現場總線運動控制模塊的設計及其在PLC系統中的應用

數控系統廣泛應用于現代制造加工業、機器人、電子機械、辦公設備等，是21世紀最有發展前景的技術之一。本文使用2個Cortex-M3內核單片機STM32進行G代碼解釋和電機運動控制，研發了極低成本的運動控制模塊,并通過PLC現場總線對多塊運動控制模塊進行全局管理控制，形成高效可靠的機床控制網絡。
1 運動控制模塊的研制
　　本設計中,運動控制模塊負責電機的驅動、多軸聯動、G代碼解釋等工作，是數控系統的“大腦”。因此運動控制器的性能直接關系到整個機床的性能。
1.1 總體結構
　　為實現高性能數控計算，系統采用雙MCU結構，主控MCU負責G代碼讀寫與解釋、人機界面、網絡通信等任務；NC運動控制MCU（即運動控制芯片）作為一個專用數字芯片，負責三軸電機的速度控制、定位、多軸直線和圓弧插補等任務，以保證運動控制模塊在完成復雜的工作時仍能提供良好的性能。運動控制模塊結構如圖1所示。

　　模塊采用SD卡作為G代碼文件的存儲器。SD卡具有大容量、小體積、支持熱插拔等特點，尤其是其兼容SPI總線讀寫，省去了主控制器作為USB盤讀寫的硬件，降低了成本。
　　運動控制模塊具有現場總線通信功能，支持RS-485和CAN總線2種現場總線物理層規范。以可靠性為設計原則，總線接口與主控制器進行了電氣隔離，并加入保護元件提高其抗瞬態干擾能力。圖2、圖3分別是模塊RS-485和CAN總線的隔離接口原理圖。其中使用了TI公司的高速數字隔離器ISO7221進行數字信號的電氣隔離，同時在接口端設置了瞬態抑制二極管（TVS管）進行保護，確保了硬件在各種環境下的可靠性。

1.2 Cortex-M3與STM32簡介
　　ARM Cortex-M3是一種基于ARM7架構的最新ARM嵌入式內核，它采用哈佛結構，使用分離的指令和數據總線(馮諾伊曼結構下,數據和指令共用1條總線）,在成本和功耗方面，Cortex-M3具有相當好的性能。
　　基于Cortex-M3核的STM32F103系列MCU,運行于最高72 MHz的總線頻率,可以獲得1.25 DMIPS/MHz的運算性能、單周期乘法指令、硬件除法器，帶有容量至少為32 KB的Flash及6 KB的SRAM、2個12位A/D、7通道DMA、6路16位定時器及PWM、SPI、I2C、USART、USB、CAN等高性能模塊，并具有最高18 MHz輸出頻率的高速GPIO。在電機和運動控制的應用中，可以充分發揮其先進內核的性能和豐富的模塊資源特性。
1.3 工作流程
　　運動控制器工作流程總體示意圖如圖4所示。

1.3.1 G代碼解碼
　　運動控制模塊接收到工作指令后，開始進行G代碼的解釋執行任務。G代碼存放在SD卡中，主控制器集成FAT文件系統，支持SD卡的文件讀寫。G代碼讀入后，逐行進行第一遍掃描(即指令預處理),期間將注釋、空格、非法字符去除，小寫字符轉換成大寫，以方便解碼程序進行識別。
經過預處理的G代碼指令逐行送入G代碼解碼程序，解釋程序再逐字檢查其是否為G代碼的指令字符，若是，則提取關鍵字的后續數值，作為該指令的操作數，將其提取出來。其中用到了ANSI C的標準庫函數sscanf( )(位于stdio.h中)，可以方便地提取字符串中指定的信息，支持類正則表達式的格式字符串，非常靈活。同時因為使用了ANSI C的標準庫函數，程序移植簡單。
以下是G代碼解碼程序的部分代碼：
/*遍歷整個s字符串，找到字符后，提取后續數字，并存入中間代碼中*/

