陳龍燦

摘 ?要： 目前工業(yè)現(xiàn)場控制中，大部分伺服控制系統(tǒng)都是通過運(yùn)動控制器與伺服驅(qū)動器通信，如果現(xiàn)場需要根據(jù)加工情況臨時修改伺服系統(tǒng)參數(shù)，就顯得不便。為解決這一問題，介紹一種基于觸摸屏的宏指令實(shí)現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場多軸伺服系統(tǒng)的讀取與設(shè)定，采用Modbus RTU協(xié)議與RS 485的通信方式，實(shí)現(xiàn)對多軸系統(tǒng)進(jìn)行同時的讀寫操作，對威綸觸摸屏的Modbus RTU通信功能以及松下伺服驅(qū)動器的通信功能進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹，并給出一種基于威綸觸摸屏宏指令實(shí)現(xiàn)的多軸控制系統(tǒng)。文中介紹了系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案和過程，可為同類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞： 多軸系統(tǒng)控制; 觸摸屏; 控制指令; 伺服驅(qū)動器; 伺服系統(tǒng); 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號： TN820.3?34; TP273+.1 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）15?0097?04

Research and implementation of multi?axis system controlled with macro instruction

CHEN Longcan

（College of Mobile Telecommunications， Chongqing University of Posts and Telecom， Chongqing 401520， China）

Abstract： In the current industrial field control， most of the servo control systems communicate with the servo driver through motion controller， and if the field needs to modify the servo system parameters according to the processing conditions， it is inconvenient to solve this problem. In order to solve this problem， a kind of macro instruction based on touch screen is introduced to realize the read and setting of the multi?axis servo system in the industrial site. The communication modes of Modbus RTU protocol and RS 485 are used to realize the reading and writing operation of the multi?axis system at the same time. The Modbus RTU communication function of the polypropylene touch screen and the communication function of the Panasonic servo driver are introduced in detail. A multi?axis control system implemented on the basis of polypropylene touch screen macro instruction is presented. The detailed design scheme and process of the system are introduced， which can also provide a reference for the design and application of similar systems.

Keywords： multi?axis system control; touch screen; control instruction; servo driver; servo system; system design

0 ?引 ?言

伺服系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)“中國制造2025”的基礎(chǔ)，是智能制造行業(yè)中實(shí)現(xiàn)精確定位、精準(zhǔn)運(yùn)動、精準(zhǔn)控制的必要途徑。伺服系統(tǒng)的任務(wù)是讓控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件按照設(shè)定值能夠準(zhǔn)確的進(jìn)行位置、速度、轉(zhuǎn)矩等的跟隨，要實(shí)現(xiàn)這一功能就離不開伺服驅(qū)動器通過速度環(huán)、位置環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)等的控制。在現(xiàn)代控制過程中，工業(yè)現(xiàn)場一般都是經(jīng)由控制器（單片機(jī)、PLC、專用伺服控制器等）輸出信號作用于伺服驅(qū)動器，然后改變伺服驅(qū)動器的參數(shù)或執(zhí)行相應(yīng)的命令。本文實(shí)現(xiàn)了基于RS 485通信下的威綸觸摸屏直接控制多個松下伺服驅(qū)動器參數(shù)的讀取與寫入，從而大大節(jié)省了控制器的輸入輸出點(diǎn)，提高了控制器對驅(qū)動器的數(shù)據(jù)傳輸效率。

1 ?松下伺服驅(qū)動器基于RS 485的連接與通信關(guān)系

以松下A5/A5Ⅱ?yàn)槔f明，用RS 485通信連接1臺主機(jī)（觸摸屏）和多臺伺服驅(qū)動器，其中默認(rèn)主機(jī)地址為0。因此，其他伺服驅(qū)動器的Pr5.31設(shè)定為1～31的數(shù)值，如果連接多軸系統(tǒng)時，設(shè)定軸轉(zhuǎn)換的時間間隔在50 ms以上，通過Pr5.30設(shè)定RS 485通信波特率，其連接示意圖如圖1所示。

圖1 ?RS 485通信連接示意圖

圖2 ?絕對式數(shù)據(jù)接收示例

2 ?威綸觸摸屏數(shù)據(jù)傳輸流程

利用威綸觸摸屏的宏指令接收來自松下伺服驅(qū)動器的當(dāng)前狀態(tài)信息，基本工作原理如下：當(dāng)伺服驅(qū)動器在驅(qū)動伺服電機(jī)執(zhí)行加工運(yùn)轉(zhuǎn)時，伺服驅(qū)動器中的轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩等全閉環(huán)中的參數(shù)信息均可通過RS 485通信傳輸回觸摸屏。有關(guān)威綸觸摸屏宏程序的外部輸入輸出指令和變量可查閱觸摸屏相關(guān)型號的使用手冊。

