基于無(wú)線通訊的斗輪機(jī)聯(lián)鎖控制

何超

摘 要：根據(jù)工作現(xiàn)場(chǎng)需要設(shè)計(jì)一套可以無(wú)線連接斗輪機(jī)和地面工作站的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。工作基礎(chǔ)是結(jié)合PLC和數(shù)傳電臺(tái)的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括硬件系統(tǒng)的連接和軟件系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)測(cè)試試驗(yàn)證明，系統(tǒng)安全可靠，而且成本較低，使用方便，可以在行業(yè)內(nèi)推廣使用。

關(guān)鍵詞：PLC；無(wú)線通訊；斗輪機(jī)；聯(lián)鎖

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.130

0 引言

在交通運(yùn)輸行業(yè)中，海洋航運(yùn)是大型貨物和重要原材料運(yùn)輸?shù)闹饕\(yùn)輸方式。而海洋航運(yùn)的中轉(zhuǎn)站是碼頭，因此碼頭上貨物裝卸的效率對(duì)于整個(gè)航運(yùn)甚至整個(gè)經(jīng)濟(jì)的運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。由于港口作業(yè)需要連續(xù)進(jìn)行，一般需要對(duì)同時(shí)作業(yè)的兩臺(tái)斗輪機(jī)進(jìn)行聯(lián)鎖控制。進(jìn)行總控制的是設(shè)置在地面上的中央控制室地面工作站上的PLC。目前普遍使用電纜將控制室和斗輪機(jī)上的PLC進(jìn)行連接，用以傳輸控制信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的交流。但是在實(shí)際工作中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)控制室的PLC與斗輪機(jī)上的PLC無(wú)法進(jìn)行通訊，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的情況。而一旦出現(xiàn)這樣的情況就會(huì)影響物料裝卸的速度和效率。后期需要投入巨大的資金和精力對(duì)電纜進(jìn)行維修。因此需要通訊控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)斗輪機(jī)的聯(lián)鎖控制，降低出現(xiàn)此類故障的頻率，提高工作效率。

1 通訊系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)傳電臺(tái)組網(wǎng)的理論計(jì)算

在本次設(shè)計(jì)中，被改造的的斗輪機(jī)的高度（地面距離頂端）h1≈26m，而地面中央控制室的房頂高度h2≈5m。根據(jù)雷達(dá)通視距離公式

D=4.12*（SQRT（h1）+SQRT（h2））

可知能夠進(jìn)行無(wú)線通訊的最大距離的理論值

D=4.12*（SQRT（26）+SQRT（5））≈30km

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到中央控制室地面工作站與斗輪機(jī)的實(shí)際距離為D1=2km。D1

由于電臺(tái)所要求的信號(hào)強(qiáng)度在-85dBm左右，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，截取30m長(zhǎng)，電阻為50歐姆的電纜作為通訊系統(tǒng)的信號(hào)線。

1.2 PLC數(shù)字量的輸入輸出點(diǎn)

斗輪機(jī)的輸入信號(hào)DI是控制室的輸出信號(hào)DO。反之，斗輪機(jī)的輸出信號(hào)DO就是控制室的輸入信號(hào)DI。在正常工作中，斗輪機(jī)上PLC的數(shù)字量輸入點(diǎn)一般有斗輪機(jī)啟動(dòng)和斗輪機(jī)準(zhǔn)備就緒（裝料或者卸料），當(dāng)然還有地面或者斗輪機(jī)自身的故障信號(hào)。而斗輪機(jī)的數(shù)字輸出點(diǎn)有地面站啟動(dòng)與停止，地面皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)與停止以及其他一些備用輸入輸出點(diǎn)。同時(shí)為了避免PLC的信號(hào)與其他系統(tǒng)的電氣信號(hào)產(chǎn)生聯(lián)系導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤，這里使用特殊繼電器對(duì)PLC信號(hào)進(jìn)行隔離。

1.3 連接PLC與電臺(tái)

斗輪機(jī)與地面站之間借助電臺(tái)使用無(wú)線傳輸連接。而在斗輪機(jī)和地面站上，PLC通過(guò)轉(zhuǎn)換器與電臺(tái)連接。為了保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣韧瑫r(shí)滿足數(shù)據(jù)信號(hào)長(zhǎng)度，電臺(tái)和PLC使用的串行接口不同，不同的接口不能直接進(jìn)行連接，因此需要借助隔離轉(zhuǎn)換器來(lái)連接電臺(tái)和PLC。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)初始化程序的設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)運(yùn)行啟動(dòng)之前，需要先對(duì)無(wú)線通訊的兩端的狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，避免因?yàn)闋顟B(tài)不合適發(fā)送錯(cuò)誤指令導(dǎo)致事故。在PLC每次運(yùn)行前，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，確保系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備出于初始位置，能夠根據(jù)傳輸指令做出相應(yīng)動(dòng)作。