　　其中,CurrentGMidCode是預定義的結構體變量，用于保存每行G代碼提取出來的指令及其操作數,結構如下：

　　提取到每行G代碼的關鍵信息后進行相關處理，計算出每行代碼的運動起止坐標,將其通過SPI總線發送至NC控制芯片，控制電機運動。
1.3.2 插補進給
　　電機的插補運算、加減速和進給控制，由一個獨立STM32微控制器完成,并稱為NC運動控制芯片。
　　目前市場上的運動控制芯片主要是日本和歐美公司的專用ASIC和各數控廠家自行開發的FPGA芯片，雖然性能優越,但價格不低。相對于使用ASIC芯片或FPGA芯片，完成同樣的任務使用MCU方案，硬件生產成本和開發成本均具有明顯優勢，當STM32微控制器運行在其最高頻率為72 MHz下時,性能完全可以滿足中低端數控系統應用的要求。
　　在三軸數控銑系統中，NC運動控制芯片需要實現三軸快速定位、二軸直線插補、二軸圓弧插補、三軸直線插補的功能。
　　插補是在組成軌跡的直線段或曲線段的起點和終點之間，按一定的算法進行數據點的密化工作，以確定一些中間點，從而為軌跡控制的每一步提供逼近目標。在本控制器中，選用逐點比較法作為基本的插補算法，具有算法簡單高效、進給速度均勻的特點，同時支持三軸的直線插補[1]，滿足本控制器對插補算法的要求。
　　逐點比較直線插補，就是執行機構每走一步都要和給定運動軌跡上相應的坐標值相比較，比較的結果稱為偏差函數F，根據偏差的正、負決定下一步的進給方向。實質上這是一種用階梯折線來逼近直線的一種算法，它與規定運動軌跡之間的最大誤差為1個脈沖當量(每走1步移動的距離)。因此，只要把脈沖當量設計得足夠小，就可以達到運動精度的要求[2]。
1.4 Modbus-RTU協議的實現
　　Modbus-RTU是Modicon公司開發的一種通信協議。它采用主從應答方式工作,其規范已公布在互聯網上，是一種在工業領域被廣為應用的真正開放的標準網絡通信協議。由于它具有免收許可費用，易于集成不同的設備、簡單易用、開發成本低、有著廣泛的知識資源支持等特點，已經成為一種公認的通用工業標準。有了這個標準，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。Modbus PTU協議有2種傳輸模式：RTU模式和ASCII模式。其中RTU模式信息幀中的8 bit數據包括2個4 bit十六進制字符，相對于ASCII模式，RTU模式表達相同的信息需要較少的位數，且在相同通信速率下具有更大的數據流量。因此通常情況下，一般工業智能儀器儀表都是采用RTU模式的Modbus規約。
　　Modbus-RTU協議以幀為通信的基本單位,幀格式為：地址碼1 B;功能碼1 B;數據區N B;錯誤校驗2 B CRC碼。
　　本運動控制器在其RS-485接口上實現了Modbus-RTU協議，使用了當今流行的免費開源協議棧FreeModbus-RTU，從而保證了可靠的通信、節約了開發成本。
　　FreeModbus是針對通用的Modbus協議棧在嵌入式系統中應用的實現，其遵循BSD開放源代碼協議，并可以免費用于商業用途，成熟可靠。移植FreeModbus到STM32處理器只需要少量資源，除了1個雙工USART外，只需要配置1個定時器進行超時判斷即可。
2 基于C200HE型PLC的運動控制網絡實驗平臺設計
2.1網絡結構
　　歐姆龍(OMRON)公司的C200HE-CPU42型PLC帶有RS-232口和通信板。通信板支持各種通信協議，如上位鏈接、RS-232通信、1:1鏈接、NT鏈接(1:1、1:N)以及協議宏功能等,并能根據需要進行切換。通過協議宏功能，用PMCR指令，通過指定按標準設置的順序，就能設置成Modbus協議。
　　運動控制系統的網絡結構體系分為3個層次：管理層、控制層和器件層,如圖5所示。

