閆秀芳，王志國(guó)，高曉輝

（1.內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院 測(cè)控與機(jī)電工程系，呼和浩特 010070；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，呼和浩特 010051；3.北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，由上位機(jī)和下位機(jī)組成的控制系統(tǒng)得到日益廣泛的應(yīng)用，而下位機(jī)控制器的處理速度以及實(shí)時(shí)性是決定整個(gè)伺服控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在[1,2]。常用的下位機(jī)控制器主要包括可編程序控制器（PLC）、工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡等[3～5]。S7300 PLC因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、循環(huán)周期短、處理速度高、指令集功能強(qiáng)、電磁兼容性強(qiáng)、抗震動(dòng)沖擊性能好、性價(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中，成為一種既經(jīng)濟(jì)又切合實(shí)際的解決方案[6,7]。Modbus通訊協(xié)議是美國(guó)Modicon公司開發(fā)的一個(gè)開放性通信協(xié)議，具有安全、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn)，已經(jīng)成為一種通用的工業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn)，在很多工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[8～10]。本文在分析控制系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出運(yùn)用S7300 PLC作為下位機(jī)通過SSI通訊實(shí)時(shí)采集位置信息，并通過接收上位機(jī)控制指令同時(shí)實(shí)現(xiàn)多路閉環(huán)伺服控制；采用S7200 PLC通過Modbus通訊接收上位機(jī)指令并通過MPI通訊與S7300 PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，從而組成一個(gè)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)。S7200 PLC的引入不但能夠?qū)崿F(xiàn)性價(jià)比較高的Modbus通訊且可實(shí)現(xiàn)數(shù)字量控制，從而組成一個(gè)性價(jià)比較高的穩(wěn)定控制系統(tǒng)。采用本控制系統(tǒng)方案能夠?qū)崿F(xiàn)多路位移精確控制，且具有性價(jià)比高、適用性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步推進(jìn)了PLC在很多工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在很多精密位置控制系統(tǒng)中，傳感器、執(zhí)行器和控制器作為主要組成部件，對(duì)于提高系統(tǒng)的控制精度至關(guān)重要。本系統(tǒng)的位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)的工作原理如圖1所示，通過控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)液壓缸精密位移控制來實(shí)現(xiàn)平臺(tái)位姿的調(diào)整，因此，控制器的性能至關(guān)重要。位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)的電氣控制原理如圖2所，其基本工作原理是：通過Modbus通訊協(xié)議接收上位機(jī)位移控制指令；通過基于SSI通訊的位移絕對(duì)編碼器采集位置信息；指令和采樣通過控制算法形成控制指令下發(fā)給伺服閥實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的伺服控制；限位開關(guān)用來實(shí)現(xiàn)對(duì)位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)的安全保護(hù)。該控制系統(tǒng)需要1路Modbus通訊接口、4路DI開關(guān)量輸入、4路DO開關(guān)量輸出、3路AO輸出、3路SSI通訊接口。

圖1 位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)

圖2 電氣控制系統(tǒng)

由于S7300 PLC的處理速度和工作性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于S7200 PLC，實(shí)時(shí)控制周期可達(dá)到10ms，在很多高精度伺服控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且S7200不能夠進(jìn)行SSI通訊，因此選用S7300 PLC作為下位機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸位移的精確實(shí)時(shí)控制。S7300 PLC的通訊接口主要面向Profibus通訊總線，而基于Modbus通訊的模塊主要有CP340和CP341模塊且其價(jià)格比較昂貴[11,12]，而S7200 PLC主要面向Modbus通訊設(shè)計(jì)含有2路Modbus通訊接口，選用S7200 PLC通過Modbus通訊協(xié)議接收上位機(jī)指令，且能夠提供IO控制接口，性價(jià)比較高。S7300 PLC和S7200 PLC通過MPI通訊進(jìn)行信息共享。因此，根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)選用性價(jià)比較的產(chǎn)品組合如下：CPU 314（6ES73141AG140AB0）、SM338模塊（設(shè)備號(hào)：6ES73384BC010AB0，含有4路 SSI 通訊接口）、SM332模塊（設(shè)備號(hào)：6ES73325HD010AB0，含有4路AO）、CPU 224XP（設(shè)備號(hào)：6ES72142AD230XB0，含14路DI、8路DO、2路RS485）。

2 S7300 PLC基于Modbus通訊

由于S7300 PLC通過Modbus接口進(jìn)行通訊價(jià)格比較昂貴，因此選用S7200 PLC作為從站通過Modbus接口與上位機(jī)通訊，然后S7200 PLC通過MPI通訊接口與S7200 PLC進(jìn)行通訊。

