一種直線伺服機構遠程控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)

摘" 要：針對底層設備的無線通信需求，該文給出一種直線伺服機構遠程控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)方法。在構建PLC與伺服機構遠程通信系統(tǒng)的基礎上，應用Visual Studio整合Xamarin技術開發(fā)手機客戶端，基于梯形圖方法編寫PLC與伺服驅(qū)動器的通信程序，實現(xiàn)手機App對伺服機構的遠程使能、方向與速度控制等功能。實際應用表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)伺服機構的遠程控制，拓展手機App的應用領域，實現(xiàn)工業(yè)控制與移動應用的深度融合，具有較強的市場應用價值與推廣意義。

關鍵詞：遠程控制;無線通信;客戶端;伺服使能;應用程序開發(fā);系統(tǒng)設計

中圖分類號：TP273" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0123-04

Abstract： According to the wireless communication requirements of the underlying equipment， this paper presents a design and development method of the remote control system of linear servo mechanism. On the basis of constructing the remote communication system between PLC and servo mechanism， the mobile phone client is developed by integrating Xamarin technology with Visual Studio， and the communication program between PLC and servo driver is written based on the ladder diagram method. The functions of remote enabling， direction and speed control of servo mechanism by mobile phone App are realized. The practical application shows that the system can realize the remote control of servo mechanism， expand the application field of mobile phone App， realize the deep integration of industrial control and mobile application， and has strong market application value and popularizing significance.

Keywords： remote control; wireless communication; client; servo-ON; application development; system design

作為移動通信客戶端的智能手機已成為生活中不可或缺的重要生活用品。目前手機App主要用于商業(yè)、社交、教育和公共服務等場合，但工業(yè)應用較為少見。隨著Visual Studio軟件平臺功能的豐富，Xamarin讓Visual Studio開發(fā)者可以直接創(chuàng)建手機App應用，為移動客戶端與PLC等底層控制設備通信控制提供了便利。此外隨著串口無線通信產(chǎn)品的出現(xiàn)為RS485遠程無線控制提供了可能，基于此構建了采用LORA無線透傳模塊的遠程串行通信系統(tǒng)。在手機與PLC無線WIFI通信、PLC對直線伺服機構控制的基礎上，最終實現(xiàn)了手機APP對伺服機構的遠程控制。

1" 系統(tǒng)開發(fā)

1.1" 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)設計時考慮到通信協(xié)議兼容性與安全操作等多種因素，手機與伺服驅(qū)動器未采用直接通信方式。為了實現(xiàn)手機對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的遠程控制，通過增設FX5U PLC作為中間控制器，實現(xiàn)無線WIFI到RS485通信的轉(zhuǎn)換，基于此構建了如圖1所示的通信系統(tǒng)。其中PLC與路由器直連，接受手機客戶端指令，并根據(jù)指令的不同向直線伺服機構發(fā)送不同的控制信息，包括伺服使能、正負向點動、增量運動與速度切換等。為了減少設備連線、增大通信距離，PLC與伺服驅(qū)動器的RS485通信口分別接至一對無線串口透傳模塊，雙方通信距離最遠可達3 km。

1.2" 手機客戶端應用程序開發(fā)

借助于Xamarin.Android，Visual Studio開發(fā)者應用C#.NET編程語言可以直接創(chuàng)建手機App應用，為移動客戶端與PLC控制設備通信提供了便利[1-2]。手機與PLC基于Socket TCP通信，其中手機側(cè)應用開發(fā)要完成：用戶界面視圖設計、后臺邏輯調(diào)用與編程及App應用發(fā)布等任務。

1.2.1" 手機客戶端用戶界面設計

運行Visual Studio軟件新建Android項目后，在右側(cè)解決方案Resources-gt;layout文件夾中可以找到activity_main.axml文件，雙擊后打開App的屏幕布局設計，為了執(zhí)行控件拖拽操作，應將默認布局lt;RelativeLayoutgt;標記更改為lt;LinearLayoutgt;，并將屬性android：orientation=“vertical”添加到LinearLayout開始標記。為了實現(xiàn)用戶登錄或注冊操作，需添加輸入文字的“用戶名”與“密碼”控件（EditText），并在下方插入“登錄”“注冊”按鈕控件（Button）。考慮到操作權限管理要求，還設計了“用戶注冊”“通信連接”與“運動控制”等用戶界面，其中“運動控制”界面如圖2所示。

