一种直线伺服机构远程控制系统的设计与开发.pdf

设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期一种直线伺服机构远程控制系统的设计与开发张译文，张爱红*，胡雅仪，刘志寒（无锡职业技术学院，江苏 无锡 214121）作为移动通信客户端的智能手机已成为生活中不可或缺的重要生活用品。目前手机 App 主要用于商业、社交、教育和公共服务等场合，但工业应用较为少见。随着 Visual Studio 软件平台功能的丰富，Xamarin让 Visual Studio 开发者可以直接创建手机 App 应用，为移动客户端与 PLC 等底层控制设备通信控制提供了便利。此外随着串口无线通信产品的出现为 RS485远程无线控制提供了可能，基于此构建了采用 LORA无线透传模块的远程串行通信系统。在手机与 PLC 无线 WIFI 通信、PLC 对直线伺服机构控制的基础上，最终实现了手机 APP 对伺服机构的远程控制。1系统开发1.1系统总体设计系统设计时考虑到通信协议兼容性与安全操作等多种因素，手机与伺服驱动器未采用直接通信方式。为了实现手机对伺服驱动系统的远程控制，通过增设FX5U PLC 作为中间控制器，实现无线 WIFI 到 RS485通信的转换，基于此构建了如图 1 所示的通信系统。其中 PLC 与路由器直连，接受手机客户端指令，并根据指令的不同向直线伺服机构发送不同的控制信息，包括伺服使能、正负向点动、增量运动与速度切换等。为了减少设备连线、增大通信距离，PLC 与伺服驱动器的RS485 通信口分别接至一对无线串口透传模块，双方通信距离最远可达 3 km。1.2手机客户端应用程序开发借助于 Xamarin.Android，Visual Studio 开发者应用 C#.NET 编程语言可以直接创建手机 App 应用，为移动客户端与 PLC 控制设备通信提供了便利1-2。手机与PLC 基于 Socket TCP 通信，其中手机侧应用开发要完成：用户界面视图设计、后台逻辑调用与编程及 App基金项目：2022 年无锡职业技术学院大学生创新创业训练计划项目（202210848043Y）*通信作者：张爱红（1971-），男，工学硕士，教授。研究方向为机电设备远程监控、智能制造控制系统集成等。摘要：针对底层设备的无线通信需求，该文给出一种直线伺服机构远程控制系统的设计与开发方法。在构建 PLC 与伺服机构远程通信系统的基础上，应用 Visual Studio 整合 Xamarin 技术开发手机客户端，基于梯形图方法编写 PLC 与伺服驱动器的通信程序，实现手机 App 对伺服机构的远程使能、方向与速度控制等功能。实际应用表明，该系统能够实现伺服机构的远程控制，拓展手机App 的应用领域，实现工业控制与移动应用的深度融合，具有较强的市场应用价值与推广意义。关键词：远程控制；无线通信；客户端；伺服使能；应用程序开发；系统设计中图分类号院TP273文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤25-0123-04Abstract:According to the wireless communication requirements of the underlying equipment,this paper presents a designand development method of the remote control system of linear servo mechanism.On the basis of constructing the remotecommunication system between PLC and servo mechanism,the mobile phone client is developed by integrating Xamarin technologywith Visual Studio,and the communication program between PLC and servo driver is written based on the ladder diagram method.The functions of remote enabling,direction and speed control of servo mechanism by mobile phone App are realized.The practicalapplication shows that the system can realize the remote control of servo mechanism,expand the application field of mobile phoneApp,realize the deep integration of industrial control and mobile application,and has strong market application value andpopularizing significance.Keywords:remote control;wireless communication;client;servo-ON;application development;system designDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.25.030123-2023 年 25 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application应用发布等任务。