利用觸摸屏的宏指令模塊進(jìn)行通信程序的編寫，根據(jù)現(xiàn)場加工需求可以對松下伺服驅(qū)動器的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時修改，以符合實(shí)際加工的需求，同時為實(shí)現(xiàn)加工信息的及時修正，伺服驅(qū)動器執(zhí)行相應(yīng)閉環(huán)參數(shù)時，將按照最新的伺服參數(shù)進(jìn)行加工和生產(chǎn)，同時將加工信息返回觸摸屏，對傳輸回的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、變量保存和觸摸屏顯示等。

為實(shí)現(xiàn)加工信息的實(shí)時有效采集，觸摸屏在宏指令的作用下必須完成的功能有：在觸摸屏中編寫用戶宏指令、HMI上連接具體的宏程序段，給伺服驅(qū)動器發(fā)送數(shù)據(jù)信息、實(shí)時監(jiān)聽通信端口、接收伺服驅(qū)動器數(shù)據(jù)、處理并顯示信息、保存數(shù)據(jù)以供用戶查詢。實(shí)現(xiàn)對伺服驅(qū)動器參數(shù)采集和設(shè)定的工作流程如圖3所示。

3 ?宏指令編程實(shí)現(xiàn)方法

宏指令為用戶提供了應(yīng)用程序之外所需的附加功能。在觸摸屏界面運(yùn)行時，宏指令可以自動（或有條件）執(zhí)行這些命令。它可以擔(dān)負(fù)執(zhí)行如復(fù)雜的運(yùn)算、字符串處理、數(shù)據(jù)處理和用戶與工程之間的交流等功能。宏指令OUTPORT以如下格式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送：OUTPORT（source[start]，device_設(shè)備名稱，date_count）;INPORT以如下格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集： INPORT（read_date[start]，device_設(shè)備名稱，read_count，return_ value）。用以上指令發(fā)送和接收伺服驅(qū)動器的數(shù)據(jù)，例如位置誤差值和轉(zhuǎn)矩當(dāng)前值、速度值等系統(tǒng)變量是自動控制和通用程序開發(fā)的基礎(chǔ)。

圖3 ?觸摸屏與伺服驅(qū)動器參數(shù)讀寫流程

要實(shí)現(xiàn)威綸觸摸屏與伺服驅(qū)動器之間的Modbus RTU協(xié)議的數(shù)據(jù)通信，需要在威綸觸摸屏中進(jìn)行系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)置?；緟?shù)設(shè)置包含：地址類型、接口類型、通信協(xié)議。新建宏程序后，主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、各子程序的調(diào)用等。初始化工作主要包括各通信端口的初始化、Modbus RTU通信協(xié)議的初始化。其中，Modbus RTU通信協(xié)議的初始化包括波特率、通信位數(shù)、奇偶校驗(yàn)等參數(shù)設(shè)置。Modbus RTU通信程序主要負(fù)責(zé)Modbus RTU協(xié)議數(shù)據(jù)通信傳輸。該通信程序以Modbus RTU通信協(xié)議為核心基礎(chǔ)，結(jié)合松下伺服驅(qū)動器自身具體的通信協(xié)議來傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

Modbus傳輸數(shù)據(jù)是一幀一幀的傳輸，因此，保證傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性成為關(guān)鍵問題，數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)就顯得很必要。當(dāng)威綸觸摸屏接收到松下伺服驅(qū)動器發(fā)送的應(yīng)答數(shù)據(jù)幀后，可以對接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文生成CRC校驗(yàn)值進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性校驗(yàn)，本例中采用求和減1后取反進(jìn)行有效值的校驗(yàn)，然后比較生成的CRC校驗(yàn)值（例如程序中的OXDA）與收到數(shù)據(jù)報(bào)文中的CRC值是否一致。如果接收到的數(shù)據(jù)是一致的，說明接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文是準(zhǔn)確的。如果不相同，說明接收到的數(shù)據(jù)不正確，等待驅(qū)動器發(fā)送下輪應(yīng)答數(shù)據(jù)幀再次進(jìn)行校驗(yàn)。來自觸摸屏元件設(shè)置參數(shù)發(fā)送及校驗(yàn)程序如下：

