何小虎，黨學(xué)明，劉美津，李 洋

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

MODBUS/TCP協(xié)議下多軸直線電機控制系統(tǒng)探究

何小虎，黨學(xué)明，劉美津，李 洋

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

文章針對控制系統(tǒng)高精度、高效率、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化的趨勢，設(shè)計了多軸直線電機網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，闡述了直線電機在精密定位平臺中的優(yōu)勢和使用方法，詳細(xì)論述了MODBUS/TCP協(xié)議構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。人機界面(HMI)通過以太網(wǎng)，實現(xiàn)了對運動平臺的運動控制和狀態(tài)信息的實時獲取，得出運動平臺具有很高的控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，重復(fù)定位精度低于1。

直線電機；MODBUS/TCP協(xié)議；運動控制

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有價格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用廣泛以及支持技術(shù)成熟等優(yōu)點，已成為最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一。新一代工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)幾乎都是建立在以太網(wǎng)基礎(chǔ)之上，從總線技術(shù)的發(fā)展方向來看，所有現(xiàn)場總線最終都將向工業(yè)以太網(wǎng)過渡，許多基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)最終都將連接到工業(yè)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)是工業(yè)控制系統(tǒng)的一個發(fā)展方向[3]。作為工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議的MODBUS/TCP協(xié)議，已經(jīng)成為中國工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。

本文以平板顯示屏自動光學(xué)檢測系統(tǒng)的檢測平臺為例，介紹了多軸直線伺服電機在精密驅(qū)動定位平臺上的使用方法和基于MODBUS/TCP協(xié)議的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

平板顯示屏自動光學(xué)檢測系統(tǒng)的運動平臺需要兩個直線電機作同步進(jìn)給運動，要求運動過程具有高定位精度、高速度、高可靠性。運動平臺的系統(tǒng)框圖如圖1所示。包括人機界面(HMI)、運動控制器(MP2300S)、直線伺服單元(伺服驅(qū)動器SGDV1R6A15A和直線電機)三個部分。

MP2300S是安川公司推出的一款集電源功能、CPU功能、I/O功能以及通信功能于一體的、采用多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計的小型機器控制器?？煽刂谱疃噙_(dá)16軸支持的MECHATROLONK-II的伺服。MP2300S內(nèi)置的218IFA模塊是10Base-T/100Base-T Ethernet接口，也是MP2300S標(biāo)準(zhǔn)配備的通信接口，可支持100Mbps的傳送速度，支持多種通信協(xié)議，如MEMOBUS協(xié)議、擴展MEMOBUS協(xié)議、MODBUS/TCP協(xié)議等。當(dāng)使用MOBUS/TCP協(xié)議時，最大通信量為：寫入100W，讀出125W。

直線伺服單元包括兩個主要部分：MECHATROLINK-II通信指令型直線伺服電機驅(qū)動器(SGDV-1R6A15A)和SGLGW型直線伺服電機(動子SGLGW-40A253CP，定子SGLGM-40450CT)。SGDV型直線伺服電機驅(qū)動器可以實現(xiàn)實時通信，以最大傳送速度10Mbps和可設(shè)定的通信周期250us-4ms，實現(xiàn)了最多30站的高速控制和高精度的運動控制，除了轉(zhuǎn)矩、位置和速度控制外，還可以實現(xiàn)精度要求極高的同步相位控制。由于可在線切換控制模式，因此可以更有效、平滑的實現(xiàn)復(fù)雜的機械動作。SGLGW型直線伺服電機，使機械進(jìn)給機構(gòu)直接化，從而實現(xiàn)機械的高速、高精度定位，實現(xiàn)無吸引力、低噪音化以及導(dǎo)軌的長效化，同時由于無齒槽效應(yīng)，有利于低推力脈動化。

系統(tǒng)控制包括兩個獨立數(shù)據(jù)流。第一個是工作流程，人機界面(工業(yè)平板電腦)與運動控制器之間通過交換機構(gòu)成以太網(wǎng)，HMI發(fā)出控制指令后，通過MODBUS/TCP協(xié)議發(fā)送到MP2300S的通信模塊218IFA，MP2300S將控制指令經(jīng)過解析后轉(zhuǎn)換成伺服控制指令，經(jīng)過M-II(MECHATROLINK-II)總線，實現(xiàn)對直線電機的速度控制和位置控制。第二個是配置流程，安裝有MPE720軟件的現(xiàn)場電腦，通過交換機，可直接與MP2300S進(jìn)行通信，進(jìn)而實現(xiàn)對MP2300S的系統(tǒng)參數(shù)配置以及伺服單元的伺服參數(shù)配置和固定參數(shù)配置。

