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　　摘 要：根据医疗设备老化的需求，结合步进电动机控制系统的特点，使用西门子PLC一300和运动模块FM353控制步进电动机运动，实现设备在实际使用中运动的次数和机械寿命老化实验。

　　关键词:步进电动机 运动模块FM353  PLC

　　1 引言

　　这套步进电动机控制系统是为医疗设备老化实验而设计的。要求系统模拟人在使用设备过程中部件的运动，测试设备部件的使用寿命，以及测试相关联的刹车、软轨等是否符合设计要求。步进电动机最早是在上世纪20年代由英国人所开发。上世纪50年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电动机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良，使得今日步进电动机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。步进电动机无须位置和速度检测器件，也没有反馈电路，控制电路简单，价格低廉。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电动机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电动机用得最多。随着细分恒流驱动的提出，细分恒流驱动极大改善步进电动机运行的平稳性，提高匀速性，减轻甚至消除震荡。根据步进电动机控制系统的这些特点，本文介绍了采用西门子PLC一300和运动模块FM353控制步进电动机运动，模拟人使用医疗设备的过程，完成设备的机械和电气使用寿命的老化实验。

　　下面主要介绍采用西门子CPU314和数字量模块SM323，运动模块FM353以及四通的步进驱动器SH一20403来控制步进电动机运动系统电气部分的硬件、软件设计思路和过程等。

　　2 步进电动机控制系统

　　其电路系统结构框图如图1所示。

　　2．1 人机界面采用西门子TP170A触摸屏，可以控制3台步进电动机的启动和停止，手动运行和自动运行以及系统信息的显示等。

　　2．2 PLC采用西门子CPU314，适用于中等程序处理量的应用。输入输出模块采用西门子的数字量模块SM323。有8个数字量输入和8个数字量输出，用来控制刹车和检测运动是否到达限制位置。

　　2．3 运动控制模块采用西门子的FM353定位模块。它是步进电动机的定位模块，可以用于点到点定位任务以及复杂的运动模式。通过对它的设定，发出指令脉冲给步进电动机驱动器。

　　2．4 步进电动机驱动器采用四通的SH一20403驱动器。这是个细分恒流的驱动器，输入信号光电隔离，具有脱机保持功能，提供节能的自动半电流锁定功能，还具有错相保护功能。

　　3 FM353模块的使用方法和结构程序编制

　　3．1 FM353的硬件／软件接口

　　FM353硬件接口提供最大200 K 的脉冲输出，方向控制信号等，用于和步进驱动器连接，另外提供可编程4DI／4DO，一般用于参考点接近，使能，限位等信号的连接。软件编程接口提供4个专用功能块，POS—INIT（模块初始化），POS—CTRL（模块控制），POS—DIAG（模块诊断），POS—MSRM（测量数据的读取如当前位置值）和一个用户数据类型接口UDT（程序中需要根据UDT创建背景数据块）。FM353具有7种工作模式：JOG（手动模式）；OPEN — LOOP CTRL（开环控制模式）；REFPOINT APPROACH（参考点逼近模式）；INCRE—MENT RELATIVE（相对增量定位模式）；MDI（手动数据输入模式）；
AUTOMATIC（自动NC程序执行模式）；AUTOMATIC SIGNAL BLOCK（自动NC程序块模式）。

　　FM353具有独立的MPI地址，本质上CPU 对FM353的控制就是CPU 和FM353之间数据交换的过程，POSCTRL承担了这样的工作。从UDT的接口而言，重要的是需要了解Ctrl&CheckBacksignal（控制和回馈信号）以及工作请求信号（读写请求）在UDT 中的位置和各种信号的含义，该信号在UDT结构中以首地址偏移14—27字节的位置。控制信号中定义了FM353的模式和模式参数（例如给偏移16字节的地址赋值可以改变FM353的上述的工作模式），各种模式下的启动条件（例如JOG模式的正反信号，启动停止等）；回馈信号定义了FM353在各种模式下给出的状态信号，用户可以通过判别各种信号来得知当前FM353的工作状态。对于西门子FM 模块而言，工作请求号和工作请求参数是一个通用的概念，工作请求命令和功能块POS—CTRL配合，实现CPU 和FM 模块之间的数据交换。FM353也不例外。UDT 中也定义了各种工作请求的信号（．DBX38．0. ．DBX39．7）和工作请求的准备好信号（．DBX44．0. ．DBX53．7）和错误信号（．DBX54．0. ．DBX63．7），需要注意的是，这3种信号必须遵循一定的时序关系，必须在准备好的条件下发出工作请求，然后复位准备好和错误信号，并且需要请求信号本身，否则，请求不被接受而导致程序出现问题（程序参阅FC101）。

