1 引言
絕對值位置控制系統(tǒng)對于經(jīng)常使用的點位控制系統(tǒng)來說，是一種非常方便實用的位置控制方式,。一旦原點設(shè)置后，完畢每次停電后開機時,，這種系統(tǒng)不需要回原點,，大大方便了操作。三菱mr-j2s-a系列的伺服系統(tǒng)和三菱fx2n系列plc是在實際中經(jīng)常用到的伺服系統(tǒng)和控制器,，本文討論在某些特殊的應(yīng)用場合,，如何應(yīng)用它們來構(gòu)建一個絕對值位置控制系統(tǒng)。
2 控制任務(wù)簡介
這是一個實際使用的控制任務(wù),，參見圖1示意,。a點是設(shè)備的原始位置，b點是設(shè)備的工作位置,。開始工作后,，設(shè)備以位置控制方式移到工作位置b，然后,，設(shè)備從b以速度控制方式點向a點移動,。在移動過程中，執(zhí)行一些其他的任務(wù),，當這些任務(wù)完成后在a與b之間的任一位置c點停止,。然后以位置控制方式回到原始位置a點，這樣整個工作循環(huán)結(jié)束,。
圖1 控制任務(wù)
2.1 控制平臺
三菱j2s-a系列的伺服系統(tǒng)和三菱fx2n系列plc的功能和特性：三菱mr-j2s-a系列的伺服系統(tǒng)中伺服電機的編碼器為每轉(zhuǎn)為131072線的絕對值編碼器,，伺服驅(qū)動器能夠在停電情況下記住伺服電機的當前位置。該伺服系統(tǒng)有位置控制,、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制三種運行方式,。同時該伺服系統(tǒng)內(nèi)置絕對位置專用傳輸協(xié)議,，如果菱mr-j2s-a系列的伺服系統(tǒng)工作在位置方式，則可配合fx2n系列plc的dabs（讀絕對位置）指令,，在伺服驅(qū)動器通電后伺服on（son信號）有效時,，plc中讀出伺服電機的當前位置。但僅在son信號接通時的上升沿開始傳輸當前伺服電機位置一次,，在son信號接通以后將不再傳輸伺服電機的當前絕對位置,。伺服電機的當前絕對位置由位置控制裝置（如fx2n-1pg模塊）根據(jù)發(fā)出的脈沖數(shù)來確定。這實際上是一個開環(huán)控制系統(tǒng),。在不發(fā)生報警或者脈沖傳輸不受到干擾的情況下,，整個位置控制系統(tǒng)的位置將不會丟失。如果工作在速度控制方式則不能在son接通時讀取伺服電機的絕對位置,，在整個工作過程中,，也無法確定取伺服電機的絕對位置。圖2是典型的位置控制系統(tǒng)配置圖,。
圖2 系統(tǒng)配置
2.2 任務(wù)分析
在本任務(wù)中,，伺服驅(qū)動器將工作在位置控制和速度控制兩種方式。a點和b點的定位操作,，要求控制系統(tǒng)必需記住伺服電機的位置,，但由于b點與c點之間的速度運行方式，使得傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)不能獲知伺服電機的位置,。因為盡管在位置方式位置控制器能確定伺服電機的位置,，但在伺服驅(qū)動器從位置方式轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣确绞胶螅恢每刂破鲗⒉黄鹱饔?，所以也無法確定伺服電機的位置,。由于在整個控制過程中，既有位置控制方式,，又有速度控制方式,，所以典型的傳統(tǒng)控制配置將不能滿足本控制任務(wù),，必須采用一種新的控制方式來實現(xiàn)控制,。
3 控制方案的硬件配置
上述問題的基本解決思路是通過plc與伺服驅(qū)動器的通訊方式，來實時讀取伺服電機的當前實際位置,，這樣不管伺服系統(tǒng)處于位置控制方式,，還是在速度控制方式，控制系統(tǒng)都能知道伺服電機的當前位置,，從而使系統(tǒng)能正確地定位在a點和b點,。通過查閱資料，我們了解到三菱j2s系列伺服系統(tǒng)除了內(nèi)置絕對位置專用傳輸協(xié)議外,，還內(nèi)置了三菱伺服通訊協(xié)議,；三菱fx2n系列內(nèi)置了無協(xié)議通訊指令（rs指令）,，所以我們可使用rs指令根據(jù)伺服驅(qū)動器的通訊協(xié)議來讀取電機當前位置。圖3是控制系統(tǒng)框圖,。
圖3 系統(tǒng)框圖
