shù)，結(jié)構(gòu)如下：

　　提取到每行G代碼的關(guān)鍵信息后進行相關(guān)處理，計算出每行代碼的運動起止坐標，將其通過SPI總線發(fā)送至NC控制芯片，控制電機運動。

　　1.3.2 插補進給

　　電機的插補運算、加減速和進給控制，由一個獨立STM32微控制器完成，并稱為NC運動控制芯片。

　　目前市場上的運動控制芯片主要是日本和歐美公司的專用ASIC和各數(shù)控廠家自行開發(fā)的FPGA芯片，雖然性能優(yōu)越，但價格不低。相對于使用ASIC芯片或FPGA芯片，完成同樣的任務(wù)使用MCU方案，硬件生產(chǎn)成本和開發(fā)成本均具有明顯優(yōu)勢，當STM32微控制器運行在其最高頻率為72 MHz下時，性能完全可以滿足中低端數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用的要求。

　　在三軸數(shù)控銑系統(tǒng)中，NC運動控制芯片需要實現(xiàn)三軸快速定位、二軸直線插補、二軸圓弧插補、三軸直線插補的功能。

　　插補是在組成軌跡的直線段或曲線段的起點和終點之間，按一定的算法進行數(shù)據(jù)點的密化工作，以確定一些中間點，從而為軌跡控制的每一步提供逼近目標。在本控制器中，選用逐點比較法作為基本的插補算法，具有算法簡單高效、進給速度均勻的特點，同時支持三軸的直線插補[1],滿足本控制器對插補算法的要求。

　　逐點比較直線插補，就是執(zhí)行機構(gòu)每走一步都要和給定運動軌跡上相應(yīng)的坐標值相比較，比較的結(jié)果稱為偏差函數(shù)F,根據(jù)偏差的正、負決定下一步的進給方向。實質(zhì)上這是一種用階梯折線來逼近直線的一種算法，它與規(guī)定運動軌跡之間的最大誤差為1個脈沖當量（每走1步移動的距離）。因此，只要把脈沖當量設(shè)計得足夠小，就可以達到運動精度的要求[2].

　　1.4 Modbus-RTU協(xié)議的實現(xiàn)

　　Modbus 協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。Modbus協(xié)議工業(yè)控制已從單機控制走向集中監(jiān)控、集散控制，如今已進入網(wǎng)絡(luò)時代，工業(yè)控制器聯(lián)網(wǎng)也為網(wǎng)絡(luò)管理提供了方便。Modbus就是工業(yè)控制器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的一種。

　　Modbus-RTU協(xié)議以幀為通信的基本單位，幀格式為：地址碼1 B;功能碼1 B;數(shù)據(jù)區(qū)N B;錯誤校驗2 B CRC碼。

　　本運動控制器在其RS-485接口上實現(xiàn)了Modbus-RTU協(xié)議，使用了當今流行的免費開源協(xié)議棧FreeModbus-RTU,從而保證了可靠的通信、節(jié)約了開發(fā)成本。

　　FreeModbus是針對通用的Modbus協(xié)議棧在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用的實現(xiàn)，其遵循BSD開放源代碼協(xié)議，并可以免費用于商業(yè)用途，成熟可靠。移植FreeModbus到STM32處理器只需要少量資源，除了1個雙工USART外，只需要配置1個定時器進行超時判斷即可。

　　2 基于C200HE型PLC的運動控制網(wǎng)絡(luò)實驗平臺設(shè)計

　　2.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　歐姆龍（OMRON）公司的C200HE-CPU42型PLC帶有RS-232口和通信板。通信板支持各種通信協(xié)議，如上位鏈接、RS-232通信、1:1鏈接、NT鏈接（1:1、1:N）以及協(xié)議宏功能等，并能根據(jù)需要進行切換。通過協(xié)議宏功能，用PMCR指令，通過指定按標準設(shè)置的順序，就能設(shè)置成Modbus協(xié)議。

　　運動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系分為3個層次：管理層、控制層和器件層，如圖5所示。

　?。?） 管理層：是最高層，負責系統(tǒng)的管理與決策。其中PLC是整個控制網(wǎng)絡(luò)的核心，它作為Modbus網(wǎng)絡(luò)的主設(shè)備，通過Modbus網(wǎng)絡(luò)與各運動控制器之間傳輸生產(chǎn)管理信息、質(zhì)量管理信息及CNC的運行情況等數(shù)據(jù)。上位計算機運行組態(tài)軟件，通過RS-232串行通信口與PLC通信，實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行。

　?。?） 控制層：是整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的中間層，各運動控制模塊掛接在Modbus網(wǎng)絡(luò)上成為其從節(jié)點，負責下面CNC運行過程的監(jiān)控、協(xié)調(diào)和優(yōu)化。

