1. 引言

本文是一篇綜合性非常強的文章，從PLC輸入輸出及步進電機接線開始，到PLC運動控制程序編寫，再到后續(xù)的ModbusTCP通信協(xié)議及上位機編程實現(xiàn)最終控制，涉及知識面比較廣，能夠讓我們很好地將所學(xué)知識結(jié)合起來。

2. 項目開發(fā)平臺

采用西門子TIA Portal V15編程軟件編寫運動控制程序，實現(xiàn)PLC（S7-1200系列：CPU1214C DC/DC/DC ）對步進電機的控制，再通過編寫ModbusTCP程序，將控制地址進行映射，從而方便上位機（VS 2019開發(fā)）與PLC進行通信，最終實現(xiàn)步進電機的運動方向、速度及距離的靈活控制。

涉及硬件：開關(guān)電源、S7-1200PLC、步進驅(qū)動器、步進電機、單軸模組、限位開關(guān)

涉及軟件：TIA Portal V15、VS2019、ModbusPoll（用于測試通信）

3. 硬件接線

4. PLC編程

步   驟	操作	說明
1	通過博圖軟件創(chuàng)建一個新的PLC項目， 根據(jù)硬件型號插入新設(shè)備，這里為 CPU 1214C DC DC DC
2	雙擊PLC的以太網(wǎng)口，設(shè)置IP地址， 這里設(shè)置為192.168.2.210
3	雙擊CPU，在脈沖發(fā)生器PTO/PWM選項中設(shè)置信號類型為PTO，脈沖輸出為Q0.0，方向輸出為Q0.1
4	新建一個工藝對象，名稱為軸1，通過基本參數(shù)>驅(qū)動器，設(shè)置脈沖輸出為Pulse1
5	通過擴展參數(shù)>位置限制，設(shè)置上下限位分別為I0.1和I0.2
6	通過擴展參數(shù)>回原點>主動，設(shè)置原點開關(guān)為I0.0
7	程序段1，調(diào)用MC_Power使能，各個引腳填寫如圖所示，其中Asix選擇軸1
8	程序段2，調(diào)用MC_MoveRelative，各個引腳填寫如圖所示，該程序段主要用于執(zhí)行相對運動
9	程序段3，調(diào)用MC_MoveAbsolute，各個引腳填寫如圖所示，該程序段主要用于執(zhí)行絕對運動
10	程序段4，調(diào)用MC_MoveJog，各個引腳填寫如圖所示，該程序段主要用于執(zhí)行前進和后退點動
11	程序段5，調(diào)用MC_Home，各個引腳填寫如圖所示，該程序段主要用于執(zhí)行歸零
12	程序段6，調(diào)用MC_Reset，各個引腳填寫如圖所示，該程序段主要用于執(zhí)行復(fù)位功能
13	程序段7，調(diào)用MC_Halt，各個引腳填寫如圖所示，該程序段主要用于執(zhí)行暫停功能
14	程序段8，調(diào)用MC_ReadParam，來讀取相關(guān)參數(shù)，各個引腳填寫如圖所示，該程序段主要用于讀取實時脈沖

5. 上位機開發(fā)思路

目前比較主流開發(fā)上位機的方式，主要是組態(tài)軟件（觸摸屏）、C#開發(fā)上位機，C#開發(fā)上位機與傳統(tǒng)的組態(tài)軟件之間的區(qū)別，主要體現(xiàn)在如下三個方面：

• 功能限制：組態(tài)軟件對于一些特定的需求或者邏輯，會有一定的局限性，使用上也受到軟件本身的約束；C#開發(fā)上位機完全自主開發(fā)，幾乎不存在功能上的限制，并且擴展方便。
• 技術(shù)要求：組態(tài)軟件最大的優(yōu)勢在于方便，因為它本身都集成了一些通用協(xié)議和元件，只需要按照使用說明進行組態(tài)配置即可；C#開發(fā)需要完全自己搭建框架和實現(xiàn)底層代碼，對開發(fā)者的技術(shù)要求會更高一些。
• 價格成本：組態(tài)軟件需要按套、按點位收費，意味著每個項目無形中都有一個基礎(chǔ)成本；C#開發(fā)上位機自主開發(fā)，不需要二次授權(quán)費用，并且開發(fā)一套之后，可以快速應(yīng)用到其他項目中。