　　3．2 FM353的参数化和手动测试

　　（需要安装FM353参数化工具包）FM353的参数化工具包提供了相当友好的参数化和测试界面。在硬件组态中双击“FM353STEPPER 一”，弹出FM353的参数化对话框。对于用户而言，MD（机器数据）数据是FM353和步进驱动器和机械数据的接口，实际上MD也是存储于依据UDT 创建的背景DB内，每个MD在FM353内有一个地址，用户可以在参数化界面参数化MD数据，也可以在程序中读写MD 数据。在界面中的“MD“按钮按下时会弹出MD配置界面，MD11／12定义电动机每转一圈进给的行程，MDI3定义电动机每转一圈需要发送的脉冲数，MD41是最高频率限制。这些参数需要依据步进系统和机械结构的配合进行设定。切换到Refereance Point标签页，可以设置回参考点的逼近方向（MD18）和速度（MD28）／N：速（MD29）。参数化完成之后，产生系统数据块（SDB 大于等于1 000）。前提条件：在线连接模板FM353。在模板FM353的参数配置界面中，鼠标点击File>CreateSDB，生成FM353模块系统数据块SDBl010。然后装载系统数据块SDB1000，从PC到FM353模块的RAM 区。将MD数据传输到FM（Transfer data toFM）后，就可以在提纲界面上进入连线手动测试（点击“STARTUP”）。需要注意的是，连线手动测试必须在CPU STOP的模式下进行。

　　3．3 FM353的编程，读写工作请求的意义

　　JOG，REF，SM 增量模式（也可用MDI模式）是完成一个定位任务必须的过程。特别需要注意的是，SM，MDI，AUTOMATIC等模式除了启动条件必须满足外，还需要有事先找到参考点（在REF模式下完成），手册中称之为轴的同步化，换句话说，要想做进入任一种定位模式，必须先做参考点逼近的动作。否则，FM 进入SF的错误状态，需要发出重新启动FM 的命令。（参阅手册9—15／16）读写工作请求用来传送位置，速度等数据给FM，所以每改变这些相关的数据时，必须根据数据的类型（例如改变位置数据或速度数据）发布一次相关的工作请求。否则数据不会写入FM。在这项工作中，尤其需要注意的是，要注意复位工作请求位，否则工作请求不被接受，导致数据传输不成功。

　　4 PLC程序编制

　　首先需要拷贝、粘贴库文件“FMSTSV—L”中的程序块FC0、FC1、FC2、FC3、UDT1到已经建立的S7—300站项目的程序块Block下。我编写的程序由主程序OB1、冷启动程序OB100以及程序块FC4、FC5、FC6、FC1l、FC12、FC13、FC21、FC22、FC23、FC31、FC32、FC33、FC100等。

　　FC0是初始化控制信息、反馈信息、准备和错误信息等的功能块。

　　FC1是执行读操作、写操作以及各种控制模板、反馈模板的状态信息的功能块。

　　FC2是在一些FM353致命错误造成的诊断中断组织块OB82调用FC2可以得到关于FM353模板的诊断信息。

　　FC3是用于长度测量。

　　UDT1包含了所有相关FM353操作命令和状态返回信息等等，使用UDT1生成数据块DB100，并定义工艺需要的数据。程序的流程图见图2所示。

　　5 结束语

　　本系统已经成功完成了医疗设备的老化实验，实验过程中系统运行稳定可靠。应用中关键是模块FM353的使用问题，FM353模块的数据交换是要依靠读写工作号完成的，但在请求号的时序安排上经过多次修改测试才完成。

　　参考文献

　　1 西门子（中国）有限公司．STEP7 V5．3[x]．西门子，2004．

　　2 四通电机．混合式步进电机及其驱动器[x]．四通公司，2005．