设计和优化电火花控制系统

陈　凯

摘要:本文提出了一套基于Modbus协议的总线控制系统,分析了Modbus协议的特点,介绍了Modbus协议的内容及通信过程,给出了系统的软件实现方法。文中试图将现场总线理论应用于电火花加工机床,并最终通过使用Modbus协议实现各设备之间的互联。

关键词:Modbus 现场总线 电火花 RTU

中图分类号:G201文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)03-0074-01

国内的大多数电火花设备由于实时性等方面的要求,控制系统均是基于dos环境设计,这种系统能满足电加工的基本要求,但也大大影响了人机交互的改进以及远程通信等现代控制的要求。模块化结构可裁减性强,便于满足不同用户的需求,是系统深入发展的良好基础。专业化的信号采集设备及检测装置成为系统稳定和可靠运行的保障。应用网络技术,可做到信息处理综合化、智能化。与此同时,VB、VC以及各种组态软件的发展为人机界面及总线控制的发展的提供了良好的开发环境,使我们能够设计出更为合理及人性化的系统。

1控制系统结构

现场总线控制系统一般采用上位计算机结合下位智能仪表来实现控制功能。在本系统中,由于系统的检测装置简单易用,因此采用微控制器来读取信号并最终传输给上位机。一般来说,总线系统主要包括变送器,总线和检测站。在本套系统中,微控制器和检测装置成为智能仪表即变送器,它作为从机使用,但确是系统的核心部件,而上位机即检测站主要完成人机交互的任务以及一些优化、复杂计算和控制的功能。个性化的人机界面以及标准化的总线结构设计,可方便的扩展系统的控制功能。

整套系统结构图如图1所示,系统最主要包括一个服务器,一台pc机,三个微控制器及相关检测设备。

2 Modbus协议

Modbus协议是OSI模型第七层上的应用层报文传输协议,它在连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/服务器通信。互联网组中已经保留TCP/IP系统端口502用以访问Modbus,Modbus协议已经成为一种流行的工业控制传输标准。

2.1协议内容

Modbus协议定义了消息与格式和内容的公共格式,主要采用命令/应答方式,每一种命令报文都对应着一种应答报文,命令报文由主站发出,当从站收到后,就发出相应的应答报文进行相应。Modbus的信息帧包括站点、字节长度、功能码、操作地址、操作数据、CRC校验值等。

2.2通信过程

Modbus主从节点之间通信过程大致为:

从节点通过特定的端口与主节点建立连接,等待接收主节点发送的请求帧信号。

主节点根据实际需要达到的目的选择合适的功能,将其对应的功能代码保存在ADU的功能代码域,把必要的参数和子功能代码保存在数据域中,并将传输标志、协议标志、数据长度等存放在标志域中,从而组成一个完整的数据帧发送到从节点。

从节点对收到的请求帧经过错误检测后,根据协议的规定将其分解成基本功能单元,并按照功能代码的要求完成特定的操作,最后还要返回一个功能回应信号。如果请求帧或某一步操作出错,就返回一个错误报告。完备的出错应答是Modbus的一个特点,这有利于通信主节点判断通信的错误原因,从保证通信可靠进行,提高通信成功率。

3 软件实现

软件实现时包括:初始化关键字,包括波特率设置,数据位数,停止位数,奇偶校验模式等,总线上所有的master及slave的以上设置应完全一致,Modbus编程主要需处理好校验码的生成及数据包开始标志的检测。

3.1地址定义

通信程序必须处理好数据报开始的标志,因为每次主机发送数据时,所有的从机都会接收到信息,但只有地址相同的从机才会响应,因此地址的判别至关重要。在两个数据包之间Modbus协议将提供3.5帧的空闲时间,此时,总线上所有的从机要做好接收准备,一旦主机有数据包发出,从机立刻接受此数据。这当中的第1帧即为地址帧。从机记录该地址并判断是否执行该功能。通常,程序中会设置一个3.5帧计时器,当线路上有数据时计时器不计数,一旦线路空闲则计时器计数开始,直至该计时器停止计数,这时线路上开始有数据包发出,这第一帧数据即为地址帧。值得注意的是,3.5帧时间并非常数,应根据传输速率及帧校验方式而定。

3.2功能码定义

客户所请求的服务和服务器所提供的服务均通过功能码(Function Code)标识。Modbus 功能码分三种,即公共功能码、用户自定义功能码和保留功能码,公共功能码是已定义的功能码,保证其唯一性,包含现存已定义的公共指配功能码和未来使用的未指配保留功能码。用户定义功能码有两个定义范围,即65至72和十进制100至110,用户没有Modbus组织的任何批准就可以选择和实现一个功能码。保留功能码是一些公司对传统产品通常使用的功能码,并且对公共使用是无效的功能码。

3.3校验码的生成

根据传输模式的不同,系统需要产生不同的校验码(check sum),ASCII模式采用LRC校验(Longitudinal Redundancy Check)而RTU采用CRC校验(Cyclical Redundancy Check),实现这两种方法的函数均可以在相关资料中找到。

4总结

通过上述系统,希望能与先进控制设备实现对接,从而提高系统的改进速度,使机床整体性能得到提升。Modbus这项协议在电火花加工机床的广泛应用,并在加工中取得了很好的效果,提高了整体机床的自动化程度。

参考文献:

[1] 仲吉武.电火花精密整形与ELID精密磨削试验研究[D].天津大学,2006.

[2] 朱小襄.Modbus通信协议及编程[J].电子工程师,2005.

[3]宗福来.电火花线切割变厚度加工自适应控制技术的研究[D].哈尔滨工业大学,2006.

[4] 杨大勇.电火花成形加工数控系统的研究[J].电加工与模具,2003,(1).

[5] 鲍吉龙,叶平.工业监控系统的网络化发展[J].微计算机信息,2006,(6).

[6] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,2000.