基于NX运动控制器的伺服电机运行数据采集系统

肖 克，徐世许，张 震，石朝阳

（青岛大学 自动化学院，青岛266071）

随着社会高度信息化、智能化的发展，人们对体育器材的要求也越来越高，将自动化技术应用在体育器材行业成为一种趋势。其中伺服电机驱动的抗眩晕器材相比于传统的器材有高精度、高稳定性的特点，具有更好的训练效果。但是伺服电机存在着运行状态不可视的问题，因此为了保证训练人员的人身安全必须保证电机运行的安全性。本文基于NX 运动控制器设计的伺服电机运行数据采集系统，用来控制伺服电机并且负责监视记录电机运行的数据，电机运转出现异常时方便操作员及时发现并且便于后期维修人员检查数据库中的运行数据，找出异常原因，快速解决问题，提升了自动化程度。

1 总体设计

电机运行数据采集系统硬件包括欧姆龙NX102-1000 运动控制器、伺服驱动器、伺服电机、减速机和上位机，NX102-1000 运动控制器支持高速计数器，具有增量脉冲输入模式、增/减脉冲输入模式，以及实现与伺服驱动器和上位机的通信，此外NX中还自带转速、位置以及转矩变量。系统上位机与NX 以EtherNet/IP 通信方式连接，当伺服电机需要启动时，上位机向NX 发送电机运转需要保持的转速以及最终需要到达的圈数。在此系统中，主站是NX，主站发出的命令经过EtherCAT 通信发送到从站伺服驱动器[1]，5 台电机分别由5 个伺服驱动器驱动来控制。伺服电机自带的编码器监测电机转速、位置，伺服电机用模拟量控制转矩，在此直接监控模拟量就可以间接得到转矩的大小。转速、位置和转矩信号一起经过伺服驱动器处理传输到NX[2]，并根据应用需求利用位置信息生成需要的圈数，NX 将信号通过EtherNet/IP 通信传回上位机，在上位机中通过CX-Supervisor 组态软件将电机转速、位置和转矩等信息写入SQL Server 数据库中并且显示在上位机界面上，同时CX-Supervisor 具有在出现转矩超限、网络故障等状况的时候发出报警的功能，代替了以往的人工监视，提高了工作的可靠性。操作人员还可以在显示界面对设定圈数和设定转速进行编辑，满足实际训练中的各种需求。通过让电机转速和圈数等信息实时可视化可以及时发现电机运行是否故障，从而第一时间解决问题，提高了伺服电机运行效率。使用数据库对电机的转速、位置以及转矩信息进行及时地保存，保证电机信息实时更新，有利于电机运行数据存储。电机运行数据采集系统的结构如图1所示。

图1 硬件系统结构Fig.1 Hardware system structure

2 通信设计

NX 运动控制器CPU 单元内置EIP 端口，与CX-Supervisor 组态软件的通讯遵循EtherNet/IP 协议。使用屏蔽双绞线作为传输介质，通过工业交换机网，在同一网络环境下即可进行数据信息的传输。NX 与CX-Supervisor 建立通信十分简便，不需编写通信程序，只需通过简单的设置即可完成数据交换，提高了开发人员的开发效率。

建立通信的步骤如下：

步骤1在Sysmac Studio 软件上对NX 的IP地址进行设置与修改，默认地址为192.168.250.1。

步骤2修改上位机的IP，使其与NX 处于同一网络。

步骤3设置Sysmac Gateway Console 软件参数，将网口IP 地址设定为上位机的IP 地址[3]。

步骤4在上位机软件上添加NX 运动控制器设备，选择Sysmac-Device 设备类型，CX-Supervisor会自动识别可连接设备的信息：IP 地址、产品序列号、产品名称等。

步骤5在CX-Supervisor 中新增外部变量，并将其与控制器中全局变量相关联，如图2所示。

图2 新增变量Fig.2 Increment variable

3 上位机监控软件

为使电机转速信息以及运行情况可视化，同时减少操作人员的工作难度、提高工作效率设计了上位机监控软件。使用CX-Supervisor 编写上位机监控界面，能够使采集系统拥有上位机和NX 间进行通信的能力，监视电机从启动到停止的全部过程。使用该软件编写上位机界面，可实现一键模拟，只需点击鼠标右键即可实现模拟仿真，并且CX-Supervisor 支持多种脚本语言，可以提高编写效率。该组态软件能够用任意数据库收集并存储机器数据便于进行过程分析。在本系统中，当抗眩晕器材启动前，可以在监控界面设置转速和圈数，启动后在监控界面显示器材的设定转速、设定圈数、当前转速、当前位置和当前圈数，在运行时，每Sample_interval ms向SQL Server 数据库写入一次数据，方便以后查看。

