摘 要：根據(jù)醫(yī)療設(shè)備老化的需求，結(jié)合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，使用西門子PLC一300和運(yùn)動(dòng)模塊FM353控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在實(shí)際使用中運(yùn)動(dòng)的次數(shù)和機(jī)械壽命老化實(shí)驗(yàn)。 關(guān)鍵詞:步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 運(yùn)動(dòng)模塊FM353 PLC 1 引言 　　這套步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是為醫(yī)療設(shè)備老化實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的。要求系統(tǒng)模擬人在使用設(shè)備過程中部件的運(yùn)動(dòng)，測(cè)試設(shè)備部件的使用壽命，以及測(cè)試相關(guān)聯(lián)的剎車、軟軌等是否符合設(shè)計(jì)要求。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最早是在上世紀(jì)20年代由英國人所開發(fā)。上世紀(jì)50年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上，對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。往后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)無須位置和速度檢測(cè)器件，也沒有反饋電路，控制電路簡單，價(jià)格低廉。在生產(chǎn)過程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場(chǎng)合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用得最多。隨著細(xì)分恒流驅(qū)動(dòng)的提出，細(xì)分恒流驅(qū)動(dòng)極大改善步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除震蕩。根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的這些特點(diǎn)，本文介紹了采用西門子PLC一300和運(yùn)動(dòng)模塊FM353控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，模擬人使用醫(yī)療設(shè)備的過程，完成設(shè)備的機(jī)械和電氣使用壽命的老化實(shí)驗(yàn)。 　　下面主要介紹采用西門子CPU314和數(shù)字量模塊SM323，運(yùn)動(dòng)模塊FM353以及四通的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器SH一20403來控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)電氣部分的硬件、軟件設(shè)計(jì)思路和過程等。 2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng) 其電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 2．1 人機(jī)界面采用西門子TP170A觸摸屏，可以控制3臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行以及系統(tǒng)信息的顯示等。 2．2 PLC采用西門子CPU314，適用于中等程序處理量的應(yīng)用。輸入輸出模塊采用西門子的數(shù)字量模塊SM323。有8個(gè)數(shù)字量輸入和8個(gè)數(shù)字量輸出，用來控制剎車和檢測(cè)運(yùn)動(dòng)是否到達(dá)限制位置。 2．3 運(yùn)動(dòng)控制模塊采用西門子的FM353定位模塊。它是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定位模塊，可以用于點(diǎn)到點(diǎn)定位任務(wù)以及復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式。通過對(duì)它的設(shè)定，發(fā)出指令脈沖給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。 2．4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用四通的SH一20403驅(qū)動(dòng)器。這是個(gè)細(xì)分恒流的驅(qū)動(dòng)器，輸入信號(hào)光電隔離，具有脫機(jī)保持功能，提供節(jié)能的自動(dòng)半電流鎖定功能，還具有錯(cuò)相保護(hù)功能。 [b]3 FM353模塊的使用方法和結(jié)構(gòu)程序編制 3．1 FM353的硬件／軟件接口[/b] 　　FM353硬件接口提供最大200 K 的脈沖輸出，方向控制信號(hào)等，用于和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器連接，另外提供可編程4DI／4DO，一般用于參考點(diǎn)接近，使能，限位等信號(hào)的連接。軟件編程接口提供4個(gè)專用功能塊，POS—INIT（模塊初始化），POS—CTRL（模塊控制），POS—DIAG（模塊診斷），POS—MSRM（測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取如當(dāng)前位置值）和一個(gè)用戶數(shù)據(jù)類型接口UDT（程序中需要根據(jù)UDT創(chuàng)建背景數(shù)據(jù)塊）。FM353具有7種工作模式：JOG（手動(dòng)模式）；OPEN — LOOP CTRL（開環(huán)控制模式）；REFPOINT APPROACH（參考點(diǎn)逼近模式）；INCRE—MENT RELATIVE（相對(duì)增量定位模式）；MDI（手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入模式）；AUTOMATIC（自動(dòng)NC程序執(zhí)行模式）；AUTOMATIC SIGNAL BLOCK（自動(dòng)NC程序塊模式）。 　　FM353具有獨(dú)立的MPI地址，本質(zhì)上CPU 對(duì)FM353的控制就是CPU 和FM353之間數(shù)據(jù)交換的過程，POSCTRL承擔(dān)了這樣的工作。從UDT的接口而言，重要的是需要了解Ctrl&CheckBacksignal（控制和回饋信號(hào)）以及工作請(qǐng)求信號(hào)（讀寫請(qǐng)求）在UDT 中的位置和各種信號(hào)的含義，該信號(hào)在UDT結(jié)構(gòu)中以首地址偏移14—27字節(jié)的位置。