基于PLC無線通訊并車技術的群吊控制*

李曉勉，于勝旺，華大鵬

(1.河南新起騰升起重設備有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453002;2.南陽供電公司，河南 南陽 473000)

1 引言

在起重機行業(yè)，原來抬吊百米軌道時，通過4臺U形門吊的操作者和地面指揮者之間的喊話來協(xié)調作業(yè)，既耗費了人力物力，作業(yè)精度也不高，造成資源的極大浪費。隨著無線通訊技術在工業(yè)控制領域的應用不斷深入，該技術在起重機電氣控制方面也得到開發(fā)和應用。由我廠設計并制作4臺20/10T－26M A5 U形門機，采用無線通訊技術和配套的自動吊具，實現(xiàn)了一人操作，4臺U形門機同時作業(yè)抬吊百米軌道的功能，從而提高了抬吊軌道的機械化程度，縮短了作業(yè)時間，提高了工作效率，對我國的起重行業(yè)電氣控制的發(fā)展具有十分重要的意義。

圖1 網絡框圖

2 系統(tǒng)結構

2.1 設計依據(jù)

常規(guī)的無線通訊技術有數(shù)字傳輸電臺、藍牙技術、Zigbee技術、GPRS/RTU技術等。其中，Zigbee是一個最多可由65000個無線數(shù)傳模塊組成的無線數(shù)傳網絡平臺，每一個Zigbee網絡數(shù)傳模塊類似移動網絡的一個基站，在整個網絡范圍內，它們之間可以進行相互通信;另外整個Zigbee網絡還可以與現(xiàn)有的其他的各種網絡連接。在做某鐵路項目中，鐵路焊軌基地采用4臺U形門吊，要求能夠實現(xiàn)四車無線聯(lián)動，本著優(yōu)質可靠、低成本的原則，本工程采用無線通訊Zigbee網絡，4臺門吊(代號為1#車、2#車、3#車、4#車)中 1#車為無線通訊的主站，2#、3#、4#為從站，組成無線局域網［1］。網絡框圖如圖1所示:

2.2 硬件設計

單臺U形門機的硬件由以下4部分組成［2］:

①各控制機構電動機，對應各機構的變頻器，對應各機構的主令控制器;②PLC部分包括:PLC的電源模塊、CPU及擴展輸入、輸出模塊及無線通訊模塊;③顯示同步信息、起升高度的人機界面及起反饋作用的旋轉編碼器;④安全保護裝置。各機構及起重機的安全保護裝置作為信號，來決定起重機及各機構是否可以運行，需要進入PLC的輸入部分，當條件滿足時，操作各機構主令，PLC的CPU通過無線通訊模塊實現(xiàn)PLC到PLC間無線通訊，從而控制4臺或4臺中任意組合的2臺或3臺U型門機進行同步運行。由于采用了變頻器控制，大大提高了控制精度。其硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

2.3 軟件設計

2.3.1 PLC 控制系統(tǒng)

全車采用PLC+變頻器控制。首先通過西門子S7－200系列的PLC作為集中控制中心，將系統(tǒng)的操作指令、設備狀態(tài)采集到PLC，采集現(xiàn)場的信號，采取相應的處理措施，實現(xiàn)對各個傳動點的控制。PLC通過無線通訊、RS485總線實現(xiàn)主、從站無縫連接，實現(xiàn)對變頻器的控制，并且接受變頻器的運行和報警信息，各機構采用安川公司起重G7通用型變頻器。PLC也通過現(xiàn)場總線接受安裝在現(xiàn)場的觸摸屏發(fā)出的動作信號采取工藝要求的動作，連接在PLC的物理輸入信號以及通過現(xiàn)場總線連接的傳動裝置將實際的動作情況傳至PLC，然后再由PLC傳送至安裝在現(xiàn)場的觸摸屏用于顯示和監(jiān)控。

PLC與各個變頻器之間采用硬接線連接，可以通過現(xiàn)場總線直接與PLC主站相連接，各個變頻器因此成為從站與PLC交換信息。PLC可以獨立地向各個變頻器發(fā)出運行、停止、速度等指令，同時各個變頻器也將自身的運行信息以及檢測到的電機狀態(tài)通過硬接線傳送至PLC。PLC通訊無線傳輸可發(fā)出同步指令，4車可同時接受運行命令和同步速度，能以毫秒級的速度進行變頻器與PLC之間的同步命令、同步速度及狀態(tài)監(jiān)視等數(shù)據(jù)交換［3－4］。

2.3.2 Zigbee 無線通訊系統(tǒng)

本系統(tǒng)選用是無線RS485/RS232無線透傳模塊，本模塊是針對現(xiàn)有的RS485總線(或RS232)開發(fā)的無線解決方案，實現(xiàn)RS485總線(或RS232)和無線通信之間的透明傳輸，可替換現(xiàn)有的RS485總線(或RS232)。在原有設備不做任何改動的情況下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，節(jié)省布線成本。模塊反應時間最短為5ms，可以滿足大部分應用的實時性需求，具有較高實時性，可替代PLC的485總線，接入PLC控制系統(tǒng)中時，典型的主站－從站輪詢周期為50ms。

每個Zigbee網絡節(jié)點不僅本身可以與監(jiān)控對象進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，它還可以自動中轉別的網絡節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料;除此之外，每一個Zigbee網絡節(jié)點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內，和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。每個Zigbee網絡節(jié)點(FFD和RFD)可支持多到31個的傳感器和受控設備，每一個傳感器和受控設備中可以有8種不同的接口方式?？梢圆杉蛡鬏敂?shù)字量和模擬量。

