PLC與伺服放大器的串行通信設計＊

喻偉闖，羅曉曙，楊春慧

(廣西師范大學 電子工程學院，廣西 桂林 541004)

PLC具有功能強、可靠性高、操作方便、編程簡單等優點，在工業控制中應用廣泛，常見的有開關量控制和模擬量控制。雖然PLC具有串口，但通常僅用來與上位機通信[1]。在PLC通信擴展口插入通信功能擴展板后，可以方便地實現PLC與其他智能設備間的數據傳輸，從而使其應用范圍進一步擴大。

ED系列伺服放大器屬于Kinco伺服中的智能型全數字伺服驅動系統，提供速度、位置和力矩的全數字化控制。 ED 系列伺服具有 RS232C、RS485、CANopen、Profibus DP等多種通信方式，利用其開放的協議，PLC、PC、單片機或其他控制器可以自由地完成ED伺服放大器內部參數設置和運動曲線的控制[2]。

觸摸屏是一種智能化操作部件，是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。它可以顯示設備運行狀況和運行參數，還可以隨時修改設備運行模式、設定運行參數[3]。

本設計基于光纖連接器研磨機控制系統設計中根據工業現場要求實時修改伺服放大器中目標位置參數的需要，將PLC、伺服放大器和觸摸屏三者功能集于一體，既簡化了系統結構，又便于工人操作。

1 PLC與伺服放大器的串行通信原理

PLC與外部設備間的串行通信廣泛使用RS-232C、RS-422A、RS485等接口。RS-232C的電氣接口采用單端驅動、單端接收的電路，抗干擾能力差、傳輸速率低、傳輸距離短。RS-422/RS-485采用平衡驅動、差分接收電路，抗干擾能力強、傳輸速率高、傳輸距離長[4]。本設計選用RS-485通信方式。

1.1通信系統組成結構

在PLC的通信擴展口上插入通信功能擴展板FX2N-485-BD，能夠使其與 ED200的 RS-485總線口進行RS-485通信，實現PLC對伺服放大器的通信控制。PLC最多可以與15個ED200進行通信，每一個ED200都有一個唯一的地址號(ID號)，ID號通過伺服放大器上的 DIP開關 S0、S1、S2、S3的組合來設定。

1.2 RS-485傳輸協議與數據協議

ED200支持兩線(半雙工)和四線(全雙工)的 RS-485通信。ED200的RS-485通信遵循嚴格的主從站協議。上位機能將數據傳送給總線上的每個ED200，設定ID號的放大器在計算這些數據后，返回一個應答。網絡上同一時刻只能有一個設備(上位機和從站)發送數據[2]。傳輸協議采用固定的10字節格式，其定義如下：

ID為伺服放大器的地址號，中間8 B為傳輸的數據(data)，校驗碼 CHKS取 0-(byte0+…+byte8)計算結果的后兩位。PLC向伺服放大器傳送數據時，傳輸協議的10個字節兩兩整合成一個字存放在PLC的5個數據寄存器中，然后通過串行通信指令進行數據傳輸。

數據協議不同于傳輸協議，其內容是傳輸協議10個字節的中間8個字節數據的內容，數據協議定義如下：

CMD指定數據傳輸的方向和數據大小。INDEX和SUBINDEX分別為發送對象的索引地址和子地址。DATA為4個字節的發送數據，發送時低位在前高位在后。

2 PLC與伺服放大器的串行通信系統設計

PLC與伺服放大器的串行通信系統由觸摸屏、PLC和ED200伺服放大器三部分組成。

2.1系統的硬件結構

本設計選用三菱FX2N系列PLC、FX2N-485-BD通信擴展模塊、步科公司ED200伺服放大器以及GOT1000系列觸摸屏。研磨機伺服控制部分有三個軸的伺服放大器，分別控 制 A-axis、X-axis 和 Y-axis伺服電機的轉動。3個軸的通信方式類似，PLC與3個軸伺服放大器間RS-485通信的硬件接線圖如圖1所示。

2.2系統的軟件實現

FX2N系列PLC與伺服放大器間的RS-485通信格式由特殊寄存器D8120的內容決定，通信格式的位及其意義如表 1所示[5-6]。

本設計采用PLC梯形圖順序編程的方法。PLC與Y-axis伺服放大器間RS-485通信的部分梯形圖如圖2所示。寄存器D8120設置為 H0C81(二進制數 0000110010000001)， 其通信格式為：16位數據模式、無協議通信、無起始字符、無結束字符、傳輸速率為9 600 b/s、無停止位、無奇偶校驗、數據長度為8位。M8161為8/16位轉換標志，程序運行時M8161一直處于OFF狀態。

圖1 PLC與伺服放大器間RS-485通信的硬件接線圖

根據ED200伺服放大器RS-485通信傳輸協議要求，必須將傳輸協議的10個字節兩兩整合成一個字存放在PLC的5個數據寄存器中，然后才能通過串行通信指令進行數據傳輸。數據整合階段將寄存器D200中的數值高、低字節分別與 D10、D11組合，以及 D14中的CHKS值與D214中的初始值的整合，數據整合用到SMOV移位傳送指令，該指令在M8168為ON時不需要將源數據的BIN碼進行BCD轉換，而是照原樣以4位為單位進行位移動。

表1 D8120通信格式的位及其意義

傳輸數據的地址及字節數用RS串行通信指令設定。RS指令的驅動輸入開關X1為ON時，激發RS指令。在X2的上升沿，將要發送的5個數據傳送到RS指定的發送緩沖區D210～D214。校驗碼指令CCD對數據區D210～D213中的8 B數據做求和運算，運算結果送至寄存器D12，根據協議規定，取其補碼存入D14作為CHKS值。SET指令將發送請求標志M8122置位，并開始發送數據，當數據發送完畢M8122自動復位。

圖2 PLC與Y-axis伺服放大器串行通信的部分梯形圖

3人機操作界面

要修改的目標位置值從觸摸屏的數據輸入窗口輸入，首先存入PLC的數據寄存器D200。PLC再與伺服放大器進行通信，將D200中的數據傳遞給伺服放大器，這樣便可以通過觸摸屏對伺服放大器中相應對象的目標位置值間接進行修改。圖3為將Y-axis目標位置值修改為8009 inc時的人機界面及ED200相應程序段目標位置值自動修改的界面。

圖3 人機界面及ED200目標位置修改值界面

本文對三菱FX2N系列PLC與伺服放大器ED200之間的RS-485通信技術進行了研究，通過PLC可以實現對多個伺服放大器的通信控制。通信程序采用梯形圖編寫，靈活方便。該設計方案在研磨機伺服控制系統中得到了應用，利用觸摸屏可以方便地對研磨機3個軸的目標位置進行實時修改。測試結果表明，PLC與伺服放大器間的RS-485通信技術可以實現工業設備參數的現場修改，系統運行穩定、操作方便、抗干擾能力強，具有一定的推廣和應用價值。

[1]孟祥霓，白霄麗.PLC與變頻器的串行通訊設計[J].信息技 術 ，2005(9)：99-100.

[2]上海步科電氣有限公司.Kinco伺服驅動器使用手冊[M].2008.

[3]岳慶來.變頻器、可編程控制器及觸摸屏綜合應用技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4]李建興.可編程控制器應用技術[M].北京：機械工業出版社，2004.

[5]廖常初.FX系列PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2005.

[6]劉守操，劉彥鵬，張雷剛.可編程控制器技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[7]王阿根.電氣可編程控制原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2007.