采用C#上位機開發(fā)，首先需要考慮的是通信問題。西門子S7-1200支持很多種不同的通信協(xié)議，包括S7、ModbusTCP、TCP/IP、UDP、OPC等，從開發(fā)成本上來說，我們優(yōu)先考慮S7和ModbusTCP，對于S7和ModbusTCP通信協(xié)議，比較一下兩者的優(yōu)缺點：

• S7協(xié)議為西門子內(nèi)部協(xié)議，協(xié)議本身不公開，需要調(diào)用或者自己開發(fā)通信庫，使用S7通信協(xié)議需要勾選CPU中的允許來自遠程對象的PUT/GET通信訪問。
• ModbusTCP為公開、免費協(xié)議，可以自己開發(fā)通信庫或者使用開源庫，使用ModbusTCP通信協(xié)議需要編寫一定的PLC程序來實現(xiàn)地址映射。

從公開免費和使用范圍的角度來考慮，這里采用ModbusTCP通信協(xié)議，因為學(xué)會了ModbusTCP，意味著市場上的大部分儀表、PLC通信都可以搞得定，PLC程序編寫如下如下所示：

• 創(chuàng)建DB塊

  這里首先創(chuàng)建一個DB塊，里面包含了常用的一些操作和參數(shù)設(shè)置，值得注意的是，由于Modbus保持型寄存器的Bit位操作比較麻煩，因此這里我們統(tǒng)一使用Word類型來代替Bit。

• Modbus地址與PLC地址的映射（控制位）

• Modbus地址與PLC地址的映射（參數(shù)地址）

• ModbusServer程序編寫

• 上位機UI界面設(shè)計

• ModbusTCP通信庫

  上位機開發(fā)功能實現(xiàn)的核心在于ModbusTCP通信庫編寫，由于Modbus協(xié)議是公開免費，可以自己根據(jù)Modbus協(xié)議來開發(fā)，也可以使用開源的Modbus庫，如NModbus等，有了ModbusTCP通信庫之后，我們可以將更多的精力放在業(yè)務(wù)處理及邏輯處理上面。

6. 上位機功能開發(fā)

• 首先創(chuàng)建一個Windows窗體應(yīng)用項目，項目名稱為thinger.com.MotionPro。
• 日志顯示功能：日志顯示采用ListView進行顯示，綁定一個ImageList用來區(qū)分信息、報警、錯誤，添加日志方法的參數(shù)包含日志等級及日志內(nèi)容。
• 自己開發(fā)ModbusTCP通信庫或者使用開源庫，該庫應(yīng)該具備建立連接、斷開連接、預(yù)置寄存器、讀取寄存器的功能。
• 建立連接和斷開連接：這里通過按鈕實現(xiàn)建立連接和斷開連接2個功能。
• 相對位置運動：設(shè)置相對運動速度和相對運動位置，實現(xiàn)電機的相對運動。
• 絕對位置運動：設(shè)置絕對運動速度和絕對運動位置，實現(xiàn)電機的相對運動。
• 點動運動模式：設(shè)置點動運動速度，按住正向點動或者反向點動，實現(xiàn)電機的點動運動。
• 回原點模式：點擊回原點，可以控制物體回到原點位置并停止。
• 運動停止、運動暫停、復(fù)位相關(guān)功能。
  
  

7. 寫在最后

這個項目整體來說難度不是很大，但是涉及的知識面比較廣，非常適合上位機初學(xué)者進行學(xué)習(xí)和練手。

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