BP算法是非循環(huán)多級網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練算法，其學(xué)習(xí)過程由正向傳播和反向傳播組成。輸入值經(jīng)過非線性變換，從輸入層經(jīng)隱層單元逐層處理，并傳向輸出層，每一層神經(jīng)元的狀態(tài)將影響到下一層神經(jīng)元狀態(tài)，如果在輸出層不能得到期望的輸出，則轉(zhuǎn)入反向傳播，通過修改各神經(jīng)元權(quán)值，使誤差信號最小。

圖1 運動平臺系統(tǒng)框圖

2 MODBUS/TCP協(xié)議簡介

MODBUS協(xié)議是OSI模型第7層上的應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議，將MODBUS幀嵌入到TCP幀中，使MODBUS與以太網(wǎng)和TCP/IP結(jié)合，成為MODBUS/TCP[4]。它連接至不同類型總線或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間提供客戶機/服務(wù)器通信。

MODBUS是一個請求/應(yīng)答協(xié)議，并且提供功能碼規(guī)定的服務(wù)。MODBUS/TCP是運行在TCP/IP上的MODBUS報文傳輸協(xié)議，MODBUS報文傳輸服務(wù)提供設(shè)備之間的客戶機/服務(wù)器通信，這些設(shè)備連接在一個Ethernet TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上。這個客戶機服務(wù)器模式是基于四種類型報文：MODBUS請求、MODBUS指示、MODBUS響應(yīng)、MODBUS證實。如圖2所示。

圖2 MODBUS協(xié)議模式

MODBUS請求是客戶機在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送用來啟動事務(wù)處理的報文。

MODBUS指示是服務(wù)器接收的請求報文。

MODBUS響應(yīng)是服務(wù)器發(fā)送的響應(yīng)信息。

MODBUS證實是客戶機接收的響應(yīng)信息。

MODBUS協(xié)議定義了一個與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)。在TCP/IP協(xié)議上的報文幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MODBUS/TCP報文幀結(jié)構(gòu)

MBAP報文頭(Modbus Application Protocol

Header)是在TCP/IP上使用的一種專用報文頭，以識別MODBUS應(yīng)用數(shù)據(jù)單元。

MBAP報文頭長度為7個字節(jié)。報文頭格式如圖4所示。

圖4 MBAP報文頭格式

事務(wù)處理標(biāo)識符(2個字節(jié))：用于事務(wù)處理配對，在響應(yīng)中，MODBUS服務(wù)器復(fù)制請求的事務(wù)處理標(biāo)識符。對于TCP連接來說，在同一時刻，這種標(biāo)識符必須是唯一的。

協(xié)議標(biāo)識符(2個字節(jié))：用于系統(tǒng)內(nèi)的多路復(fù)用，通過0x0000識別為MODBUS協(xié)議。

長度(2個字節(jié))：包括單元標(biāo)識符和數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)。

單元標(biāo)識符(1個字節(jié))：為了系統(tǒng)內(nèi)路由，對于TCP/IP來說，利用IP地址尋址MODBUS服務(wù)器，此時MODBUS單元標(biāo)識符是沒用的，必須使用值0xFF。

啟動MODBUS事務(wù)處理的客戶機建立MODBUS應(yīng)用數(shù)據(jù)單元，功能碼向服務(wù)器指示執(zhí)行哪種操作。MODBUS用一個字節(jié)編碼數(shù)據(jù)單元的功能碼域，不同的功能碼對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)域。MODBUS/CTP部分功能碼如表1所示。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

Visual C++是Microsoft公司推出的開發(fā)win32環(huán)境程序，面向?qū)ο蟮目梢暬删幊滔到y(tǒng)。用VC++開發(fā)人機界面，可通過界面上的按鈕完成直線電機的速度控制和位置控制，同時實時采集運動平臺的狀態(tài)信息和電機運行信息。使用BSD套接字通信接口，實現(xiàn)TCP/IP通信的流程如圖5所示。

圖5 TCP/IP通信邏輯流程圖

HMI為客戶端，即MODBUS請求發(fā)起端。MP2300S為服務(wù)器端，對HMI的MMODBUS請求做出響應(yīng)。實際使用工業(yè)平板電腦作為上位機，主要完成三個功能：

