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)控制器連網(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，通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其它設(shè)備之間可以通信。基于上述原理，文中設(shè)計了一套伺服電機聯(lián)動控制系統(tǒng)，采用Modbus RTU通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，達到能夠同時對2臺電機聯(lián)動控制的目的。

1 系統(tǒng)構(gòu)成以及原理

　　在工業(yè)控制過程中，電機是控制系統(tǒng)一個重要組成部分。一般通過微處理器控制電機繼而達到實現(xiàn)自動控制的目的。而上位機通過串行或者并行通信協(xié)議控制微處理器，來實現(xiàn)遠程控制。

　　文中提出了一種新的伺服電機聯(lián)動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，采用Modbus RTU協(xié)議，使上位機(PC)直接可以和伺服放大器進行通信，本設(shè)計上位機采用一般PC即可，最好帶RS485接口。伺服放大器選用富士公司RYH201F5-VV2，伺服電機選用富士公司GYS201D5-RC2。由于系統(tǒng)設(shè)計過程中節(jié)省了微處理器，所以不僅在數(shù)值處理運算和數(shù)據(jù)傳送上運行速度快，實時性強，而且簡化了系統(tǒng)復雜度，降低了成本。

　　由于有的PC不自帶RS485接口，因此上位機不能利用Modbus通信協(xié)議來控制伺服放大器。雖然市場沒有專門接口轉(zhuǎn)換電路，但是由于一般上位機(PC或者工控機等)都自帶USB接口，自己根據(jù)Modbus協(xié)議和實驗室現(xiàn)有器件，自行設(shè)計接口轉(zhuǎn)換電路。

2 Modbus RTU協(xié)議及實現(xiàn)

　　2.1 Modbus協(xié)議

　　Modbus是OSI模型第7層上的應用層報文傳輸協(xié)議，它在連接至不同類型總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間提供客戶機/服務器通信。標準的Modbus口是使用RS-232C兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗。控制器能直接或經(jīng)由Modem組網(wǎng)。控制器通信使用主-從技術(shù)，即僅一設(shè)備(主設(shè)備)能初始化傳輸(查詢)。其它設(shè)備(從設(shè)備)根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)做出相應反應。典型的主設(shè)備：主機和可編程儀表。典型的從設(shè)備：可編程控制器。本系統(tǒng)中主設(shè)備指上位機，從設(shè)備主要指伺服放大器。

　　上位機可單獨和伺服放大器通信，也能以廣播方式和所有放大器通信。如果單獨通信，伺服放大器返回一消息作為回應，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應。Modbus協(xié)議建立了上位機查詢的格式：設(shè)備(或廣播)地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、一錯誤檢測域。伺服放大器回應消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)和一錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生一錯誤，或不能執(zhí)行其命令，伺服放大器將建立一錯誤消息并把它作為回應發(fā)送出去。

　　通信過程主要分查詢和響應。查詢指從上位機通過功能代碼告之被選中的伺服放大器要執(zhí)行的何種功能；響應指伺服放大器對查詢信息功能代碼的回應。通信是由來自上位機的查詢開始的。伺服放大器之間不能進行查詢。

控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式(ASCII或RTU)之中的任意一種標準進行通信。文中選用RTU(遠程終端設(shè)備)模式，還包括設(shè)置其他串口通信參數(shù)(波特率，校驗方式等)。需要注意的是，在同一個Modbus網(wǎng)絡(luò)上所有的設(shè)備都必須有相同的傳輸模式和串口參數(shù)。RTU模式下，數(shù)據(jù)幀格式是：地址+功能代碼+信息+CRC-16校驗。CRC校驗的全稱是循環(huán)冗余校驗，其特點是：檢錯能力極強，花費CPU開銷小。

　　2.2 參數(shù)編輯

　　2.2.1 參數(shù)綁定

　　設(shè)計中伺服電機采用定位數(shù)據(jù)運行，默認最多15點定位數(shù)據(jù)，AD3～AD0分別對應1～15點定位數(shù)據(jù)。

　　在伺服放大器上通過參數(shù)綁定，一一對應到伺服放大器輸出端子，然后通過調(diào)整輸出端子的邏輯值(0或者1)，進而改變AD3～AD0的數(shù)值，最后決定選取的定位數(shù)據(jù)編號。其中部分參數(shù)綁定信息。

