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(dāng)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(dāng)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(dāng)前位置。但僅在son信號接通時的上升沿開始傳輸當(dāng)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(dāng)前絕對位置。伺服電機的當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(kuò)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(dāng)plc主系統(tǒng)通過通訊方式獲得伺服電機當(dāng)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(kuò)展特殊模塊fx2n-4da模擬量輸出模塊，其輸出為0到正負(fù)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(jìn)行通信，讀取伺服電機的當(dāng)前絕對位置。當(dāng)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(biāo)位置。當(dāng)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(fù)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(jìn)行通訊，隨時讀取伺服電機的當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(fù)了。當(dāng)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(dāng)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。
（3）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(jìn)行串行通訊。其通訊協(xié)議可根據(jù)所要與其進(jìn)行通訊的設(shè)備的通訊協(xié)議進(jìn)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(dāng)b7-b4=1001時，對應(yīng)的傳輸波特率為19200
bps；當(dāng)b3=0時，對應(yīng)停止位為1位；當(dāng)b2b1=11時，對應(yīng)奇偶校驗為偶校驗；當(dāng)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(biāo)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(biāo)志m8122置位，發(fā)送完成后自動復(fù)位。在程序段e，當(dāng)接收完成時，接收完成標(biāo)志m8123置1，將接收到的數(shù)據(jù)送到d30—d43中，并同時將m8123復(fù)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(jìn)制數(shù)據(jù),最后將位置數(shù)據(jù)送入d50。
圖4 通訊程序
（3）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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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。