摘 要：EAST裝置中調(diào)節(jié)ICRH天線阻抗的真空調(diào)諧電容必須實現(xiàn)遠程控制?；诖谕ㄐ偶夹g(shù)，采用上下位機的形式，以工控機為上位機、以西門子PLC為下位機實現(xiàn)了真空調(diào)諧電容的遠程控制，其中上位機控制界面采用虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW實現(xiàn)，不僅實現(xiàn)了對電容的遠程控制，而且得到了交互性良好的人機界面。 關(guān)鍵詞：EAST;虛擬儀器;阻抗匹配;可編程邏輯控制器 引言 　　EAST（實驗型先進超導(dǎo)托卡馬克）作為我國自行設(shè)計、研制的第一個全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗研究裝置，即將在我所建成并試運行。較之原HT-7裝置，該裝置在許多方面都有重大改進，其中用于射頻波加熱等離子體的天線阻抗匹配系統(tǒng)將由原液態(tài)調(diào)配系統(tǒng)改進為真空調(diào)諧電容調(diào)匹配。在等離子體放電過程中，實驗人員不能靠近聚變裝置，而調(diào)諧電容距離控制室為100余米，因此，對天線阻抗的匹配調(diào)節(jié)必須實現(xiàn)遠程控制。 1 遠程控制系統(tǒng)框圖 　　控制系統(tǒng)上位機采用工控機，下位機采用西門子S7-224PLC，在計算機串口與PLC的通信口之間實現(xiàn)監(jiān)控信號的遠距離傳輸。由于計算機為RS-232串行口，但RS-232標準達不到所要求的通信距離，另一方面PLC所帶的串行通信口為RS-485接口，該接口完全滿足100米的通信距離。所以只須在上位機的串行口安裝RS232/485物理協(xié)議轉(zhuǎn)換器即可，此處采用JARA2102轉(zhuǎn)換器。執(zhí)行機構(gòu)為驅(qū)動器控制的安川高精度伺服電動機，型號為SGMAH-08ADA，由其帶動調(diào)諧電容的外部螺桿旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)電容的改變，二者之間通過聯(lián)軸器連接，同時驅(qū)動器工作在位置控制模式下。整個控制系統(tǒng)硬件連接框圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 遠程控制系統(tǒng)框圖[/align] 2 上下位機間的通信協(xié)議 　　西門子S7-224PLC的RS-485通信口可工作于自由口通信模式下，即由用戶自定義通信協(xié)議。為此，我們約定上下位機間的通信由上位機發(fā)起，并且上位機每發(fā)送一個命令幀都要求下位機反饋一幀數(shù)據(jù)，這樣上位機可以監(jiān)控命令的執(zhí)行情況，并對反饋的數(shù)據(jù)進行處理。 　　上位機命令幀的格式如下表所示，其中左邊的33個字節(jié)為上位機命令幀格式，右邊的13個字節(jié)為下位機反饋幀格式。 　　其中，起始字符約定為字母“g”，下位機當檢測到該字符時，認為是一幀數(shù)據(jù)的開始，結(jié)束字符規(guī)定為字母“G”，下位機用該字符判斷一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。功能字符用05H表示寫下位機的某個寄存器。在西門子S7-224PLC中可以用8位16進制數(shù)表示一個寄存器的地址即： 　　0000（H） ：I寄存器; 0100（H） ：Q寄存器 　　0200（H） ：M寄存器;0800（H） ：V寄存器 　　例如：0000000（H）表示IB000;08000064表示VB100。 　　在數(shù)據(jù)傳輸過程中，指令可能受到干擾而發(fā)生錯誤，為了偵測指令在傳輸過程中的錯誤，接收方必須對接收到的指令作進一步的確認工作，以防止錯誤的指令被執(zhí)行，方法之一便是使用校驗碼，本文中規(guī)定為Byte1～29字符串的ASCII碼以字節(jié)為單位作異或和。 　　根據(jù)上述指令格式，若上位機向下位機的VB000中寫入2000個脈沖，應(yīng)發(fā)送的命令幀為“g602080000C808000007D0000000003CG”，其中“3C”為校驗碼。 3 上位機程序設(shè)計與實現(xiàn) 　　3.1上位機程序流程設(shè)計 　　程序運行以后，首先進入While循環(huán)，在此循環(huán)內(nèi)程序按照圖2所示的流程圖循環(huán)執(zhí)行。首先根據(jù)設(shè)定的串口通信參數(shù)打開串口，此處須注意串口參數(shù)的設(shè)置必須與下位機一致，方能保證上下位機通信的正常進行。文中波特率設(shè)置為9.6kbps、1位起始位、1位停止位、8位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗。然后程序進入轉(zhuǎn)動命令的判斷，用三個箝套的CASE語句分別判斷電機正、反、停轉(zhuǎn)。