天线平面近场扫描架控制系统设计

陈玉林

（上海电机学院机械学院，上海 201306）

0 引言

两维运动平台具有两个沿正交方向的线性运动轴，其中Z轴整体安装于X轴的滑台之上。由于X轴和Z轴相互独立，平台运动学方程简单，控制容易；因此两维运动平台在机床十字工作台、直角坐标机器人、天线平面近场测量等领域得到广泛应用。

两维运动平台可采用单片机、PLC或运动控制卡等作为主控制器，其在实现难易、功能复杂程度和多轴联动控制等方面各不相同。在天线平面近场测量中，一方面要求图1所示平面扫描架具有图2所示路径[1]，X轴和Z轴先后运动，无复杂的两轴联动控制要求；另一方面又需要进行大量的数据处理和良好的人机操作界面。因此本文作者采用计算机加PLC的主从式控制结构[2-3]。在该控制系统中，计算机作为上位机和人机交互的主要接口，负责处理数据、参数设定和状态监控等；PLC作为下位机对天线扫描架进行运动控制。

图1 天线平面扫描架

1 PLC通讯协议及参数设定

由于天线扫描架采用图2所示运行路径，其X轴和Z轴没有联动控制要求，考虑到其他I/O需求，采用三菱FX5U PLC作为扫描架的运动控制器。FX5U系列PLC除了具有比FX3U系列更快的处理速度和更多的控制轴数外，还具有内置的以太网端口，方便了PLC与其它设备间的信息交互[4]。通过以太网口和三菱通讯协议，计算机可直接解析协议帧或借助于MX组件完成对三菱FX5U PLC软元件的访问[5]。采用直接解析SLMP协议帧的方法来访问PLC的软元件进而实现对扫描架运动参数的设定和状态监控。SLMP协议是用于外部设备（计算机或显示器等）使用以太网对SLMP对应设备进行访问的协议，其3E帧与三菱MC协议的QnA系列3E帧具有相同的报文格式，可以以ASCII或二进制代码进行通信，以ASCII代码进行通信时报文格式如表1和表2所示[6]。

图2 扫描架运行路径

表1 SLMP协议3E帧ASCII代码通信请求报文格式

表2 响应报文格式

计算机通过SLMP协议与PLC通讯，以PLC作为服务器，需在GX Works3中针对以太网端口进行参数设置。根据需要将PLC IP地址设置为192.168.3.38，通信数据代码设定为ASCII，在详细设置中选择以太网设备中的SLMP连接设备，并将其协议设置为TCP，端口号设置为8000。

采用SLMP协议可以访问FX5U PLC中绝大多数软元件，根据扫描架控制要求，确定PLC参数与软元件如表3所示。SLMP协议以位或字为单位访问PLC中的软元件，因此在表3中需要两个连续的D寄存器来存储位置、速度之类的浮点数据。

表3 参数及软元件分配

2 计算机程序设计

计算机对PLC软元件的访问是借用SLMP协议通过Vi⁃sual C++编程来实现的。计算机程序除了提供良好的人机操作界面，还具有扫描架运动参数设定和状态监控的功能。对于浮点型和布尔型参数，计算机程序采用不同的指令和数据处理方法。

2.1 布尔型参数处理

对于扫描架运动启动或停止这类控制操作，可采用批量写入（读取）或随机写入（读取）位单位来直接访问PLC中的M寄存器。以ASCII码方式，批量写入位单位来启动X轴运动为例，其报文格式如表4所示，其中数据长度为其后所有内容的字节数，以十六进制表示，1401表征批量写入指令，M*代表访问PLC中M寄存器，访问起始地址用6个字节表示，由于只访问寄存器M100，因此点数用4个字节表示为0001，值1表示启动X轴运动。

表4 批量写入位单位报文

2.2 浮点型参数处理

扫描架的目标位置和速度等参数可采用32位浮点数来表示，而PLC内部为两个连续的D寄存器。在SLMP协议中，没有针对浮点数存取的专用语句，需将浮点转换成对应的4个字节表示，然后再其三菱PLC浮点数表示格式写入两个D寄存器[7]。浮点数转换为两个D寄存器的函数为：

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，如果需将X轴目标位置设定为50.5mm处，则调用FloatToDReg函数得到D1004和D1005的值分别0000H和424AH，采用批量写入字单位的报文如表5所示，其D*代表访问PLC中D寄存器，访问起始地址用6个字节表示，由于一个32位浮点数需用两个D寄存器来表示，因此点数用4个字节表示为0002，值0000424A表示X轴目标位置设定为50.5 mm。

表5 批量写入字单位报文

2.3 状态监控

在扫描架控制系统中，上位机程序除了需要设定设备的运动参数，还需实时监控设备的运行状态，获取实时位置、速度等信息。设备的状态监控在计算机程序中通过多线程技术来实现，以避免大量数据交换占用过多CPU时间，从而提高程序对用户响应的灵敏性[8]。用户界面线程作为主线程，能够及时响应用户操作，扫描架的状态监控设计为工作线程，对设备状态进行实时查询。

3 计算机用户界面

扫描架计算机控制程序用户界面如图3所示，具有PLC连接、断开、轴运动参数设定、位置速度显示、单轴启动、停止、扫描架流程启动、停止等功能。

4 结论

本文作者设计的天线扫描架控制系统采用主从式控制结构，充分发挥上下位机的控制优点。针对设备人机交互、参数设置和状态监控的需求，设计计算机监控程序。通过分析三菱FX5U PLC的SLMP协议，实现对PLC布尔型和浮点型数据的读写，相比直接设定电机脉冲数更加直观。经长时间实际运行证明，该控制系统具有友好的人机操作接口，控制效果良好。

图3 扫描架用户界面