注：1-手机；2-路由器；3-PLC；4、7-RS485 通信终端电阻；5、6-串口收发透传模块；8-直线伺服驱动器；9-直线伺服电动机；10-磁栅尺遥图 1系统总体框架1.2.1手机客户端用户界面设计运行 Visual Studio 软件新建 Android 项目后，在右侧解决方案 Resources-layout 文件夹中可以找到activity_main.axml 文件，双击后打开 App 的屏幕布局设计，为了执行控件拖拽操作，应将默认布局标记更改为，并将属性android：orientation=“vertical”添加到 LinearLayout 开始标记。为了实现用户登录或注册操作，需添加输入文字的“用户名”与“密码”控件（EditText），并在下方插入“登录”“注册”按钮控件（Button）。考虑到操作权限管理要求，还设计了“用户注册”“通信连接”与“运动控制”等用户界面，其中“运动控制”界面如图 2 所示。图 2手机客户端用户界面设计1.2.2手机客户端通信程序设计activity_main.axml 文件为用户登录的主页面，Ac原tivity（活动）文件 MainActivity.cs 为其后台页面，也是实现逻辑操作与逻辑调用的地方，是一个可以让屏幕提供用户交互动作的程序。其核心代码如下：Activity(MainLauncher=true)public class MainActivity:ActivityprotectedoverridevoidOnCreate(BundlesavedInstanceState)base.OnCreate(savedInstanceState);SetContentView(Resource.Layout.activity_main);txtUsername=FindViewById(Resource.Id.txtusername);/调用用户注册单击后调用SignUp.cs文件btnCreate.Click+=delegate StartActiv原ity(typeof(SignUp);/响应用户“登录”单击事件btnSignIn.Click+=delegate/调用通信连接程序 Connect.csStartActivity(typeof(Connect);第 一 行 程 序 Activity（MainLauncher=true）将MainLauncher 置 true 说明以上代码实现的是主窗体，也是程序运行的入口点，该属性在项目中只能给一次。MainActivity 活动继承于 Activity，OnCreate 是其继承的第一个方法，相当于构造函数，通过调用SetContentView（Resource.Layout.activity_main）来控制导入 activity_main.axml 页面视图，调用 FindViewById获取布局文件中用户输入的文本内容，并用委托（delegate）方法实现了“登录”“注册”按钮响应事件。如果注册新用户需调用用户注册（SignUp.cs）程序；对于已经注册的用户可以直接输入用户名、密码后点击“登录”按钮，登录成功后将执行通信连接（Con原上使能下使能暂停正向移动 1 圈反向移动 1 圈正向手动负向手动速度 10 MM/S速度 20 MM/S速度 30 MM/S返回124-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期nect.cs）程序。用户在通信连接界面输入 PLC 服务器的 IP 地址与端口号，进行连接操作；连接成功后显示运动控制界面，可以执行上使能、下使能、增量运动与点动控制等，以“上使能”控制为例，定义控制字符串 s 为“1”，接着调用 Encoding.ASCII.GetBytes（s）函数将字符串转换为byte 数组并执行发送（Write）操作。例程如下：btnEnable.Click+=delegate/上使能stream=client.GetStream();String s=1;byte message=Encoding.ASCII.GetBytes(s);stream.Write(message,0,message.Length);程序调试运行正常后需要发布生成手机 Apk 文件，限于篇幅不再赘述，详见文献3。1.3PLC 通信设置与编程三菱 FX5U PLC 既是 Socket TCP 通信中的服务端（Server），接受手机客户端的通信指令；另外还作为ModbusRTU主站与伺服驱动器以无线串口方式进行RS485通信，PLC侧的设计主要包括通信设置与通信编程2方面。