1.2.2" 手機客戶端通信程序設計

activity_main.axml文件為用戶登錄的主頁面，Activity（活動）文件MainActivity.cs為其后臺頁面，也是實現(xiàn)邏輯操作與邏輯調(diào)用的地方，是一個可以讓屏幕提供用戶交互動作的程序。其核心代碼如下：

[Activity（MainLauncher = true）]

public class MainActivity ： Activity

{" "…

protected override void OnCreate（Bundle savedInstanceState）

{

base.OnCreate（savedInstanceState）;

SetContentView（Resource.Layout.activity_main）;

txtUsername = FindViewByIdlt;EditTextgt;（Resource.Id.txtusername）;

…

//調(diào)用用戶注冊單擊后調(diào)用SignUp.cs文件

btnCreate.Click += delegate { StartActivity（typeof（SignUp））; };

//響應用戶“登錄”單擊事件

btnSignIn.Click += delegate

{" "…

//調(diào)用通信連接程序Connect.cs

StartActivity（typeof（Connect））;

};

}

}

第一行程序[Activity（MainLauncher=true）]將MainLauncher置true說明以上代碼實現(xiàn)的是主窗體，也是程序運行的入口點，該屬性在項目中只能給一次。MainActivity活動繼承于Activity，OnCreate是其繼承的第一個方法，相當于構造函數(shù)，通過調(diào)用SetContentView（Resource.Layout.activity_main）來控制導入activity_main.axml頁面視圖，調(diào)用FindViewById獲取布局文件中用戶輸入的文本內(nèi)容，并用委托（delegate）方法實現(xiàn)了“登錄”“注冊”按鈕響應事件。如果注冊新用戶需調(diào)用用戶注冊（SignUp.cs）程序;對于已經(jīng)注冊的用戶可以直接輸入用戶名、密碼后點擊“登錄”按鈕，登錄成功后將執(zhí)行通信連接（Connect.cs）程序。

用戶在通信連接界面輸入PLC服務器的IP地址與端口號，進行連接操作;連接成功后顯示運動控制界面，可以執(zhí)行上使能、下使能、增量運動與點動控制等，以“上使能”控制為例，定義控制字符串s為“1”，接著調(diào)用Encoding.ASCII.GetBytes（s）函數(shù)將字符串轉(zhuǎn)換為byte數(shù)組并執(zhí)行發(fā)送（Write）操作。例程如下：

btnEnable.Click += delegate

{//上使能

stream = client.GetStream（）;

String s = \"1\";

byte[] message = Encoding.ASCII.GetBytes（s）;

stream.Write（message， 0， message.Length）;

};

程序調(diào)試運行正常后需要發(fā)布生成手機Apk文件，限于篇幅不再贅述，詳見文獻[3]。

1.3" PLC通信設置與編程

三菱FX5U PLC既是Socket TCP通信中的服務端（Server），接受手機客戶端的通信指令;另外還作為Modbus RTU主站與伺服驅(qū)動器以無線串口方式進行RS485通信，PLC側(cè)的設計主要包括通信設置與通信編程2方面。

1.3.1" FX5U PLC通信設置

1）以太網(wǎng)通信設置。由GX WORK3“導航”進入，逐級展開，參數(shù)-gt;FX5U CPU-gt;模塊參數(shù)-gt;以太網(wǎng)端口，完成基本設置。首先完成“自節(jié)點設置”，包括IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認網(wǎng)關，通信數(shù)據(jù)代碼設為“二進制”，接著完成“對象設備連接配置設置”[4]。雙擊“詳細設置”，然后從右側(cè)“模塊一覽”中選擇“以太網(wǎng)設備（通用）”中的“Unpassive連接設備”，并將之拖放到下方連接網(wǎng)絡中（連接號為1）;然后在上方設置當前連接的通信參數(shù)，通信手段選擇“Socket通信”，協(xié)議為“TCP”，分別設置PLC側(cè)的IP地址（192.168.0.102）、端口號（4001），為了能夠同時接受2個客戶端的連接，可繼續(xù)添加連接2，除端口號外其余設置與連接1相同，完成后點擊上方“反映設置并關閉”以保存當前網(wǎng)絡配置，如圖3（a）所示。

2）RS485串行通信設置。同樣由GX WORK3“導航”進入并逐級展開，參數(shù)-gt;FX5U CPU-gt;模塊參數(shù)-gt;485串口-gt;基本設置，協(xié)議格式為MODBUS_RTU通信，“詳細設置”包括，通信波特率9 600 bps，停止位1位，奇校驗（ODD），通信參數(shù)需與伺服驅(qū)動器側(cè)相一致，如圖3（b）所示。“固有設置”中主要設置本站號（主站設為0）、從站支持超時時間、廣播延時及重試次數(shù)等[5]。