Zigbee技術的特點:低功耗，低數(shù)據(jù)量(250KPS)，低成本，使用免費的ISM頻段(2.4G)，高的抗干擾性能(DSSS)，高保密性(64位出廠編號和支持AES－128加密)，高集成度和高可靠性;節(jié)點模塊之間具有自動動態(tài)組網的功能，信息在整個Zigbee網絡中通過自動路由的方式進行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃裕瑫r也可以與現(xiàn)有的移動網、互聯(lián)網和其他通信網絡相連接。

2.3.3 程序實現(xiàn)

1)基本通訊理念。

1#將輪流和2#、3#、4#進行詢問，并更新狀態(tài);

為保證數(shù)據(jù)通訊的可靠性，每個數(shù)據(jù)將進行一次傳遞兩遍的方式，接收方進行對比后，予以接納;如果一次傳數(shù)據(jù)，等待若干時間后，從站沒有響應，將重新發(fā)送數(shù)據(jù)一遍，若還是沒有響應，將報通訊故障，此功能也稱為“握手效應”，顧名思義，只有雙方握到手后，方可進行下一步的工作。若兩次之后均無反應，將進行下一個站的數(shù)據(jù)交換;以此反復。

2)通訊格式定義。

每次需要傳送的狀態(tài)變量為24bits，定義如下，轉換為ASCII需要6個字節(jié):

nn——11表示開始地址;

pp——00表示1#站，通常本機對本機，不用;01表示2#站;10表示3#站;11表示4#站;

aaa——表示1#站的通訊狀態(tài)(1為正常);聯(lián)動狀態(tài);主機要求的投入狀態(tài);

bbb——表示2#站的通訊狀態(tài);聯(lián)動狀態(tài);主機要求的投入狀態(tài);

ccc——表示3#站的通訊狀態(tài);聯(lián)動狀態(tài);主機要求的投入狀態(tài);

ddd——表示4#站的通訊狀態(tài);聯(lián)動狀態(tài);主機要求的投入狀態(tài);

mmmmmmmm——表示 PLC 輸入點 I0.0－I0.7的狀態(tài)。

為了保證數(shù)據(jù)可靠，每次的狀態(tài)變量將連在一起發(fā)送兩遍;1#站的存儲區(qū):最新狀態(tài)數(shù)據(jù)存在變量寄存器VB0－VB1－VB2中;發(fā)送ASCII區(qū):VB10開始的12個byte;接收ASCII區(qū):VB30開始的12個byte;2#、3#、4#的存儲區(qū)同 1#。

3)編制程序及調試。

有了以上的基本通訊理念及通訊格式定義的要求，根據(jù)U形門機抬吊的工藝要求進行程序的具體編制，并進行調試，限于篇幅，在此不再展開論述。

4)通訊時間的計算。

每次發(fā)送6個ASCII碼，雙倍數(shù)據(jù)傳輸進行安全確認，需要11×6×2/9600×1000=14ms;正常通訊的一個輪回最短時間為:14ms×6+10ms×6=144ms;如果都是通訊故障，需要每個站詢問兩遍，并每次等待響應30ms，時間約為14×6+30×6=264ms。

2.4 功能實現(xiàn)

每臺U形門吊通過無線透傳模塊進行無線通訊，可將四臺車聯(lián)成整個系統(tǒng)，假設1#車的司機室為主司機室，其他車為副司機室。因此，通過主、副司機室內聯(lián)動臺上功能按鈕操作，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的單動、聯(lián)動功能操作。

單動模式:將主、副聯(lián)機室聯(lián)動臺上單動/聯(lián)動旋鈕旋至單動位置，每臺車各機構的動作不受外部車狀態(tài)影響，可以正常單獨工作，此時單動指示燈會點亮。

聯(lián)動模式:將各主副聯(lián)機室聯(lián)動臺上單動/聯(lián)動旋鈕旋至聯(lián)動位置，3臺副車各機構的動作在本司機室內將不能再操作，此時聯(lián)動指示燈會點亮。3臺副車機構動作僅受主司機室操控。

主司機室聯(lián)動臺上設有單動/聯(lián)動旋鈕，當主、副司機室單動/聯(lián)動旋鈕都旋至聯(lián)動位置時，2#投入/切除、3#投入/切除、4#投入/切除旋鈕起作用，通過這些按鈕控制4臺車是否參加投入工作，可任意投切選擇1臺、2臺或3臺投入工作。若是部分車單動/聯(lián)動旋鈕旋至聯(lián)動狀態(tài)，則只有投入聯(lián)動狀態(tài)車所對應的投切命令才起作用。

同步聯(lián)絡:當工藝要求多臺車同步控制時，主司機室發(fā)出同步操作請求信號，各副司機室聯(lián)動臺有同步聯(lián)絡聲光報警指示，提示副司機室駕駛員可進行聯(lián)動操作。如單動/聯(lián)動旋鈕旋至聯(lián)動位置時，主司機室將收到各車聯(lián)動狀態(tài)指示點亮應答信號;如單動/聯(lián)動旋鈕旋至單動位置時，主司機室的各車聯(lián)動狀態(tài)燈則處于熄滅狀態(tài)。

3 結語

通過采用Zigbee技術，實現(xiàn)了PLC之間的無線通訊及群吊控制的簡單化和精確控制，并首次在某鐵路局的焊軌基地投入使用，至今運營狀況良好。隨著鐵路焊軌基地生產效率的不斷提高，生產規(guī)模的不斷擴大，這種基于PLC無線通訊并車技術的群吊控制技術將得到越來越廣泛的應用，具有很好的市場前景。

［1］崔堅，李佳.西門子工業(yè)網絡通訊指南［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［2］張質文.起重機設計手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，2001.

［3］姚錫錄.變頻器控制技術與應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［4］張燕賓.常用變頻器功能手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.