3.1 系统控制程序设计

CX-Supervisor 向NX 传输控制命令，NX 执行运动控制程序，控制伺服电机完成任务，NX 控制器使用Sysmac Studio 进行编程，不仅具备类似于PLC的梯形图指令与ST 语法指令，可以实现基本PLC的编程功能，还有着自己独特的指令和语言。NX 的很多指令使用功能（FUN）或者功能块（FB）表示。功能可以在程序、功能以及功能块之间调用。但功能块只能从程序和功能块之中调用。

NX 的CPU 单元内置了运动控制功能模块，简称MC 功能模块。

在运动控制系统中，运动控制的控制对象为轴或轴组。轴可以是一个通过EtherCAT 连接的实际的伺服驱动或者编码器，或者是在MC 功能模块中虚拟的伺服驱动或编码器。

3.2 系统上位机监控设计

设计的上位机监控软件既能够实现整个采集监控系统的数据通讯功能，又能够完成状态监视，数据管理储存[4]。本系统设计的界面极具人性化特点，特点有数据实时显示和报警信息显示记录等，软件设计的功能如图3所示。

图3 系统功能Fig.3 System function

在CX-Supervisor 中增加电机转速、位置、转矩和圈数变量之后，设计该系统的界面布局，并设置相应的参数，使文本与显示的数值类型相对应。同时，将设定转速、设定圈数和采集间隔对应的参数设置为显示数字键盘，这样可以方便操作人员在显示界面根据实际情况修改伺服电机转速、圈数，提高工作效率。

为便于电机的数据采集和后期检查，上位机监控软件会根据电机的当前转速和当前位置每隔Sample_interval ms 向SQL Server 数据库写入一次数据，其中Sample_interval 由操作人员设定。5 台电机运行的数据库表格分开保存，便于后期工作人员检查。利用CX-Supervisor 组态软件中的ADO 控件完成对数据库记录的增加、修改、查询及更新。在上位机的CX-Supervisor 中通过ADO 控件与数据库相关联，对SQL Server 数据库进行实时更新。将Datagrid 控件的数据源设置为ADO 控件的recordset 对象，就可以显示ADO 控件中的数据内容，1 号电机的记录数据库相关代码如下：

将电机的转速、位置以及圈数信息显示在监控界面上，同时在该软件中加入了网络故障和转矩超限警报，能够方便现场的操作人员实时了解伺服电机工作情况，出现故障时可以方便维修人员及时排查故障原因，可以实现更快的完成维修。位置记数模式为循环模式，模最大位置设定值360°，模最小位置设定值0°，当前角度在0～360°间变化，电机每转1 圈，已转圈数加1。上位机监控界面如图4所示。

图4 上位机监控界面Fig.4 Host computer monitoring interface

3.3 采集监控系统的运行

系统运行前要对NX 的通信协议进行设置，该设置必须和上位机保持一致。在上位机界面中将设定转速和设定圈数设置完成之后，点击“启动”按钮，界面中会不断更新显示电机的转速和圈数信息，同时每隔Sample_interval 向数据库写入一次数据，其中Sample_interval 设定为2000 ms。

应用CX-Supervisor 的数据跟踪功能，将运行过程中1 号电机的转速、位置以及转矩的变化过程用折线图显示出来，可以使工作人员更加明显地看出电机运转时的数据变化，运行结果如图5所示。

折线图和数据库表中的数据可以看出，设计的本套伺服电机运行数据采集系统能够精准的控制电机运行并且可以准确的采集监视电机数据，满足使用要求。

图5 系统运行结果Fig.5 System running results

4 结语

针对控制体育器材的伺服电机运行状态不可视的问题，本文设计了基于NX 运动控制器的伺服电机运行数据采集系统。使用该系统，既能控制器材的转速和圈数，又可以精确地显示器材的转速等数据，并且在出现故障状况的时候发出警报，提醒工作人员做出必要措施，使器材的工作性能以及安全性能取得更大的进步。操作人员只需通过上位机监控界面就可以了解其运动情况，并且转速、位置以及转矩数据无需人工记录，不仅减少人力、物力，同时提高系统的可靠性。