MODBUS/TCP協(xié)議下多軸直線電機(jī)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)

MODBUS/TCP協(xié)議下多軸直線電機(jī)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(jì)了多軸直線電機(jī)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，闡述了直線電機(jī)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(shí)現(xiàn)方法。人機(jī)界面(HMI)通過以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)動(dòng)平臺的運(yùn)動(dòng)控制和狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)獲取，得出運(yùn)動(dòng)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(jī)；MODBUS/TCP協(xié)議；運(yùn)動(dòng)控制

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有價(jià)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(diǎn)，已成為最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一。新一代工業(yè)自動(dòng)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(gè)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(dòng)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(jī)在精密驅(qū)動(dòng)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(jì)

平板顯示屏自動(dòng)光學(xué)檢測系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平臺需要兩個(gè)直線電機(jī)作同步進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，要求運(yùn)動(dòng)過程具有高定位精度、高速度、高可靠性。運(yùn)動(dòng)平臺的系統(tǒng)框圖如圖1所示。包括人機(jī)界面(HMI)、運(yùn)動(dòng)控制器(MP2300S)、直線伺服單元(伺服驅(qū)動(dòng)器SGDV1R6A15A和直線電機(jī))三個(gè)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(jì)的小型機(jī)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(kuò)展MEMOBUS協(xié)議、MODBUS/TCP協(xié)議等。當(dāng)使用MOBUS/TCP協(xié)議時(shí)，最大通信量為：寫入100W，讀出125W。

直線伺服單元包括兩個(gè)主要部分：MECHATROLINK-II通信指令型直線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(SGDV-1R6A15A)和SGLGW型直線伺服電機(jī)(動(dòng)子SGLGW-40A253CP，定子SGLGM-40450CT)。SGDV型直線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，以最大傳送速度10Mbps和可設(shè)定的通信周期250us-4ms，實(shí)現(xiàn)了最多30站的高速控制和高精度的運(yùn)動(dòng)控制，除了轉(zhuǎn)矩、位置和速度控制外，還可以實(shí)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)械動(dòng)作。SGLGW型直線伺服電機(jī)，使機(jī)械進(jìn)給機(jī)構(gòu)直接化，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械的高速、高精度定位，實(shí)現(xiàn)無吸引力、低噪音化以及導(dǎo)軌的長效化，同時(shí)由于無齒槽效應(yīng)，有利于低推力脈動(dòng)化。

系統(tǒng)控制包括兩個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)流。第一個(gè)是工作流程，人機(jī)界面(工業(yè)平板電腦)與運(yùn)動(dòng)控制器之間通過交換機(jī)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(shí)現(xiàn)對直線電機(jī)的速度控制和位置控制。第二個(gè)是配置流程，安裝有MPE720軟件的現(xiàn)場電腦，通過交換機(jī)，可直接與MP2300S進(jìn)行通信，進(jìn)而實(shí)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(yùn)動(dòng)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(bào)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(jī)/服務(wù)器通信。

MODBUS是一個(gè)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(yùn)行在TCP/IP上的MODBUS報(bào)文傳輸協(xié)議，MODBUS報(bào)文傳輸服務(wù)提供設(shè)備之間的客戶機(jī)/服務(wù)器通信，這些設(shè)備連接在一個(gè)Ethernet TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上。這個(gè)客戶機(jī)服務(wù)器模式是基于四種類型報(bào)文：MODBUS請求、MODBUS指示、MODBUS響應(yīng)、MODBUS證實(shí)。如圖2所示。

圖2 MODBUS協(xié)議模式

MODBUS請求是客戶機(jī)在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送用來啟動(dòng)事務(wù)處理的報(bào)文。

MODBUS指示是服務(wù)器接收的請求報(bào)文。

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

MODBUS證實(shí)是客戶機(jī)接收的響應(yīng)信息。

MODBUS協(xié)議定義了一個(gè)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(bào)文幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MODBUS/TCP報(bào)文幀結(jié)構(gòu)

MBAP報(bào)文頭(Modbus Application Protocol

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

MBAP報(bào)文頭長度為7個(gè)字節(jié)。報(bào)文頭格式如圖4所示。

圖4 MBAP報(bào)文頭格式

事務(wù)處理標(biāo)識符(2個(gè)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(shí)刻，這種標(biāo)識符必須是唯一的。

協(xié)議標(biāo)識符(2個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)MODBUS單元標(biāo)識符是沒用的，必須使用值0xFF。

啟動(dòng)MODBUS事務(wù)處理的客戶機(jī)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(gè)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(shí)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(jī)界面，可通過界面上的按鈕完成直線電機(jī)的速度控制和位置控制，同時(shí)實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)平臺的狀態(tài)信息和電機(jī)運(yùn)行信息。使用BSD套接字通信接口，實(shí)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(shí)際使用工業(yè)平板電腦作為上位機(jī)，主要完成三個(gè)功能：

(1)構(gòu)建人機(jī)界面(HMI)，通過HMI按鈕實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)平臺的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)平臺的運(yùn)行控制；

(3)通過MODBUS/TCP協(xié)議，實(shí)時(shí)查詢運(yùn)動(dòng)平臺的運(yùn)行信息，特別是警告與警報(bào)信息。

MP2300S中的信息接收函數(shù)MSG-RCV自動(dòng)執(zhí)行服務(wù)器側(cè)的順序動(dòng)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(gè)協(xié)議類型。

當(dāng)客戶機(jī)(HMI)與服務(wù)器(MP2300S)通信連接建立以后，就可以發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制指令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。通過設(shè)置定時(shí)器(300ms)，可以發(fā)送運(yùn)動(dòng)狀態(tài)查詢指令，實(shí)時(shí)查詢運(yùn)動(dòng)平臺的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置信息。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)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(shí)，只需向指定的寄存器寫入指令碼。指令碼共12字節(jié)(6個(gè)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(dòng)模式(對應(yīng)的控制碼為0x00)，開始運(yùn)行(對應(yīng)的控制指令為0x01)時(shí)，忽略軸位置控制信息。此時(shí)的MODBUS完整請求報(bào)文實(shí)例如表2所示。

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

運(yùn)動(dòng)平臺的運(yùn)行狀態(tài)和位置信息存儲(chǔ)在以MW00100開始的8個(gè)連續(xù)寄存器中，其中MW00100-MW00103為兩個(gè)直線電機(jī)的絕對位置(相對于原點(diǎn))。查詢狀態(tài)和位置信息的MODBUS完整請求報(bào)文如表4所示。

當(dāng)MP2300S收到指令并正確響應(yīng)時(shí)，會(huì)返回MW00100-MW00108所有寄存器的當(dāng)前值。返回的MODBUS/TCP響應(yīng)報(bào)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(jì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的首選。直線電機(jī)作為一種新型進(jìn)給傳動(dòng)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(jī)控制系統(tǒng)，既實(shí)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(dòng)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(yùn)行距離200時(shí)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(shí)際的定位精度不超過0.002/175000。同時(shí)由于以太網(wǎng)的使用，使系統(tǒng)實(shí)際具備了遠(yuǎn)程控制功能。

[1] 鄭魁敬，高建設(shè).運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)及工程實(shí)踐[M].北京:中國電力出版社，2009:10.

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

[3] 孫培德.現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(xiàng)(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