在圖3中,，fx2n系列plc為主控制器，擴展特殊模塊fx2n-1pg為定位模塊,，其輸出為頻率和脈沖數(shù)可控的定位脈沖,。當plc主系統(tǒng)通過通訊方式獲得伺服電機當前位置的前提下，能在定位指令的驅(qū)動下,，驅(qū)動伺服電機到給定位置,；擴展特殊模塊fx2n-4da模擬量輸出模塊，其輸出為0到正負10v的電壓信號,；fx2n-485bd為485通訊卡,，它和mr-j2s-a伺服驅(qū)動器的rs-422相連；fx2n主機通過485bd-rs422口與伺服驅(qū)動器進行通信,，讀取伺服電機的當前絕對位置,。當處于位置控制方式時，電機由fx2n-1pg定位模塊發(fā)出的定位脈沖來控制,，包括其運轉(zhuǎn)速度和目標位置,。當位置/速度切換信號有效時，伺服驅(qū)動器切換為速度控制方式,，由模擬量模塊輸出的0到正負10v來控制其速度大小和運動方向,。安裝在plc主機上的485通訊卡與伺服驅(qū)動器上rs-422口進行通訊，隨時讀取伺服電機的當前絕對位置值,。
4 控制軟件編制
在本控制系統(tǒng)的軟件中,，主要是通訊程序的編制。其他一些如定位控制,、位置速度控制方式的切換,、模擬量速度控制等程序比較普通，在此不予介紹,，我們著重介紹plc主機如何通過485通訊卡來讀取伺服驅(qū)動器中伺服電機的當前絕對位置的控制軟件,。
4.1 三菱mr-j2s-a伺服系統(tǒng)通訊協(xié)議
該伺服系統(tǒng)具有rs422串行通訊功能，伺服系統(tǒng)作為從站,，控制器作為主站,。主控制器通過該通訊功能可實現(xiàn)對伺服驅(qū)動器的運行控制、參數(shù)的修改讀取,、伺服驅(qū)動器當前運動狀態(tài)的讀取等,。我們在這里只需要讀取伺服電機的當前絕對位置值。
?。?）通訊格式:
?。?）通訊協(xié)議：三菱j2s系列伺服系統(tǒng)的通訊協(xié)議大致分為四種格式：從控制器向伺服驅(qū)動器發(fā)送數(shù)據(jù),、控制器從伺服驅(qū)動器接送數(shù)據(jù)、通訊超時處理,、通訊重試,。在這里我們主要使用第二種格式的通訊協(xié)議，即控制器從伺服驅(qū)動器接送數(shù)據(jù)的通訊協(xié)議,。該種格式的通訊協(xié)議：
在上述協(xié)議中,，所有報文均以ascii碼表示。在主站控制器發(fā)出的報文中,，soh（通訊開始）,、stx（報文開始）和etx（報文結(jié)束）的ascii碼分別為01h、02h和03h,。讀絕對位置的指令為02,，則對應(yīng)的ascii碼為30h、31h,，絕對位置值（指令脈沖單位）對應(yīng)的數(shù)據(jù)號為91,，對應(yīng)的ascii碼為39h、31h,。站號是在伺服驅(qū)動器中設(shè)置的站號,，假如設(shè)置為0時，則對應(yīng)的ascii碼為30h,。其校驗和的計算范圍為站號到etx,，將其每一位數(shù)據(jù)的ascii碼進行求和，得到結(jié)果的低二位即為校驗和數(shù)據(jù),。在主站控制器收到的報文中,，stx、站號,、etx與前面一樣,，不再重復了。當通訊正常時,，錯誤代碼為a（伺服不報警時）或a(伺服報警時),，當通訊不正常時，則錯誤代碼不等于a或a,，而是其他字符,。數(shù)據(jù)即為絕對位置數(shù)據(jù)，長度為8幀,。其校驗和的計算范圍也是為站號到etx，也是取每位ascii碼計算和的低二位,。
?。?）相關(guān)的驅(qū)動器參數(shù)：p#16參數(shù)用于設(shè)置波特率,、rs232/rs422通訊選擇、通訊等待時間,。我們選用波特率為19200pbs,rs422通訊口,，通訊等待時間有效，則p#16=1101,。
p#15參數(shù)用于設(shè)置站號,，在本案中設(shè)為0。
4.2 fx2n系列plc無協(xié)議通訊指令(rs指令)
fx2n系列plc內(nèi)置串行數(shù)據(jù)傳送指令,，可以通過rs-232或rs-422通訊口與其它設(shè)備進行串行通訊,。其通訊協(xié)議可根據(jù)所要與其進行通訊的設(shè)備的通訊協(xié)議進行編制。
?。?）通訊格式：串行數(shù)據(jù)傳送rs指令的通訊格式通過plc的特殊數(shù)據(jù)寄存器d8120來設(shè)置,。在最新的fx3u系列plc中可通過設(shè)置plc參數(shù)來設(shè)置，而在fx2n中只能通過plc程序來設(shè)置,。本案中d8120的b15-b8只能設(shè)置為00001100,，在此不作介紹。b7-b0用于設(shè)置傳輸?shù)牟ㄌ芈?、?shù)據(jù)長度等,，這些參數(shù)必須與j2s伺服驅(qū)動器的通訊參數(shù)相一致。當b7-b4=1001時,，對應(yīng)的傳輸波特率為19200