　　例如：AD3～AD0分別對應1～15點定位數(shù)據(jù)，輸出端子分別選用PA3-9～PA3-12，設(shè)定值分別為60～63，

　2.2.2 參數(shù)編輯

　　通過參數(shù)編輯，改變定位數(shù)據(jù)編號，最終改變運行狀態(tài)和運行結(jié)束停止位置。參數(shù)編輯信息見表2。

　　例如：定位數(shù)據(jù)編號選擇01，此時AD3～AD0分別為0001

　　2.2.3 定位數(shù)據(jù)編輯

　　通過定位數(shù)據(jù)編輯，可以設(shè)置一組定位數(shù)據(jù)，包括相對位置/絕對位置，定位結(jié)束停止位置，運行速度(轉(zhuǎn)速)，加/減速時間和M代碼等。其中相對位置以上次運行結(jié)束坐標為參考系；絕對位置以原點為參考系。定位結(jié)束停止位置表示定位結(jié)束時候停止的位置，是數(shù)字量。運行速度表示運行過程中的轉(zhuǎn)速，單位是轉(zhuǎn)/分。加/減速時間表示從上次運行速度更新到設(shè)定速度變化所需要的時間，單位是0．1 ms。通過查詢M代碼可以查詢伺服系統(tǒng)運行的定位數(shù)據(jù)編號，設(shè)置值為00～FF。

　　例如：定位數(shù)據(jù)1：(絕對位置(ABS)，停止位置100000，轉(zhuǎn)速120轉(zhuǎn)/分，加減速時間都是0．1 ms，不輸出M代碼)

　　2.3 運行狀態(tài)圖

　　按照來自Modbus通信的指令，進行定位運行。定位結(jié)束[INP]ON時，設(shè)定要運行的定位數(shù)據(jù)編號，若將自動起動[START]ON(起動)則執(zhí)行相應定位數(shù)據(jù)編號的定位，具體運行狀態(tài)圖如圖5所示。由此可見，START信號是上升沿有效信號。

　　2.4 連續(xù)運行實現(xiàn)

　　系統(tǒng)可以設(shè)置1～15號定位數(shù)據(jù)持續(xù)運行，每次運行先要設(shè)定運行的定位數(shù)據(jù)編號，然后將自動起動[START]1 ON(起動)。但是，運行到最后一個定位數(shù)據(jù)編號結(jié)束之后，系統(tǒng)就會自動停止運動。

　　根據(jù)運行狀態(tài)圖，可以設(shè)置其他編號定位數(shù)據(jù)運行后不輸出M代碼。當最后一個定位數(shù)據(jù)運行完成后輸出一個M代碼。實時查詢M代碼，如果查詢到設(shè)定的M代碼，表明系統(tǒng)設(shè)定最后一個定位數(shù)據(jù)編號已經(jīng)執(zhí)行完成，然后立即通過軟件開啟START。由于[START]信號是上升沿有效信號，因此，每次將[START]ON之后，要置于OFF，方便下一次ON時有上升沿。

3 上位機軟件系統(tǒng)設(shè)計

　　上位機采用LabView 2010軟件編譯。當按下啟動按鈕，定位運行，此時定位指針指向設(shè)定初始定位數(shù)據(jù)編號，然后自動啟動信號[STA RT]置于ON，此時，系統(tǒng)開始運行；然后，將[SFART]置于OFF，方便下一次啟動。系統(tǒng)此時開始檢測是否有急停或者停止按鈕，如果有，就立即停止，如果沒有，就每隔300 ms查詢M代碼狀態(tài)。如果正好是設(shè)定的M代碼，就表明最后一個定位數(shù)據(jù)編號運行結(jié)束，將定位指針指向初始定位數(shù)據(jù)編號；如果不是設(shè)定的M代碼或者沒有M代碼輸出，就返回。

　　Labview軟件設(shè)計部分程序，設(shè)置波特率是9 600，偶校驗，停止位是1位。由于采用隊列操作，并且根據(jù)數(shù)據(jù)流小的特點，設(shè)置Modbus通信等待時間是150 ms，大大提高運算速度和程序效率。

4 結(jié)束語

　　文中介紹的基于Modbus RTU通信協(xié)議的伺服電機聯(lián)動控制系統(tǒng)，不僅通信可靠性高，運算速度快，實時性強，而且硬件結(jié)構(gòu)簡單。最大的創(chuàng)新之處在于根據(jù)伺服放大器功能和原理，進行巧妙的軟件設(shè)計，實現(xiàn)了系統(tǒng)連續(xù)運行的目的。此外，在復雜控制系統(tǒng)中利用此設(shè)計思路，能更加體現(xiàn)出設(shè)計優(yōu)勢，降低系統(tǒng)成本和復雜度，相信一定會被用到更多的工業(yè)現(xiàn)場。