1.3.1FX5U PLC 通信设置1）以太网通信设置。由 GX WORK3“导航”进入，逐级展开，参数-FX5U CPU-模块参数-以太网端口，完成基本设置。首先完成“自节点设置”，包括 IP地址、子网掩码、默认网关，通信数据代码设为“二进制”，接着完成“对象设备连接配置设置”4。双击“详细设置”，然后从右侧“模块一览”中选择“以太网设备（通用）”中的“Unpassive 连接设备”，并将之拖放到下方连接网络中（连接号为 1）；然后在上方设置当前连接的通信参数，通信手段选择“Socket 通信”，协议为“TCP”，分别设置 PLC 侧的 IP 地址（192.168.0.102）、端口号（4001），为了能够同时接受 2 个客户端的连接，可继续添加连接 2，除端口号外其余设置与连接 1相同，完成后点击上方“反映设置并关闭”以保存当前网络配置，如图 3（a）所示。2）RS485 串行通信设置。同样由 GX WORK3“导航”进入并逐级展开，参数-FX5U CPU-模块参数-485 串口-基本设置，协议格式为 MODBUS_RTU通信，“详细设置”包括，通信波特率 9 600 bps，停止位1 位，奇校验（ODD），通信参数需与伺服驱动器侧相一致，如图3（b）所示。“固有设置”中主要设置本站号（主站设为0）、从站支持超时时间、广播延时及重试次数等5。渊a冤以太网通信设置渊b冤RS485 通信设置图 3FX5U PLC 通信设置1.3.2FX5U PLC 通信编程当手机客户端发送连接指令与服务端建立通信连接时，以连接号 1 为例，服务端 FX5U PLC 开放结束信号软元件 SD10680.0 的常开触点将闭合。PLC 接收到客户端发送数据时，接收状态信号软元件 SD10682.0常开触点将瞬时闭合，从而执行 SP.SOCRCV 指令（图4）。SP.SOCRCV 指令有 5 个参数6，分别为虚拟参数U0、通信连接编号 K1、控制数据的软元件起始编号D4000、存储接收数据的软元件起始编号 D500 与指令执行结束时软元件编号 M400。因此只要读取并解析第4 个参数即可。考虑到 D500 为参数 4 的首址，存储的是接收数据的长度，真正接收到的第 1 个数据存储在D501 开始的地址内，因此需读取 D501 并与 D100（0 xFF）执行“与操作”（WAND），屏蔽高 8 位、得到低8 位，并存放于数据寄存器 D102；然后通过与数值 0耀9、A 的 ASCII 码比较，解析得到具体功能，例如，D102 为0 x31（1 的 ASCII 码）时，程序置位 M1，接着调用 AD原PRW 指令将常数 1 写入伺服驱动器 Modbus 通信地址0 x512，用于控制伺服驱动器数字输入接点 DI01 状态7，完成后将执行伺服使能动作，伺服点动、增量运动等功能的实现与此类似，不再赘述。125-2023 年 25 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application图 4FX5U PLC 通信编程1.4无线透传收发模块的通信设置为了实现远距离无线通信，系统中将 PLC 与伺服驱动器分别连至 RS232485-LORA 无线透传模块，在数据传输状态时，与 PLC 相连的 LORA 模块将从RS485 串口收到的设备数据直接从空中发送出去，再将空中接收到的数据从 RS485 串口直接发送给 PLC，模块工作频段范围为 410耀525 MHz8。在模块使用前需要使用串口调试工具设置串口通信参数，确保模块通信参数与伺服驱动器、PLC 侧的 RS485 通信参数一致，如图 5 所示。图 5LORA 无线透传模块通信参数配置2结束语文中通信客户端并不局限于手机，平板电脑、台式计算机、笔记本电脑等也是较好的选择。若采用台式机或笔记本电脑，则可应用 C#开发窗体监控程序。位于中间处理环节的 PLC 控制器既可选用国际知名品牌，如三菱、西门子、施耐德，也可选择国产品牌汇川、信捷等，选择的依据是具有 TCP 网络通信与 MODBUSRTU 通信功能。被控对象既可是直线伺服机构，也可以是旋转伺服、变频器、步进驱动器等支持总线通信的运动控制系统。综上所述，该系统设计与开发方法均有较强的通用性，值得借鉴与推广。参考文献院1 邱月，郭佳，黄俊.基于 Xamarin 的智慧城市跨平台移动终端的设计与实现J，现代测绘，2021，44（1）：55-59.2 尹孟征.浅析几种 APP 开发平台J.通信电源技术，2016，33（4）：158-159.3 米修儿.VS2019 C#开发手机 App 环境配置和开发EB/OL.https：/ MELSEC iQ-F FX5 用户手册（以太网通信篇）M/CD.三菱电机自动化（中国）有限公司，2021.5 MELSEC iQ-F FX5 用户手册（MODBUS 通信篇）M/CD.三菱电机自动化（中国）有限公司，2019.6 MELSEC iQ-F FX5 编程手册（程序设计篇）M/CD.三菱电机自动化（中国）有限公司，2020.7 直线电机驱动器手册M/CD.东日精工，2021.8 RS232/485-LORA-T 产品手册M/CD.艾莫迅自动化科技有限公司，2022.126-