(1)構(gòu)建人機界面(HMI)，通過HMI按鈕實現(xiàn)人機交互，同時實時顯示運動平臺的運動狀態(tài)信息；

(2)通過MODBUS/TCP協(xié)議，將HMI發(fā)出的控制指令發(fā)送到MP2300S，完成運動平臺的運行控制；

(3)通過MODBUS/TCP協(xié)議，實時查詢運動平臺的運行信息，特別是警告與警報信息。

MP2300S中的信息接收函數(shù)MSG-RCV自動執(zhí)行服務(wù)器側(cè)的順序動作。信息接收函數(shù)的功能是接收來自傳送設(shè)備類型指定的線路上的遠(yuǎn)程站信息。支持MODBUS/TCP協(xié)議等多個協(xié)議類型。

當(dāng)客戶機(HMI)與服務(wù)器(MP2300S)通信連接建立以后，就可以發(fā)送運動控制指令，實現(xiàn)人機交互。通過設(shè)置定時器(300ms)，可以發(fā)送運動狀態(tài)查詢指令，實時查詢運動平臺的運動狀態(tài)和位置信息。在整個系統(tǒng)運行過程中，需要保證通信始終處于連接狀態(tài)。

向MP2300S發(fā)出控制指令請求時，只需向指定的寄存器寫入指令碼。指令碼共12字節(jié)(6個字寄存器)，格式如圖6所示。

圖6 指令碼格式

當(dāng)系統(tǒng)工作于自動模式(對應(yīng)的控制碼為0x00)，開始運行(對應(yīng)的控制指令為0x01)時，忽略軸位置控制信息。此時的MODBUS完整請求報文實例如表2所示。

當(dāng)MP2300S收到指令并正確響應(yīng)時，返回的MODBUS/TCP響應(yīng)報文格式如表3所示。

運動平臺的運行狀態(tài)和位置信息存儲在以MW00100開始的8個連續(xù)寄存器中，其中MW00100-MW00103為兩個直線電機的絕對位置(相對于原點)。查詢狀態(tài)和位置信息的MODBUS完整請求報文如表4所示。

當(dāng)MP2300S收到指令并正確響應(yīng)時，會返回MW00100-MW00108所有寄存器的當(dāng)前值。返回的MODBUS/TCP響應(yīng)報文格式如表5所示。

4 結(jié)論

MODBUS/TCP協(xié)議作為中國工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)，是設(shè)計網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的首選。直線電機作為一種新型進(jìn)給傳動系統(tǒng)，也得到越來越廣泛的應(yīng)用。將兩者結(jié)合構(gòu)建的基于MODBUS/TCP協(xié)議的多軸直線電機控制系統(tǒng)，既實現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的開放化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化要求，也滿足了平板顯示屏自動光學(xué)檢測系統(tǒng)高定位精度和高速度的要求。在速度為1，運行距離200時的重復(fù)定位精度低于1。根據(jù)軟件系統(tǒng)查詢返回的位置信息，實際的定位精度不超過0.002/175000。同時由于以太網(wǎng)的使用，使系統(tǒng)實際具備了遠(yuǎn)程控制功能。

[1] 鄭魁敬，高建設(shè).運動控制技術(shù)及工程實踐[M].北京:中國電力出版社，2009:10.

[2] 張連第.直線伺服電機在精密驅(qū)動與定位平臺中的應(yīng)用[J].機械研究與應(yīng)用，2012(2):172—177.

[3] 孫培德.現(xiàn)代運動控制技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012:8.

[4] GB/T 19582.3-2008，基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范[S].

(責(zé)任編輯：文涵)

Faced with the trend of high-precision, high-efficiency, networking and modularization of the control system, a networking control system with multi-axis linear motor is designed. The advantages and methods of linear motor working at precision positioning platform are introduced, of which the implementation to construct networking control system based on MODBUS/TCP protocol is discussed specifically. HMI is realized through the Ethernet, which realizes the movement control and the real-time acquisition of the state information. Conclusion The sports platform is of high-precision and system stability, whose repeatability positioning accuracy is less than 1 .

Linear servomotors; MODBUS/TCP protocol; motion control

2016—01—13

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2013YQ220749)

何小虎(1990—)，男，湖北蘄春人，合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向：精密測試技術(shù)及儀器。

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1672—9536(2016)01—0020—05