控制信號(hào)中定義了FM353的模式和模式參數(shù)（例如給偏移16字節(jié)的地址賦值可以改變FM353的上述的工作模式），各種模式下的啟動(dòng)條件（例如JOG模式的正反信號(hào)，啟動(dòng)停止等）；回饋信號(hào)定義了FM353在各種模式下給出的狀態(tài)信號(hào)，用戶可以通過判別各種信號(hào)來得知當(dāng)前FM353的工作狀態(tài)。對(duì)于西門子FM 模塊而言，工作請(qǐng)求號(hào)和工作請(qǐng)求參數(shù)是一個(gè)通用的概念，工作請(qǐng)求命令和功能塊POS—CTRL配合，實(shí)現(xiàn)CPU 和FM 模塊之間的數(shù)據(jù)交換。FM353也不例外。UDT 中也定義了各種工作請(qǐng)求的信號(hào)（．DBX38．0. ．DBX39．7）和工作請(qǐng)求的準(zhǔn)備好信號(hào)（．DBX44．0. ．DBX53．7）和錯(cuò)誤信號(hào)（．DBX54．0. ．DBX63．7），需要注意的是，這3種信號(hào)必須遵循一定的時(shí)序關(guān)系，必須在準(zhǔn)備好的條件下發(fā)出工作請(qǐng)求，然后復(fù)位準(zhǔn)備好和錯(cuò)誤信號(hào)，并且需要請(qǐng)求信號(hào)本身，否則，請(qǐng)求不被接受而導(dǎo)致程序出現(xiàn)問題（程序參閱FC101）。 3．2 FM353的參數(shù)化和手動(dòng)測(cè)試 　?。ㄐ枰惭bFM353參數(shù)化工具包）FM353的參數(shù)化工具包提供了相當(dāng)友好的參數(shù)化和測(cè)試界面。在硬件組態(tài)中雙擊“FM353STEPPER 一”，彈出FM353的參數(shù)化對(duì)話框。對(duì)于用戶而言，MD（機(jī)器數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)是FM353和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和機(jī)械數(shù)據(jù)的接口，實(shí)際上MD也是存儲(chǔ)于依據(jù)UDT 創(chuàng)建的背景DB內(nèi)，每個(gè)MD在FM353內(nèi)有一個(gè)地址，用戶可以在參數(shù)化界面參數(shù)化MD數(shù)據(jù)，也可以在程序中讀寫MD 數(shù)據(jù)。在界面中的“MD“按鈕按下時(shí)會(huì)彈出MD配置界面，MD11／12定義電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈進(jìn)給的行程，MDI3定義電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈需要發(fā)送的脈沖數(shù)，MD41是最高頻率限制。這些參數(shù)需要依據(jù)步進(jìn)系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的配合進(jìn)行設(shè)定。切換到Refereance Point標(biāo)簽頁，可以設(shè)置回參考點(diǎn)的逼近方向（MD18）和速度（MD28）／N：速（MD29）。參數(shù)化完成之后，產(chǎn)生系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊（SDB 大于等于1 000）。前提條件：在線連接模板FM353。在模板FM353的參數(shù)配置界面中，鼠標(biāo)點(diǎn)擊File>CreateSDB，生成FM353模塊系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊SDBl010。然后裝載系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊SDB1000，從PC到FM353模塊的RAM 區(qū)。將MD數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽M（Transfer data toFM）后，就可以在提綱界面上進(jìn)入連線手動(dòng)測(cè)試（點(diǎn)擊“STARTUP”）。需要注意的是，連線手動(dòng)測(cè)試必須在CPU STOP的模式下進(jìn)行。 3．3 FM353的編程，讀寫工作請(qǐng)求的意義 JOG，REF，SM 增量模式（也可用MDI模式）是完成一個(gè)定位任務(wù)必須的過程。特別需要注意的是，SM，MDI，AUTOMATIC等模式除了啟動(dòng)條件必須滿足外，還需要有事先找到參考點(diǎn)（在REF模式下完成），手冊(cè)中稱之為軸的同步化，換句話說，要想做進(jìn)入任一種定位模式，必須先做參考點(diǎn)逼近的動(dòng)作。否則，F(xiàn)M 進(jìn)入SF的錯(cuò)誤狀態(tài)，需要發(fā)出重新啟動(dòng)FM 的命令。（參閱手冊(cè)9—15／16）讀寫工作請(qǐng)求用來傳送位置，速度等數(shù)據(jù)給FM，所以每改變這些相關(guān)的數(shù)據(jù)時(shí)，必須根據(jù)數(shù)據(jù)的類型（例如改變位置數(shù)據(jù)或速度數(shù)據(jù)）發(fā)布一次相關(guān)的工作請(qǐng)求。否則數(shù)據(jù)不會(huì)寫入FM。在這項(xiàng)工作中，尤其需要注意的是，要注意復(fù)位工作請(qǐng)求位，否則工作請(qǐng)求不被接受，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不成功。 4 PLC程序編制 　　首先需要拷貝、粘貼庫文件“FMSTSV—L”中的程序塊FC0、FC1、FC2、FC3、UDT1到已經(jīng)建立的S7—300站項(xiàng)目的程序塊Block下。我編寫的程序由主程序OB1、冷啟動(dòng)程序OB100以及程序塊FC4、FC5、FC6、FC1l、FC12、FC13、FC21、FC22、FC23、FC31、FC32、FC33、FC100等。 　　FC0是初始化控制信息、反饋信息、準(zhǔn)備和錯(cuò)誤信息等的功能塊。 　　FC1是執(zhí)行讀操作、寫操作以及各種控制模板、反饋模板的狀態(tài)信息的功能塊。 　　FC2是在一些FM353致命錯(cuò)誤造成的診斷中斷組織塊OB82調(diào)用FC2可以得到關(guān)于FM353模板的診斷信息。 FC3是用于長度測(cè)量。 　　UDT1包含了所有相關(guān)FM353操作命令和狀態(tài)返回信息等等，使用UDT1生成數(shù)據(jù)塊DB100，并定義工藝需要的數(shù)據(jù)。程序的流程圖見圖2所示。 5 結(jié)束語 　　本系統(tǒng)已經(jīng)成功完成了醫(yī)療設(shè)備的老化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。應(yīng)用中關(guān)鍵是模塊FM353的使用問題，F(xiàn)M353模塊的數(shù)據(jù)交換是要依靠讀寫工作號(hào)完成的，但在請(qǐng)求號(hào)的時(shí)序安排上經(jīng)過多次修改測(cè)試才完成。 參考文獻(xiàn) 1 西門子（中國）有限公司．STEP7 V5．3[x]．西門子，2004． 2 四通電機(jī)．混合式步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器[x]．四通公司，2005．