1 引言
絕對值位置控制系統對于經常使用的點位控制系統來說，是一種非常方便實用的位置控制方式。一旦原點設置后，完畢每次停電后開機時，這種系統不需要回原點，大大方便了操作。三菱mr-j2s-a系列的伺服系統和三菱fx2n系列plc是在實際中經常用到的伺服系統和控制器，本文討論在某些特殊的應用場合，如何應用它們來構建一個絕對值位置控制系統。
2 控制任務簡介
這是一個實際使用的控制任務，參見圖1示意。a點是設備的原始位置，b點是設備的工作位置。開始工作后，設備以位置控制方式移到工作位置b，然后，設備從b以速度控制方式點向a點移動。在移動過程中，執行一些其他的任務，當這些任務完成后在a與b之間的任一位置c點停止。然后以位置控制方式回到原始位置a點，這樣整個工作循環結束。
圖1 控制任務
2.1 控制平臺
三菱j2s-a系列的伺服系統和三菱fx2n系列plc的功能和特性：三菱mr-j2s-a系列的伺服系統中伺服電機的編碼器為每轉為131072線的絕對值編碼器，伺服驅動器能夠在停電情況下記住伺服電機的當前位置。該伺服系統有位置控制、速度控制和轉矩控制三種運行方式。同時該伺服系統內置絕對位置專用傳輸協議，如果菱mr-j2s-a系列的伺服系統工作在位置方式，則可配合fx2n系列plc的dabs（讀絕對位置）指令，在伺服驅動器通電后伺服on（son信號）有效時，plc中讀出伺服電機的當前位置。但僅在son信號接通時的上升沿開始傳輸當前伺服電機位置一次，在son信號接通以后將不再傳輸伺服電機的當前絕對位置。伺服電機的當前絕對位置由位置控制裝置（如fx2n-1pg模塊）根據發出的脈沖數來確定。這實際上是一個開環控制系統。在不發生報警或者脈沖傳輸不受到干擾的情況下，整個位置控制系統的位置將不會丟失。如果工作在速度控制方式則不能在son接通時讀取伺服電機的絕對位置，在整個工作過程中，也無法確定取伺服電機的絕對位置。圖2是典型的位置控制系統配置圖。
圖2 系統配置
2.2 任務分析
在本任務中，伺服驅動器將工作在位置控制和速度控制兩種方式。a點和b點的定位操作，要求控制系統必需記住伺服電機的位置，但由于b點與c點之間的速度運行方式，使得傳統的控制系統不能獲知伺服電機的位置。因為盡管在位置方式位置控制器能確定伺服電機的位置，但在伺服驅動器從位置方式轉變為速度方式后，位置控制器將不起作用，所以也無法確定伺服電機的位置。由于在整個控制過程中，既有位置控制方式，又有速度控制方式，所以典型的傳統控制配置將不能滿足本控制任務，必須采用一種新的控制方式來實現控制。
3 控制方案的硬件配置
上述問題的基本解決思路是通過plc與伺服驅動器的通訊方式，來實時讀取伺服電機的當前實際位置，這樣不管伺服系統處于位置控制方式，還是在速度控制方式，控制系統都能知道伺服電機的當前位置，從而使系統能正確地定位在a點和b點。通過查閱資料，我們了解到三菱j2s系列伺服系統除了內置絕對位置專用傳輸協議外，還內置了三菱伺服通訊協議；三菱fx2n系列內置了無協議通訊指令（rs指令），所以我們可使用rs指令根據伺服驅動器的通訊協議來讀取電機當前位置。圖3是控制系統框圖。
圖3 系統框圖
在圖3中，fx2n系列plc為主控制器，擴展特殊模塊fx2n-1pg為定位模塊，其輸出為頻率和脈沖數可控的定位脈沖。當plc主系統通過通訊方式獲得伺服電機當前位置的前提下，能在定位指令的驅動下，驅動伺服電機到給定位置；擴展特殊模塊fx2n-4da模擬量輸出模塊，其輸出為0到正負10v的電壓信號；fx2n-485bd為485通訊卡，它和mr-j2s-a伺服驅動器的rs-422相連；fx2n主機通過485bd-rs422口與伺服驅動器進行通信，讀取伺服電機的當前絕對位置。當處于位置控制方式時，電機由fx2n-1pg定位模塊發出的定位脈沖來控制，包括其運轉速度和目標位置。當位置/速度切換信號有效時，伺服驅動器切換為速度控制方式，由模擬量模塊輸出的0到正負10v來控制其速度大小和運動方向。安裝在plc主機上的485通訊卡與伺服驅動器上rs-422口進行通訊，隨時讀取伺服電機的當前絕對位置值。
4 控制軟件編制
在本控制系統的軟件中，主要是通訊程序的編制。其他一些如定位控制、位置速度控制方式的切換、模擬量速度控制等程序比較普通，在此不予介紹，我們著重介紹plc主機如何通過485通訊卡來讀取伺服驅動器中伺服電機的當前絕對位置的控制軟件。
4.1 三菱mr-j2s-a伺服系統通訊協議
該伺服系統具有rs422串行通訊功能，伺服系統作為從站，控制器作為主站。主控制器通過該通訊功能可實現對伺服驅動器的運行控制、參數的修改讀取、伺服驅動器當前運動狀態的讀取等。我們在這里只需要讀取伺服電機的當前絕對位置值。
（1）通訊格式:
（2）通訊協議：三菱j2s系列伺服系統的通訊協議大致分為四種格式：從控制器向伺服驅動器發送數據、控制器從伺服驅動器接送數據、通訊超時處理、通訊重試。在這里我們主要使用第二種格式的通訊協議，即控制器從伺服驅動器接送數據的通訊協議。該種格式的通訊協議：