1.3.2" FX5U PLC通信編程

當手機客戶端發(fā)送連接指令與服務端建立通信連接時，以連接號1為例，服務端FX5U PLC開放結(jié)束信號軟元件SD10680.0的常開觸點將閉合。PLC接收到客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)時，接收狀態(tài)信號軟元件SD10682.0常開觸點將瞬時閉合，從而執(zhí)行SP.SOCRCV指令（圖4）。SP.SOCRCV指令有5個參數(shù)[6]，分別為虛擬參數(shù)U0、通信連接編號K1、控制數(shù)據(jù)的軟元件起始編號D4000、存儲接收數(shù)據(jù)的軟元件起始編號D500與指令執(zhí)行結(jié)束時軟元件編號M400。因此只要讀取并解析第4個參數(shù)即可。考慮到D500為參數(shù)4的首址，存儲的是接收數(shù)據(jù)的長度，真正接收到的第1個數(shù)據(jù)存儲在D501開始的地址內(nèi)，因此需讀取D501并與D100（0xFF）執(zhí)行“與操作”（WAND），屏蔽高8位、得到低8位，并存放于數(shù)據(jù)寄存器D102;然后通過與數(shù)值0～9、A的ASCII碼比較，解析得到具體功能，例如，D102為0x31（1的ASCII碼）時，程序置位M1，接著調(diào)用ADPRW指令將常數(shù)1寫入伺服驅(qū)動器Modbus通信地址0x512，用于控制伺服驅(qū)動器數(shù)字輸入接點DI01狀態(tài)[7]，完成后將執(zhí)行伺服使能動作，伺服點動、增量運動等功能的實現(xiàn)與此類似，不再贅述。

1.4" 無線透傳收發(fā)模塊的通信設置

為了實現(xiàn)遠距離無線通信，系統(tǒng)中將PLC與伺服驅(qū)動器分別連至RS232485-LORA無線透傳模塊，在數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)時，與PLC相連的LORA模塊將從RS485串口收到的設備數(shù)據(jù)直接從空中發(fā)送出去，再將空中接收到的數(shù)據(jù)從RS485串口直接發(fā)送給PLC，模塊工作頻段范圍為410～525 MHz[8]。在模塊使用前需要使用串口調(diào)試工具設置串口通信參數(shù)，確保模塊通信參數(shù)與伺服驅(qū)動器、PLC側(cè)的RS485通信參數(shù)一致，如圖5所示。

2" 結(jié)束語

文中通信客戶端并不局限于手機，平板電腦、臺式計算機、筆記本電腦等也是較好的選擇。若采用臺式機或筆記本電腦，則可應用C#開發(fā)窗體監(jiān)控程序。位于中間處理環(huán)節(jié)的PLC控制器既可選用國際知名品牌，如三菱、西門子、施耐德，也可選擇國產(chǎn)品牌匯川、信捷等，選擇的依據(jù)是具有TCP網(wǎng)絡通信與MODBUS RTU通信功能。被控對象既可是直線伺服機構，也可以是旋轉(zhuǎn)伺服、變頻器、步進驅(qū)動器等支持總線通信的運動控制系統(tǒng)。綜上所述，該系統(tǒng)設計與開發(fā)方法均有較強的通用性，值得借鑒與推廣。

參考文獻：

[1] 邱月，郭佳，黃俊.基于Xamarin的智慧城市跨平臺移動終端的設計與實現(xiàn)[J]，現(xiàn)代測繪，2021，44（1）：55-59.

[2] 尹孟征.淺析幾種APP開發(fā)平臺[J].通信電源技術，2016，33（4）：158-159.

[3] 米修兒.VS2019 C#開發(fā)手機App環(huán)境配置和開發(fā)[EB/OL].https：//www.dianyuan.com/eestar/article-1284.html.

[4] MELSEC iQ-F FX5用戶手冊（以太網(wǎng)通信篇）[M/CD].三菱電機自動化（中國）有限公司，2021.

[5] MELSEC iQ-F FX5用戶手冊（MODBUS通信篇）[M/CD].三菱電機自動化（中國）有限公司，2019.

[6] MELSEC iQ-F FX5編程手冊（程序設計篇）[M/CD].三菱電機自動化（中國）有限公司，2020.

[7] 直線電機驅(qū)動器手冊[M/CD].東日精工，2021.

[8] RS232/485-LORA-T產(chǎn)品手冊[M/CD].艾莫迅自動化科技有限公司，2022.