bps,；當b3=0時，對應(yīng)停止位為1位,；當b2b1=11時,，對應(yīng)奇偶校驗為偶校驗；當b0=1時,，對應(yīng)的數(shù)據(jù)長度為8位,。所以d8120=0000110010000111，即h0c97,。
?。?）串行數(shù)據(jù)傳送rs指令：rs指令的指令格式為 rs d10 k10 d20 k14；其中d10為發(fā)送數(shù)據(jù)首地址,，k10為
發(fā)送數(shù)據(jù)的個數(shù)（在本案中為10）,，d20為接收數(shù)據(jù)存放的首地址，k14為接收數(shù)據(jù)的個數(shù)（在本案中為14）,。
4.3 plc和伺服驅(qū)動器的通訊程序
在了解了伺服驅(qū)動器的通訊協(xié)議和plc的通訊指令后,，編制相應(yīng)的通訊程序，目標是實時讀取伺服驅(qū)動器的絕對位置,。該通訊程序大致可分為通訊實現(xiàn)和通訊錯誤判斷兩個部分,。
?。?）報文構(gòu)成：據(jù)前述的通訊協(xié)議，我們知道,，讀電機絕對位置時的協(xié)議格式為：
轉(zhuǎn)換成ascii碼,，則為：
校驗和的計算范圍為站號到etx的7個幀，計算方法是將其轉(zhuǎn)化成ascii碼的數(shù)加起來取其低二位,。具體計算如下：
30h+30h+32h+02h+39h+31h+03h=101h,，取其低二位，則位01,。再取其對應(yīng)的ascii碼,，得30h、31h,。該值即位發(fā)送報文中的校驗和值,。所以，讀絕對位置要發(fā)送的報文即為01h 30h 30h 32h 02h 39h 31h 03h 30h 31h
?。?）主通訊程序：圖4是通訊主程序,，通過這段程序可得到儲存在d50中伺服電機絕對位置值。程序段a是在plc開始運行時,，將根據(jù)伺服系統(tǒng)的通訊協(xié)議編制的報文寫入發(fā)送數(shù)據(jù)塊,。程序段b選擇8位數(shù)據(jù)模式。程序段c激活通訊指令,。程序段d每100毫秒對發(fā)送標志m8122置位,，發(fā)送完成后自動復位。在程序段e,，當接收完成時,，接收完成標志m8123置1，將接收到的數(shù)據(jù)送到d30—d43中,，并同時將m8123復位,。程序段f，將14幀接收數(shù)據(jù)中的位置數(shù)據(jù)（從第4幀到第11幀）通過轉(zhuǎn)換指令hex轉(zhuǎn)換成16進制數(shù)據(jù),最后將位置數(shù)據(jù)送入d50,。
圖4 通訊程序
?。?）通訊出錯檢測程序：為了保證讀入的位置數(shù)據(jù)的正確性，必須對整個通訊過程進行出錯檢測,。在這里我們主要核對讀入數(shù)據(jù)的校驗和的方法來進行通訊錯誤校驗,。前面我們介紹過，計算接收報文數(shù)據(jù)校驗和的計算范圍為stx之后的11幀數(shù)據(jù),。所以具體做法是,，根據(jù)讀入的數(shù)據(jù)計算stx之后的11幀的校驗和，再與接收到報文中校驗和（最后兩幀）進行比較。在圖5的通訊出錯檢測程序段中,，指令h用于計算從伺服驅(qū)動器接收到數(shù)據(jù)的校驗和,。指令i用于取計算得到的校驗的低二位,，指令j用于將接收到的校驗和轉(zhuǎn)換成16進制,。指令k用于比較實際計算得到的校驗和與接收到的校驗和進行比較，若不相等,，則通訊出錯,。通訊出錯后處理，限于篇幅,，在此不作介紹,。
圖5 檢測程序
5 結(jié)束語
通過上述硬件和軟件兩方面的結(jié)合，整個控制系統(tǒng)就能滿足本文開始時所描述的控制任務(wù)要求,。plc控制伺服系統(tǒng)進行定位控制是一種典型的控制模式,，而應(yīng)用通訊技術(shù)實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的絕對位置檢測和控制更是一種實用的技術(shù)。本文所討論的三菱fx2n系列plc實時讀取三菱mr-j2s-a系列伺服系統(tǒng)當前位置的實現(xiàn)方式,，不僅對類似的控制場合具有借鑒意義,，而且對plc與其他設(shè)備的通訊程序編制也有啟發(fā)意義。