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　　摘 要：根據醫療設備老化的需求，結合步進電動機控制系統的特點，使用西門子PLC一300和運動模塊FM353控制步進電動機運動，實現設備在實際使用中運動的次數和機械壽命老化實驗。

　　關鍵詞:步進電動機 運動模塊FM353  PLC

　　1 引言

　　這套步進電動機控制系統是為醫療設備老化實驗而設計的。要求系統模擬人在使用設備過程中部件的運動，測試設備部件的使用壽命，以及測試相關聯的剎車、軟軌等是否符合設計要求。步進電動機最早是在上世紀20年代由英國人所開發。上世紀50年代后期晶體管的發明也逐漸應用在步進電動機上，對于數字化的控制變得更為容易。往后經過不斷改良，使得今日步進電動機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解能、高響應性、信賴性等靈活控制性高的機械系統中。步進電動機無須位置和速度檢測器件，也沒有反饋電路，控制電路簡單，價格低廉。在生產過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發現步進電動機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電動機用得最多。隨著細分恒流驅動的提出，細分恒流驅動極大改善步進電動機運行的平穩性，提高勻速性，減輕甚至消除震蕩。根據步進電動機控制系統的這些特點，本文介紹了采用西門子PLC一300和運動模塊FM353控制步進電動機運動，模擬人使用醫療設備的過程，完成設備的機械和電氣使用壽命的老化實驗。

　　下面主要介紹采用西門子CPU314和數字量模塊SM323，運動模塊FM353以及四通的步進驅動器SH一20403來控制步進電動機運動系統電氣部分的硬件、軟件設計思路和過程等。

　　2 步進電動機控制系統

　　其電路系統結構框圖如圖1所示。

　　2．1 人機界面采用西門子TP170A觸摸屏，可以控制3臺步進電動機的啟動和停止，手動運行和自動運行以及系統信息的顯示等。

　　2．2 PLC采用西門子CPU314，適用于中等程序處理量的應用。輸入輸出模塊采用西門子的數字量模塊SM323。有8個數字量輸入和8個數字量輸出，用來控制剎車和檢測運動是否到達限制位置。

　　2．3 運動控制模塊采用西門子的FM353定位模塊。它是步進電動機的定位模塊，可以用于點到點定位任務以及復雜的運動模式。通過對它的設定，發出指令脈沖給步進電動機驅動器。

　　2．4 步進電動機驅動器采用四通的SH一20403驅動器。這是個細分恒流的驅動器，輸入信號光電隔離，具有脫機保持功能，提供節能的自動半電流鎖定功能，還具有錯相保護功能。

　　3 FM353模塊的使用方法和結構程序編制

　　3．1 FM353的硬件／軟件接口

　　FM353硬件接口提供最大200 K 的脈沖輸出，方向控制信號等，用于和步進驅動器連接，另外提供可編程4DI／4DO，一般用于參考點接近，使能，限位等信號的連接。軟件編程接口提供4個專用功能塊，POS—INIT（模塊初始化），POS—CTRL（模塊控制），POS—DIAG（模塊診斷），POS—MSRM（測量數據的讀取如當前位置值）和一個用戶數據類型接口UDT（程序中需要根據UDT創建背景數據塊）。FM353具有7種工作模式：JOG（手動模式）；OPEN — LOOP CTRL（開環控制模式）；REFPOINT APPROACH（參考點逼近模式）；INCRE—MENT RELATIVE（相對增量定位模式）；MDI（手動數據輸入模式）；
AUTOMATIC（自動NC程序執行模式）；AUTOMATIC SIGNAL BLOCK（自動NC程序塊模式）。