在上述協議中，所有報文均以ascii碼表示。在主站控制器發出的報文中，soh（通訊開始）、stx（報文開始）和etx（報文結束）的ascii碼分別為01h、02h和03h。讀絕對位置的指令為02，則對應的ascii碼為30h、31h，絕對位置值（指令脈沖單位）對應的數據號為91，對應的ascii碼為39h、31h。站號是在伺服驅動器中設置的站號，假如設置為0時，則對應的ascii碼為30h。其校驗和的計算范圍為站號到etx，將其每一位數據的ascii碼進行求和，得到結果的低二位即為校驗和數據。在主站控制器收到的報文中，stx、站號、etx與前面一樣，不再重復了。當通訊正常時，錯誤代碼為a（伺服不報警時）或a(伺服報警時)，當通訊不正常時，則錯誤代碼不等于a或a，而是其他字符。數據即為絕對位置數據，長度為8幀。其校驗和的計算范圍也是為站號到etx，也是取每位ascii碼計算和的低二位。
（3）相關的驅動器參數：p#16參數用于設置波特率、rs232/rs422通訊選擇、通訊等待時間。我們選用波特率為19200pbs,rs422通訊口，通訊等待時間有效，則p#16=1101。
p#15參數用于設置站號，在本案中設為0。
4.2 fx2n系列plc無協議通訊指令(rs指令)
fx2n系列plc內置串行數據傳送指令，可以通過rs-232或rs-422通訊口與其它設備進行串行通訊。其通訊協議可根據所要與其進行通訊的設備的通訊協議進行編制。
（1）通訊格式：串行數據傳送rs指令的通訊格式通過plc的特殊數據寄存器d8120來設置。在最新的fx3u系列plc中可通過設置plc參數來設置，而在fx2n中只能通過plc程序來設置。本案中d8120的b15-b8只能設置為00001100，在此不作介紹。b7-b0用于設置傳輸的波特率、數據長度等，這些參數必須與j2s伺服驅動器的通訊參數相一致。當b7-b4=1001時，對應的傳輸波特率為19200
bps；當b3=0時，對應停止位為1位；當b2b1=11時，對應奇偶校驗為偶校驗；當b0=1時，對應的數據長度為8位。所以d8120=0000110010000111，即h0c97。
（2）串行數據傳送rs指令：rs指令的指令格式為 rs d10 k10 d20 k14；其中d10為發送數據首地址，k10為
發送數據的個數（在本案中為10），d20為接收數據存放的首地址，k14為接收數據的個數（在本案中為14）。
4.3 plc和伺服驅動器的通訊程序
在了解了伺服驅動器的通訊協議和plc的通訊指令后，編制相應的通訊程序，目標是實時讀取伺服驅動器的絕對位置。該通訊程序大致可分為通訊實現和通訊錯誤判斷兩個部分。
（1）報文構成：據前述的通訊協議，我們知道，讀電機絕對位置時的協議格式為：
轉換成ascii碼，則為：
校驗和的計算范圍為站號到etx的7個幀，計算方法是將其轉化成ascii碼的數加起來取其低二位。具體計算如下：
30h+30h+32h+02h+39h+31h+03h=101h，取其低二位，則位01。再取其對應的ascii碼，得30h、31h。該值即位發送報文中的校驗和值。所以，讀絕對位置要發送的報文即為01h 30h 30h 32h 02h 39h 31h 03h 30h 31h
（2）主通訊程序：圖4是通訊主程序，通過這段程序可得到儲存在d50中伺服電機絕對位置值。程序段a是在plc開始運行時，將根據伺服系統的通訊協議編制的報文寫入發送數據塊。程序段b選擇8位數據模式。程序段c激活通訊指令。程序段d每100毫秒對發送標志m8122置位，發送完成后自動復位。在程序段e，當接收完成時，接收完成標志m8123置1，將接收到的數據送到d30—d43中，并同時將m8123復位。程序段f，將14幀接收數據中的位置數據（從第4幀到第11幀）通過轉換指令hex轉換成16進制數據,最后將位置數據送入d50。
圖4 通訊程序
（3）通訊出錯檢測程序：為了保證讀入的位置數據的正確性，必須對整個通訊過程進行出錯檢測。在這里我們主要核對讀入數據的校驗和的方法來進行通訊錯誤校驗。前面我們介紹過，計算接收報文數據校驗和的計算范圍為stx之后的11幀數據。所以具體做法是，根據讀入的數據計算stx之后的11幀的校驗和，再與接收到報文中校驗和（最后兩幀）進行比較。在圖5的通訊出錯檢測程序段中，指令h用于計算從伺服驅動器接收到數據的校驗和。指令i用于取計算得到的校驗的低二位，指令j用于將接收到的校驗和轉換成16進制。指令k用于比較實際計算得到的校驗和與接收到的校驗和進行比較，若不相等，則通訊出錯。通訊出錯后處理，限于篇幅，在此不作介紹。
圖5 檢測程序
5 結束語
通過上述硬件和軟件兩方面的結合，整個控制系統就能滿足本文開始時所描述的控制任務要求。plc控制伺服系統進行定位控制是一種典型的控制模式，而應用通訊技術實現伺服系統的絕對位置檢測和控制更是一種實用的技術。本文所討論的三菱fx2n系列plc實時讀取三菱mr-j2s-a系列伺服系統當前位置的實現方式，不僅對類似的控制場合具有借鑒意義，而且對plc與其他設備的通訊程序編制也有啟發意義。