摘 要：EAST裝置中調節ICRH天線阻抗的真空調諧電容必須實現遠程控制。基于串口通信技術，采用上下位機的形式，以工控機為上位機、以西門子PLC為下位機實現了真空調諧電容的遠程控制，其中上位機控制界面采用虛擬儀器開發軟件LabVIEW實現，不僅實現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（實驗型先進超導托卡馬克）作為我國自行設計、研制的第一個全超導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將由原液態調配系統改進為真空調諧電容調匹配。在等離子體放電過程中，實驗人員不能靠近聚變裝置，而調諧電容距離控制室為100余米，因此，對天線阻抗的匹配調節必須實現遠程控制。 1 遠程控制系統框圖 　　控制系統上位機采用工控機，下位機采用西門子S7-224PLC，在計算機串口與PLC的通信口之間實現監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物理協議轉換器即可，此處采用JARA2102轉換器。執行機構為驅動器控制的安川高精度伺服電動機，型號為SGMAH-08ADA，由其帶動調諧電容的外部螺桿旋轉實現電容的改變，二者之間通過聯軸器連接，同時驅動器工作在位置控制模式下。整個控制系統硬件連接框圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 遠程控制系統框圖[/align] 2 上下位機間的通信協議 　　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議。為此，我們約定上下位機間的通信由上位機發起，并且上位機每發送一個命令幀都要求下位機反饋一幀數據，這樣上位機可以監控命令的執行情況，并對反饋的數據進行處理。 　　上位機命令幀的格式如下表所示，其中左邊的33個字節為上位機命令幀格式，右邊的13個字節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，認為是一幀數據的開始，結束字符規定為字母“G”，下位機用該字符判斷一幀數據的結束。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。 　　在數據傳輸過程中，指令可能受到干擾而發生錯誤，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行，方法之一便是使用校驗碼，本文中規定為Byte1～29字符串的ASCII碼以字節為單位作異或和。 　　根據上述指令格式，若上位機向下位機的VB000中寫入2000個脈沖，應發送的命令幀為“g602080000C808000007D0000000003CG”，其中“3C”為校驗碼。 3 上位機程序設計與實現 　　3.1上位機程序流程設計 　　程序運行以后，首先進入While循環，在此循環內程序按照圖2所示的流程圖循環執行。首先根據設定的串口通信參數打開串口，此處須注意串口參數的設置必須與下位機一致，方能保證上下位機通信的正常進行。文中波特率設置為9.6kbps、1位起始位、1位停止位、8位數據位、無奇偶校驗。然后程序進入轉動命令的判斷，用三個箝套的CASE語句分別判斷電機正、反、停轉。如果正轉或者反轉按鈕被按下，則先發送電機轉動角度所需要的脈沖數，然后延時等待回讀PLC的反饋幀，根據該反饋幀用CASE語句判斷脈沖數據幀是否被正確發送，如果發送錯誤則指示燈以紅顏色顯示，提示重新發送;如果脈沖數據幀已經正確發送，則發送送轉動命令幀，然后延時等待回讀PLC的反饋幀，如果發送錯誤也使指示燈以紅顏色顯示，提示重新發送;如果按下停轉按鈕，則直接發送表示停止轉動的命令幀。最后程序更新電容值并關閉串口。 [align=center] 圖2 上位機程序流程設計[/align] 　　3.2 子VI程序的編制 　　為方便實現主程序的功能，分別編制了幾個子程序即：轉速命令幀打包.VI、脈沖數據幀打包.VI、轉動命令打包.VI，這幾個子程序的編制類似，下面只列出脈沖數據幀打包.VI（未包含起始字符），當需要向下位機VD200中寫入脈沖數據時，其程序前后面板如圖3所示： [align=center] 圖3脈沖數據幀前后面板[/align] 　　3.3 LabVIEW實現上位機控制界面 　　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，數據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于我們所熟悉的ASCII字符，數據必須轉換為ASCII字符串才能進行發送和接收。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。 　　實際使用串口讀/寫函數時，為了確保讀寫數據的正確，一般在連續的兩次讀/寫串口時，應該有一段延時，此時間的長短與所發送的數據量有關，本文中的延時設置為80ms。 　　3.3.2 控制界面設計 　　在上位控制界面中根據實際的要求，需要能夠在上位機控制界面分別實現電容值的顯示、電機正/反轉速度的設置、轉動命令的發送、各種錯誤信息的提示等，用LabVIEW實現的上位機控制界面如圖4所示。 [align=center] 圖4 控制系統操作界面[/align] 4 系統測試結果 　　作為位置伺服控制系統，系統的優劣可以從三個方面來考察即：較高的定位精度、無超調的定位過程、較快的動態響應。對于本系統而言，在多次的測試過程中未見有超調的定位過程，因而主要檢驗控制精度和系統響應時間。經多次運行測試，系統在這兩方面的特性如下：本文中設置電機轉動的最小角度為0.72度，而電機每轉動一圈電容值改變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送轉速、脈沖數、轉動命令等，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、執行程序的延時，因此執行一次電機轉動操作大約需要300ms，整個系統應用EAST ICRH真空調諧電容遠程控制取得了較好的效果。 　　本文作者創新點：本文首次展示了應用LabVIEW實現西門子系列PLC自由口通信協議的方法，詳細闡述了協議實現的細節，對串口通信應用程序的開發也具有一定的借鑒意義。 參考文獻： 　　[1] 雷振山《LabVIEW 7 Express實用技術教程》，中國鐵道出版社，2005 　　[2] 鄧焱 、王磊《LabVIEW 7.1測試技術與儀器應用》，機械工業出版社，2004 　　[3] 西門子（中國）有限公司自動化與驅動集團,《 S7-200系統手冊》，2005 　　[4] 金元郁、龐中華 基于VC++與AI調節器串口通信的實時監控系統 微計算機信息，2005年第4期 　　[5] 李光明 李妍 李茜 用VB實現S7-300PLC與PC機的普通串口通信 微計算機信息，2005年07S期