　　FM353具有獨立的MPI地址，本質上CPU 對FM353的控制就是CPU 和FM353之間數據交換的過程，POSCTRL承擔了這樣的工作。從UDT的接口而言，重要的是需要了解Ctrl&CheckBacksignal（控制和回饋信號）以及工作請求信號（讀寫請求）在UDT 中的位置和各種信號的含義，該信號在UDT結構中以首地址偏移14—27字節的位置。控制信號中定義了FM353的模式和模式參數（例如給偏移16字節的地址賦值可以改變FM353的上述的工作模式），各種模式下的啟動條件（例如JOG模式的正反信號，啟動停止等）；回饋信號定義了FM353在各種模式下給出的狀態信號，用戶可以通過判別各種信號來得知當前FM353的工作狀態。對于西門子FM 模塊而言，工作請求號和工作請求參數是一個通用的概念，工作請求命令和功能塊POS—CTRL配合，實現CPU 和FM 模塊之間的數據交換。FM353也不例外。UDT 中也定義了各種工作請求的信號（．DBX38．0. ．DBX39．7）和工作請求的準備好信號（．DBX44．0. ．DBX53．7）和錯誤信號（．DBX54．0. ．DBX63．7），需要注意的是，這3種信號必須遵循一定的時序關系，必須在準備好的條件下發出工作請求，然后復位準備好和錯誤信號，并且需要請求信號本身，否則，請求不被接受而導致程序出現問題（程序參閱FC101）。

　　3．2 FM353的參數化和手動測試

　　（需要安裝FM353參數化工具包）FM353的參數化工具包提供了相當友好的參數化和測試界面。在硬件組態中雙擊“FM353STEPPER 一”，彈出FM353的參數化對話框。對于用戶而言，MD（機器數據）數據是FM353和步進驅動器和機械數據的接口，實際上MD也是存儲于依據UDT 創建的背景DB內，每個MD在FM353內有一個地址，用戶可以在參數化界面參數化MD數據，也可以在程序中讀寫MD 數據。在界面中的“MD“按鈕按下時會彈出MD配置界面，MD11／12定義電動機每轉一圈進給的行程，MDI3定義電動機每轉一圈需要發送的脈沖數，MD41是最高頻率限制。這些參數需要依據步進系統和機械結構的配合進行設定。切換到Refereance Point標簽頁，可以設置回參考點的逼近方向（MD18）和速度（MD28）／N：速（MD29）。參數化完成之后，產生系統數據塊（SDB 大于等于1 000）。前提條件：在線連接模板FM353。在模板FM353的參數配置界面中，鼠標點擊File>CreateSDB，生成FM353模塊系統數據塊SDBl010。然后裝載系統數據塊SDB1000，從PC到FM353模塊的RAM 區。將MD數據傳輸到FM（Transfer data toFM）后，就可以在提綱界面上進入連線手動測試（點擊“STARTUP”）。需要注意的是，連線手動測試必須在CPU STOP的模式下進行。

　　3．3 FM353的編程，讀寫工作請求的意義

　　JOG，REF，SM 增量模式（也可用MDI模式）是完成一個定位任務必須的過程。特別需要注意的是，SM，MDI，AUTOMATIC等模式除了啟動條件必須滿足外，還需要有事先找到參考點（在REF模式下完成），手冊中稱之為軸的同步化，換句話說，要想做進入任一種定位模式，必須先做參考點逼近的動作。否則，FM 進入SF的錯誤狀態，需要發出重新啟動FM 的命令。（參閱手冊9—15／16）讀寫工作請求用來傳送位置，速度等數據給FM，所以每改變這些相關的數據時，必須根據數據的類型（例如改變位置數據或速度數據）發布一次相關的工作請求。否則數據不會寫入FM。在這項工作中，尤其需要注意的是，要注意復位工作請求位，否則工作請求不被接受，導致數據傳輸不成功。

　　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到已經建立的S7—300站項目的程序塊Block下。我編寫的程序由主程序OB1、冷啟動程序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、準備和錯誤信息等的功能塊。

　　FC1是執行讀操作、寫操作以及各種控制模板、反饋模板的狀態信息的功能塊。

　　FC2是在一些FM353致命錯誤造成的診斷中斷組織塊OB82調用FC2可以得到關于FM353模板的診斷信息。

　　FC3是用于長度測量。

　　UDT1包含了所有相關FM353操作命令和狀態返回信息等等，使用UDT1生成數據塊DB100，并定義工藝需要的數據。程序的流程圖見圖2所示。

　　5 結束語

　　本系統已經成功完成了醫療設備的老化實驗，實驗過程中系統運行穩定可靠。應用中關鍵是模塊FM353的使用問題，FM353模塊的數據交換是要依靠讀寫工作號完成的，但在請求號的時序安排上經過多次修改測試才完成。

　　參考文獻

　　1 西門子（中國）有限公司．STEP7 V5．3[x]．西門子，2004．

　　2 四通電機．混合式步進電機及其驅動器[x]．四通公司，2005．