如果正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)按鈕被按下，則先發(fā)送電機轉(zhuǎn)動角度所需要的脈沖數(shù)，然后延時等待回讀PLC的反饋幀，根據(jù)該反饋幀用CASE語句判斷脈沖數(shù)據(jù)幀是否被正確發(fā)送，如果發(fā)送錯誤則指示燈以紅顏色顯示，提示重新發(fā)送;如果脈沖數(shù)據(jù)幀已經(jīng)正確發(fā)送，則發(fā)送送轉(zhuǎn)動命令幀，然后延時等待回讀PLC的反饋幀，如果發(fā)送錯誤也使指示燈以紅顏色顯示，提示重新發(fā)送;如果按下停轉(zhuǎn)按鈕，則直接發(fā)送表示停止轉(zhuǎn)動的命令幀。最后程序更新電容值并關(guān)閉串口。 [align=center] 圖2 上位機程序流程設(shè)計[/align] 　　3.2 子VI程序的編制 　　為方便實現(xiàn)主程序的功能，分別編制了幾個子程序即：轉(zhuǎn)速命令幀打包.VI、脈沖數(shù)據(jù)幀打包.VI、轉(zhuǎn)動命令打包.VI，這幾個子程序的編制類似，下面只列出脈沖數(shù)據(jù)幀打包.VI（未包含起始字符），當需要向下位機VD200中寫入脈沖數(shù)據(jù)時，其程序前后面板如圖3所示： [align=center] 圖3脈沖數(shù)據(jù)幀前后面板[/align] 　　3.3 LabVIEW實現(xiàn)上位機控制界面 　　3.3.1 LabVIEW串口通信模塊 　　虛擬儀器Labview平臺中包含串行通信控制模塊。在Labview平臺控制的串行通信過程中，數(shù)據(jù)是以字符串的格式組成的，字符串中的每個字符實際上對應(yīng)于我們所熟悉的ASCII字符，數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換為ASCII字符串才能進行發(fā)送和接收。Labview平臺的串行通信模塊中提供了VISA Open.vi、VISA Configure Serial Port.vi、VISA Read.vi、VISA Write.vi（、VISA Bytes at seril port.vi、VISA Close.vi”等函數(shù)。 　　實際使用串口讀/寫函數(shù)時，為了確保讀寫數(shù)據(jù)的正確，一般在連續(xù)的兩次讀/寫串口時，應(yīng)該有一段延時，此時間的長短與所發(fā)送的數(shù)據(jù)量有關(guān)，本文中的延時設(shè)置為80ms。 　　3.3.2 控制界面設(shè)計 　　在上位控制界面中根據(jù)實際的要求，需要能夠在上位機控制界面分別實現(xiàn)電容值的顯示、電機正/反轉(zhuǎn)速度的設(shè)置、轉(zhuǎn)動命令的發(fā)送、各種錯誤信息的提示等，用LabVIEW實現(xiàn)的上位機控制界面如圖4所示。 [align=center] 圖4 控制系統(tǒng)操作界面[/align] 4 系統(tǒng)測試結(jié)果 　　作為位置伺服控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的優(yōu)劣可以從三個方面來考察即：較高的定位精度、無超調(diào)的定位過程、較快的動態(tài)響應(yīng)。對于本系統(tǒng)而言，在多次的測試過程中未見有超調(diào)的定位過程，因而主要檢驗控制精度和系統(tǒng)響應(yīng)時間。經(jīng)多次運行測試，系統(tǒng)在這兩方面的特性如下：本文中設(shè)置電機轉(zhuǎn)動的最小角度為0.72度，而電機每轉(zhuǎn)動一圈電容值改變3.2pf，因此電容值的控制精度可以達到0.0064pf，完全滿足要求。在上位機讀寫串口過程中需多次讀寫串口以發(fā)送轉(zhuǎn)速、脈沖數(shù)、轉(zhuǎn)動命令等，每次讀寫串口時為保證通信的正常進行都有80ms的延時，同時還要考慮到PLC CPU自檢、執(zhí)行程序的延時，因此執(zhí)行一次電機轉(zhuǎn)動操作大約需要300ms，整個系統(tǒng)應(yīng)用EAST ICRH真空調(diào)諧電容遠程控制取得了較好的效果。 　　本文作者創(chuàng)新點：本文首次展示了應(yīng)用LabVIEW實現(xiàn)西門子系列PLC自由口通信協(xié)議的方法，詳細闡述了協(xié)議實現(xiàn)的細節(jié)，對串口通信應(yīng)用程序的開發(fā)也具有一定的借鑒意義。 參考文獻： 　　[1] 雷振山《LabVIEW 7 Express實用技術(shù)教程》，中國鐵道出版社，2005 　　[2] 鄧焱 、王磊《LabVIEW 7.1測試技術(shù)與儀器應(yīng)用》，機械工業(yè)出版社，2004 　　[3] 西門子（中國）有限公司自動化與驅(qū)動集團,《 S7-200系統(tǒng)手冊》，2005 　　[4] 金元郁、龐中華 基于VC++與AI調(diào)節(jié)器串口通信的實時監(jiān)控系統(tǒng) 微計算機信息，2005年第4期 　　[5] 李光明 李妍 李茜 用VB實現(xiàn)S7-300PLC與PC機的普通串口通信 微計算機信息，2005年07S期