采用觸摸屏編寫宏程序的方法，通過Modbus RTU協(xié)議的數(shù)據(jù)通信進(jìn)行設(shè)置和顯示伺服系統(tǒng)加工軸的狀態(tài)是簡單可行的， 能夠解決絕大多數(shù)伺服系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集與現(xiàn)場實(shí)時修訂，經(jīng)過分析后，通過軟件界面提示給企業(yè)管理者或現(xiàn)場操作人員，實(shí)驗(yàn)效果如圖4所示。

圖4 ?執(zhí)行效果展示

4 ?結(jié) ?語

本文提出一種基于觸摸屏的宏指令實(shí)現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場多軸伺服系統(tǒng)的讀取與設(shè)定。通過觸摸屏可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和顯示，使企業(yè)管理者和現(xiàn)場管理人員可以查看和掌握當(dāng)前伺服加工軸的狀態(tài)。通過對現(xiàn)場生產(chǎn)加工狀態(tài)的采集與處理，可提高管理者和決策者對生產(chǎn)現(xiàn)場的掌控，這將有助于提高現(xiàn)場生產(chǎn)、加工效率及質(zhì)量，提升企業(yè)的競爭力。

參考文獻(xiàn)

[1] 李年鎖，顏罡，郭彥每.基于Modbus協(xié)議的RS 485總線通信在內(nèi)電混合工程車中的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2017，40（3）：44?47.

LI Niansuo， YAN Gang， GUO Yanmei. Design and implementation of RS 485 bus communication based on Modbus protocol in an electric hybrid engineering vehicle [J]. Electric locomotives & mass transit vehicles， 2017， 40（3）： 44?47.

[2] 張利民，鄒益民.基于Modbus協(xié)議的威綸觸摸屏語音播報(bào)功能擴(kuò)展[J].自動化與儀器儀表，2016（9）：38?40.

ZHANG Limin， ZOU Yimin. MODBUS protocol weinview touch screen voice broadcast function based on extension [J]. Automation & instrumentation， 2016（9）： 38?40.

[3] 商德勇，楊壘，杜少慶.基于ADAMS宏命令的薄煤層工作面巡檢機(jī)器人建模與仿真[J].機(jī)床與液壓，2017，45（15）：20?22.

SHANG Deyong， YANG Lei， DU Shaoqing. Modeling and si?mulation of inspection robot for thin seam face based on ADAMS macro command [J]. Machine tool & hydraulics， 2017， 45（15）： 20?22.

[4] 魯淑葉.數(shù)控銑削孔口倒角宏指令的開發(fā)[J].現(xiàn)代制造工程，2017，14（3）：83?87.

LU Shuye. Development of macro instruction for NC milling hole chamfering [J]. Modern manufacturing engineering， 2017， 14（3）： 83?87.

[5] 陳澤，胡明勇.基于ZPL宏指令的大口徑反射式平行光管設(shè)計(jì)[J].量子電子學(xué)報(bào)，2017，34（1）：9?14.

CHEN Ze， HU Mingyong. Design of large aperture reflector collimator based on ZPL macroinstruction [J]. Chinese journal of quantum electronics， 2017， 34（1）： 9?14.

[6] 張玉鵬，溫蜜.針對Modbus協(xié)議的雙重認(rèn)證算法設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2018（20）：93?98.

ZHANG Yupeng， WEN Mi. Design of dual authentication algorithm for Modbus protocol [J]. Computer engineering and applications， 2018（20）： 93?98.

[7] 武曉華.基于宏程序華中數(shù)控車切槽循環(huán)指令開發(fā)研究[J].裝備制造技術(shù)，2014（4）：226?227.

WU Xiaohua. Research and development of Huazhong CNC turning groove instruction based on macro program [J]. Equipment manufacturing technology， 2014（4）： 226?227.

[8] 林瑤瑤，仲崇權(quán).伺服驅(qū)動器轉(zhuǎn)速控制技術(shù)[J].電氣傳動，2014（3）：21?26.

LIN Yaoyao， ZHONG Chongquan. Speed control technology of servo driver [J]. Electric drive， 2014（3）： 21?26.

[9] 咸明輝.伺服驅(qū)動器EtherCAT網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2016.

XIAN Minghui. Design and implementation of EtherCAT network control for servo drive [D]. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2016.

[10] YANG Juqing， WANG Dayong， ZHOU Weihu. Precision laser tracking servo control system for moving target position measurement [J]. Optik， 2017， 131： 994?1002.