　　(1) 管理層:是最高層，負責系統的管理與決策。其中PLC是整個控制網絡的核心，它作為Modbus網絡的主設備，通過Modbus網絡與各運動控制器之間傳輸生產管理信息、質量管理信息及CNC的運行情況等數據。上位計算機運行組態軟件,通過RS-232串行通信口與PLC通信，實時監控系統的運行。
　　(2) 控制層:是整個網絡系統的中間層,各運動控制模塊掛接在Modbus網絡上成為其從節點,負責下面CNC運行過程的監控、協調和優化。
　　(3) 器件層:雕刻機是整個網絡的最低層，是現場總線網絡中直接面對現場的器件和設備，為網絡的終端執行機構。
2.2 用協議宏功能實現Modbus協議
　　在協議宏軟件CX-Protocol上創建工程，選擇正確的設備名稱、型號及網絡類型。然后創建通信序列和接收序列，并下載到PLC通信板中。在PLC中編寫程序，用PMCR指令調用指定的通信序列，實現與運動控制模塊的通信。通信協議宏主要由發送/接收數據程序構成,每個通信協議最多包含0~999個發送/接收數據程序，每個發送/接收程序最多由16步構成。協議宏結構如圖6所示[3]。

2.2.1創建通信序列
　　將通信序列號設為“000”,在通信序列中要設置PLC與通信板鏈接字、傳輸控制參數、響應接收方式、數據接收監控時間、數據接收完成監控時間、數據發送完成監控時間等內容。
　　(1) 創建通信步(Step)
　　在通信序列“000”中創建Step00和Step01 2個通信步。Step00用于控制運動控制模塊的運行，Step01用于查詢運行狀態。在每一個通信步中包括步號(Step)、重復計數器(Repeat)、命令(Command)、重試次數(Retry)、發送信息(Send Message)、接收信息(Recv Message)、是否響應(Response)、出錯處理方式(Error)等內容。
　　(2)創建發送和接收信息
　　發送信息與接收信息必須嚴格按照Modbus協議格式編寫，需要設置校驗碼（Check Code）、數據長度（Length）、地址（Address）和數據（Data）等信息。
　　(3)創建接收陣列
　　PLC向運動控制模塊發送指令時，模塊可能返回運行正常或錯誤響應信息，在接收數據時，使用陣列的形式加以區分。系統創建了2種可能接收的信息“Run Normal”和“Error”，并針對每一種情況設定不同的處理方法(Next Process)，用于可能出現的各種響應信息的處理。
2.2.2? 通信實現
　　(1) 通信設置
　　PLC的通信參數設定必須與運動控制模塊的參數一致。對通信板上的開關做調整時，設SW1置于ON側，使用RS-485方式；SW2設定為ON，接入120 Ω的終端電阻；設定通信板端口A為通信協議宏方式。
　　(2) 編寫通信程序
　　通信協議宏的調用程序段如圖7所示,圖中:289.08為通信板端口A操作標志,當289.08為OFF時，表示可以使用端口A進行通信。通信過程中289.08置為ON，通信結束后，289.08置為OFF狀態;當2.00由OFF變為ON、且289.08為OFF時，調用通信板上的通信序列，通過端口A發送和接收數據。通信序列號、發送和接收數據的存放區由PMCR指令的3個操作數指定,其梯形圖見圖7。

　　使用2片32位高性能單片機組成雙核系統實現運動控制模塊的功能，兼顧了性能和價格。同時因為使用了ANSI C的標準庫函數，程序移植性好，數控解釋程序中的關鍵技術G代碼解釋器的開發難度大大降低。在運動控制模塊中移植Modbus協議，從而使其能簡單地與PLC系統組成運動控制網絡。采用歐姆龍通信協議宏實現控制多臺運動控制模塊，簡化了現場布線，達到了設計要求，取得了很好的效果。