　　（3） 器件層：雕刻機是整個網(wǎng)絡(luò)的最低層，是現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中直接面對現(xiàn)場的器件和設(shè)備，為網(wǎng)絡(luò)的終端執(zhí)行機構(gòu)。

　　2.2 用協(xié)議宏功能實現(xiàn)Modbus協(xié)議

　　在協(xié)議宏軟件CX-Protocol上創(chuàng)建工程，選擇正確的設(shè)備名稱、型號及網(wǎng)絡(luò)類型。然后創(chuàng)建通信序列和接收序列，并下載到PLC通信板中。在PLC中編寫程序，用PMCR指令調(diào)用指定的通信序列，實現(xiàn)與運動控制模塊的通信。通信協(xié)議宏主要由發(fā)送/接收數(shù)據(jù)程序構(gòu)成，每個通信協(xié)議最多包含0~999個發(fā)送/接收數(shù)據(jù)程序，每個發(fā)送/接收程序最多由16步構(gòu)成。協(xié)議宏結(jié)構(gòu)如圖6所示[3].

　　2.2.1創(chuàng)建通信序列

　　將通信序列號設(shè)為"000",在通信序列中要設(shè)置PLC與通信板鏈接字、傳輸控制參數(shù)、響應(yīng)接收方式、數(shù)據(jù)接收監(jiān)控時間、數(shù)據(jù)接收完成監(jiān)控時間、數(shù)據(jù)發(fā)送完成監(jiān)控時間等內(nèi)容。

　　（1） 創(chuàng)建通信步（Step）

　　在通信序列"000"中創(chuàng)建Step00和Step01 2個通信步。Step00用于控制運動控制模塊的運行，Step01用于查詢運行狀態(tài)。在每一個通信步中包括步號（Step）、重復(fù)計數(shù)器（Repeat）、命令（Command）、重試次數(shù)（Retry）、發(fā)送信息（Send Message）、接收信息（Recv Message）、是否響應(yīng)（Response）、出錯處理方式（Error）等內(nèi)容。

　?。?）創(chuàng)建發(fā)送和接收信息

　　發(fā)送信息與接收信息必須嚴格按照Modbus協(xié)議格式編寫，需要設(shè)置校驗碼（Check Code）、數(shù)據(jù)長度（Length）、地址（Address）和數(shù)據(jù)（Data）等信息。

　　（3）創(chuàng)建接收陣列

　　PLC向運動控制模塊發(fā)送指令時，模塊可能返回運行正常或錯誤響應(yīng)信息，在接收數(shù)據(jù)時，使用陣列的形式加以區(qū)分。系統(tǒng)創(chuàng)建了2種可能接收的信息"Run Normal"和"Error",并針對每一種情況設(shè)定不同的處理方法（Next Process），用于可能出現(xiàn)的各種響應(yīng)信息的處理。

　　2.2.2 通信實現(xiàn)

　　（1） 通信設(shè)置

　　PLC的通信參數(shù)設(shè)定必須與運動控制模塊的參數(shù)一致。對通信板上的開關(guān)做調(diào)整時，設(shè)SW1置于ON側(cè)，使用RS-485方式；SW2設(shè)定為ON,接入120 Ω的終端電阻；設(shè)定通信板端口A為通信協(xié)議宏方式。

　?。?） 編寫通信程序

　　通信協(xié)議宏的調(diào)用程序段如圖7所示，圖中：289.08為通信板端口A操作標志，當289.08為OFF時，表示可以使用端口A進行通信。通信過程中289.08置為ON,通信結(jié)束后，289.08置為OFF狀態(tài)；當2.00由OFF變?yōu)镺N、且289.08為OFF時，調(diào)用通信板上的通信序列，通過端口A發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。通信序列號、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的存放區(qū)由PMCR指令的3個操作數(shù)指定，其梯形圖見圖7.

　　使用2片32位高性能單片機組成雙核系統(tǒng)實現(xiàn)運動控制模塊的功能，兼顧了性能和價格。同時因為使用了ANSI C的標準庫函數(shù)，程序移植性好，數(shù)控解釋程序中的關(guān)鍵技術(shù)G代碼解釋器的開發(fā)難度大大降低。在運動控制模塊中移植Modbus協(xié)議，從而使其能簡單地與PLC系統(tǒng)組成運動控制網(wǎng)絡(luò)。采用歐姆龍通信協(xié)議宏實現(xiàn)控制多臺運動控制模塊，簡化了現(xiàn)場布線，達到了設(shè)計要求，取得了很好的效果。