天線平面近場掃描架控制系統設計

陳玉林

（上海電機學院機械學院，上海 201306）

0 引言

兩維運動平臺具有兩個沿正交方向的線性運動軸，其中Z軸整體安裝于X軸的滑臺之上。由于X軸和Z軸相互獨立，平臺運動學方程簡單，控制容易；因此兩維運動平臺在機床十字工作臺、直角坐標機器人、天線平面近場測量等領域得到廣泛應用。

兩維運動平臺可采用單片機、PLC或運動控制卡等作為主控制器，其在實現難易、功能復雜程度和多軸聯動控制等方面各不相同。在天線平面近場測量中，一方面要求圖1所示平面掃描架具有圖2所示路徑[1]，X軸和Z軸先后運動，無復雜的兩軸聯動控制要求；另一方面又需要進行大量的數據處理和良好的人機操作界面。因此本文作者采用計算機加PLC的主從式控制結構[2-3]。在該控制系統中，計算機作為上位機和人機交互的主要接口，負責處理數據、參數設定和狀態監控等；PLC作為下位機對天線掃描架進行運動控制。

圖1 天線平面掃描架

1 PLC通訊協議及參數設定

由于天線掃描架采用圖2所示運行路徑，其X軸和Z軸沒有聯動控制要求，考慮到其他I/O需求，采用三菱FX5U PLC作為掃描架的運動控制器。FX5U系列PLC除了具有比FX3U系列更快的處理速度和更多的控制軸數外，還具有內置的以太網端口，方便了PLC與其它設備間的信息交互[4]。通過以太網口和三菱通訊協議，計算機可直接解析協議幀或借助于MX組件完成對三菱FX5U PLC軟元件的訪問[5]。采用直接解析SLMP協議幀的方法來訪問PLC的軟元件進而實現對掃描架運動參數的設定和狀態監控。SLMP協議是用于外部設備（計算機或顯示器等）使用以太網對SLMP對應設備進行訪問的協議，其3E幀與三菱MC協議的QnA系列3E幀具有相同的報文格式，可以以ASCII或二進制代碼進行通信，以ASCII代碼進行通信時報文格式如表1和表2所示[6]。

圖2 掃描架運行路徑

表1 SLMP協議3E幀ASCII代碼通信請求報文格式

表2 響應報文格式

計算機通過SLMP協議與PLC通訊，以PLC作為服務器，需在GX Works3中針對以太網端口進行參數設置。根據需要將PLC IP地址設置為192.168.3.38，通信數據代碼設定為ASCII，在詳細設置中選擇以太網設備中的SLMP連接設備，并將其協議設置為TCP，端口號設置為8000。

采用SLMP協議可以訪問FX5U PLC中絕大多數軟元件，根據掃描架控制要求，確定PLC參數與軟元件如表3所示。SLMP協議以位或字為單位訪問PLC中的軟元件，因此在表3中需要兩個連續的D寄存器來存儲位置、速度之類的浮點數據。

表3 參數及軟元件分配

2 計算機程序設計

計算機對PLC軟元件的訪問是借用SLMP協議通過Vi?sual C++編程來實現的。計算機程序除了提供良好的人機操作界面，還具有掃描架運動參數設定和狀態監控的功能。對于浮點型和布爾型參數，計算機程序采用不同的指令和數據處理方法。

2.1 布爾型參數處理

對于掃描架運動啟動或停止這類控制操作，可采用批量寫入（讀取）或隨機寫入（讀取）位單位來直接訪問PLC中的M寄存器。以ASCII碼方式，批量寫入位單位來啟動X軸運動為例，其報文格式如表4所示，其中數據長度為其后所有內容的字節數，以十六進制表示，1401表征批量寫入指令，M*代表訪問PLC中M寄存器，訪問起始地址用6個字節表示，由于只訪問寄存器M100，因此點數用4個字節表示為0001，值1表示啟動X軸運動。

表4 批量寫入位單位報文

2.2 浮點型參數處理

掃描架的目標位置和速度等參數可采用32位浮點數來表示，而PLC內部為兩個連續的D寄存器。在SLMP協議中，沒有針對浮點數存取的專用語句，需將浮點轉換成對應的4個字節表示，然后再其三菱PLC浮點數表示格式寫入兩個D寄存器[7]。浮點數轉換為兩個D寄存器的函數為：

void FloatToDReg(float fInput,unsigned char*szDReg)

{

unsingned char szTemp[4];

char*pChar=(char*)&fInput;

for(int i=0;i＜sizeof(float);i++)

{

*szTemp=*pchar;

pchar++;

szTemp++;

}

sprintf(szDReg,"%02X%02X%02X%02X"，szTemp[1]，szTemp[0],szTemp[3],szTemp[2]);

}

例如，如果需將X軸目標位置設定為50.5mm處，則調用FloatToDReg函數得到D1004和D1005的值分別0000H和424AH，采用批量寫入字單位的報文如表5所示，其D*代表訪問PLC中D寄存器，訪問起始地址用6個字節表示，由于一個32位浮點數需用兩個D寄存器來表示，因此點數用4個字節表示為0002，值0000424A表示X軸目標位置設定為50.5 mm。

表5 批量寫入字單位報文

2.3 狀態監控

在掃描架控制系統中，上位機程序除了需要設定設備的運動參數，還需實時監控設備的運行狀態，獲取實時位置、速度等信息。設備的狀態監控在計算機程序中通過多線程技術來實現，以避免大量數據交換占用過多CPU時間，從而提高程序對用戶響應的靈敏性[8]。用戶界面線程作為主線程，能夠及時響應用戶操作，掃描架的狀態監控設計為工作線程，對設備狀態進行實時查詢。

3 計算機用戶界面

掃描架計算機控制程序用戶界面如圖3所示，具有PLC連接、斷開、軸運動參數設定、位置速度顯示、單軸啟動、停止、掃描架流程啟動、停止等功能。

4 結論

本文作者設計的天線掃描架控制系統采用主從式控制結構，充分發揮上下位機的控制優點。針對設備人機交互、參數設置和狀態監控的需求，設計計算機監控程序。通過分析三菱FX5U PLC的SLMP協議，實現對PLC布爾型和浮點型數據的讀寫，相比直接設定電機脈沖數更加直觀。經長時間實際運行證明，該控制系統具有友好的人機操作接口，控制效果良好。

圖3 掃描架用戶界面