2.1 S7200與上位機(jī)Modbus通訊

ModBus協(xié)議是一種可靠而有效的工業(yè)控制系統(tǒng)通信協(xié)議，現(xiàn)已被眾多的硬件廠商支持并得到了廣泛應(yīng)用，通過ModBus協(xié)議可以方便地完成現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。Modbus是一種主/從串行通訊協(xié)議且網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)主站其余全為從站，在物理層上可利用232和485接口，支持ASCII和RTU兩種傳輸模式，用戶根據(jù)系統(tǒng)組態(tài)，在同一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)上配置相同的通信參數(shù)。S7-200CPU上的通信口Port0和Port1均可實(shí)現(xiàn)Modbus 通訊，從站協(xié)議指令主要有“MBUS_INT”和“MBUS_SLAVE”指令。在第一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)執(zhí)行“MBUS_INT”指令（如圖3所示），下面分別介紹一下“MBUS_INT”指令中個(gè)參數(shù)的意義。Mode：模式選擇，1為啟動(dòng)，0為停止；Addr：從站地址取值為1～247；Baud：波特率可選1200，2400,4800,9600,19 200,38400,57600,115200；Parity：奇偶校驗(yàn)為0為無校驗(yàn)，1為奇校驗(yàn)，2為偶校驗(yàn)；Delay：延時(shí)，缺省值為0；MaxIQ：最大I/Q位，參與通信的最大I/O點(diǎn)數(shù)，S7-200的I/O映像區(qū)為128/128，缺省值為128；MaxAI為最大AI字?jǐn)?shù)，參與通信的最大AI通道數(shù)，可為16或32；MaxHold：最大保持寄存器區(qū)，參與通信的V存儲(chǔ)區(qū)字；HoldStart：保持寄存器區(qū)起始地址，以&VBx指定（間接尋址方式）；Done：初始化完成標(biāo)志，成功初始化后置1；Error：初始化錯(cuò)誤代碼。主站和從站的波特率和奇偶校驗(yàn)位的設(shè)置參數(shù)必須相同，當(dāng)S7200 PLC作為從站時(shí)只需要設(shè)置MBUS_INT”指令參數(shù)即可。S7-200作為從站時(shí)，內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)與Modbus的4類地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，在進(jìn)行數(shù)據(jù)變量傳輸時(shí)，采用4類地址傳輸，只需設(shè)置HoldStart的起始變量地址即可。

表1 S7-200的Modbus地址對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖3 “MBUS_INT”指令

2.2 S7300與S7200之間MPI通訊

MPI（Multi Point Interface）是多點(diǎn)接口的簡(jiǎn)稱，是西門子公司開發(fā)的用于PLC之間通訊的保密的協(xié)議。MPI通訊是當(dāng)通信速率要求不高、通信數(shù)據(jù)量不大時(shí)，可以采用的一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的通訊方式。S7300與S7200之間采用MPI通訊時(shí)，S7200不需要編寫任何與通訊有關(guān)的程序，只需要將要交換的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一個(gè)連續(xù)的V存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)與S7300中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)一一對(duì)應(yīng)即可。S7300需要在OB1或OB35中調(diào)用系統(tǒng)功能X_GET（SFC67）和X_PUT（SFC68）（如圖4所示），下面對(duì)指令中各個(gè)參數(shù)進(jìn)行介紹。X_GET為S7300接收S7200數(shù)據(jù)指令，X_PUT為S7300發(fā)送給S7200數(shù)據(jù)指令。REQ：“Request to activate” 當(dāng)REQ=1時(shí)，調(diào)用該指令可以啟動(dòng)讀取操作；CONT：如果在第一次調(diào)用時(shí)選擇了CONT=0，那么在數(shù)據(jù)傳送完成后，連接被再次終止，如果在第一次調(diào)用時(shí)選擇了CONT=1，那么在數(shù)據(jù)傳送完成后仍保持連接；DEST_ID：尋址參數(shù)“destination ID”，包含通信伙伴的MPI地址；VAR_ADDR：指向伙伴CPU上區(qū)域的引用，數(shù)據(jù)將從該區(qū)域讀出；RET_VAL：指令執(zhí)行過程中，如果出錯(cuò)，則返回值將包含有相應(yīng)的錯(cuò)誤代碼；BUSY：BUSY=1表示接收仍未完成，BUSY=0表示接收已完成，或者沒有激活的接收操作；RD：指向接收區(qū)的引用；SD：指向發(fā)送區(qū)的引用。S7300與S7200之間采用MPI通訊時(shí)，S7300與S7200設(shè)置不同的MPI地址和相同的波特率方可進(jìn)行通訊。

圖4 “X_GET”和“X_PUT”指令

3 PLC下位機(jī)控制系統(tǒng)

PLC是以微處理器為基礎(chǔ)的一種自動(dòng)控制裝置，其綜合了控制、計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的功能，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，尤其S7300 PLC因其循環(huán)周期短且處理速度高可應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中。位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)的硬件連接如圖5所示，在本控制系統(tǒng)中采用S7300 PLC作為下位機(jī)控制系統(tǒng)，通過Modbus通訊和MPI通訊接收上位機(jī)控制指令，采用SM338模塊中的SSI通訊實(shí)時(shí)采集位移信息，通過PID運(yùn)算控制算法根據(jù)控制指令和位移采樣生成控制信號(hào)通過SM332模擬量輸出模塊的AO接口控制伺服閥從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的伺服控制。

圖5 控制系統(tǒng)硬件連接圖

SSI（Synchronous Serial Interface）是一種同步信號(hào)的全雙工串行數(shù)據(jù)協(xié)議，常用于較多高精度絕對(duì)值角度編碼器中。SM338模塊中含有4路SSI通訊接口與其電氣接線如圖6所示，將SM338與S7300 PLC的CPU直接相聯(lián)接并根據(jù)位移編碼器的具體參數(shù)對(duì)其進(jìn)行設(shè)置（如圖7所示）。

圖6 SSI通訊接線圖

圖7 S7300 PLC中SSI通訊參數(shù)設(shè)置

將本控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)中3個(gè)液壓缸的位移控制的試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，從圖8中可以看出，三個(gè)液壓缸的定位精度均可控制在0.1mm以內(nèi)。

4 結(jié)論

本文介紹了S7200和S7300 PLC的性能特點(diǎn)并搭建了一套性價(jià)比比較高的高精度控制系統(tǒng)，采用Modbus實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與S7300 PLC之間通訊并實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓缸的精確位移控制，進(jìn)一步推進(jìn)了PLC的工業(yè)應(yīng)用范圍。

圖8 位移響應(yīng)曲線

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