2.2 系統(tǒng)響應(yīng)程序（正常工作控制程序）的設(shè)計(jì)

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化后就可以進(jìn)入正常響應(yīng)程序，也就1.2中提到的各種數(shù)字量的輸入輸出信號(hào)的交流與反饋。在PLC進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)普遍使用16進(jìn)制進(jìn)行以提高工作效率，而傳輸?shù)男盘?hào)一般就是2位16進(jìn)制。當(dāng)斗輪機(jī)的PLC的某一個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)通過(guò)無(wú)線通訊向地面工作站內(nèi)發(fā)送一個(gè)信號(hào)。而地面站在接收到這個(gè)信號(hào)之后需要根據(jù)這個(gè)信號(hào)向斗輪機(jī)發(fā)出一個(gè)反饋信號(hào)，同時(shí)還要根據(jù)接收到的信號(hào)改變某一個(gè)對(duì)應(yīng)數(shù)字量輸出點(diǎn)的狀態(tài)，從而控制某一設(shè)備進(jìn)行響應(yīng)的反饋動(dòng)作。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

2.3 定時(shí)檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)啟動(dòng)以后就出于一種無(wú)線通訊的狀態(tài)下，為了避免出現(xiàn)有線通訊時(shí)的通訊中斷或者故障的情況，需要對(duì)通訊狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)以保障正常運(yùn)行，因此設(shè)計(jì)定時(shí)檢測(cè)程序，定時(shí)檢測(cè)的時(shí)間間隔設(shè)定為半小時(shí)。首先地面工作站向斗輪機(jī)上的PLC發(fā)送檢測(cè)信號(hào)，斗輪機(jī)接收到此信號(hào)后向地面工作站回復(fù)相應(yīng)信號(hào)。如果地面站接收到響應(yīng)信號(hào)，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。反之，則通訊中斷，面站繼續(xù)發(fā)送檢測(cè)信號(hào)等待斗輪機(jī)的回應(yīng)并進(jìn)入中斷通訊的計(jì)時(shí)程序。第一次檢測(cè)是在系統(tǒng)初始化之后進(jìn)行，這時(shí)如果接收到斗輪機(jī)的響應(yīng)信號(hào)，說(shuō)明系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始正常工作。定時(shí)檢測(cè)程序的流程圖如圖所示。

2.4 斷電報(bào)錯(cuò)及故障處理程序

為了避免地面工作站與斗輪機(jī)上PLC之間的通訊沖突，需要給系統(tǒng)設(shè)計(jì)斷電報(bào)錯(cuò)系統(tǒng)以維持其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)孛嬲緮嚯姇r(shí)，就無(wú)法向斗輪機(jī)發(fā)送控制信號(hào)，這時(shí)系統(tǒng)的執(zhí)行設(shè)備可能就會(huì)停止在工作中間位，造成許多安全隱患。因此需要在地面工作站準(zhǔn)備不間斷電源應(yīng)對(duì)斷電情況。在地面站斷電后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)使用不間斷電源來(lái)執(zhí)行斷電報(bào)錯(cuò)程序。斷電會(huì)使地面站PLC上的數(shù)字量輸出點(diǎn)0.0復(fù)位，這種復(fù)位作為一種啟動(dòng)信號(hào)來(lái)激活地面PLC的斷電報(bào)錯(cuò)程序。地面PLC此時(shí)會(huì)向斗輪機(jī)發(fā)送斷電信號(hào)，而斗輪機(jī)上的PLC在接收到這個(gè)信號(hào)以后會(huì)通過(guò)電臺(tái)向地面PLC發(fā)出響應(yīng)信號(hào)，同時(shí)斗輪機(jī)也進(jìn)入故障狀態(tài)。

如果沒(méi)有接收到就會(huì)繼續(xù)向斗輪機(jī)發(fā)送斷電信號(hào)，直至斗輪機(jī)PLC發(fā)回響應(yīng)信號(hào)或者超過(guò)設(shè)置的時(shí)間停止所有工作。當(dāng)然在地面站接收到這一響應(yīng)信號(hào)之后就會(huì)啟動(dòng)故障處理程序。故障處理程序運(yùn)行以后，只有故障位進(jìn)行置位操作，其他所有數(shù)字量輸出點(diǎn)都要進(jìn)行復(fù)位。直到故障處理程序結(jié)束，所有數(shù)字量的輸出位狀態(tài)都不能改變以避免設(shè)備出現(xiàn)錯(cuò)誤響應(yīng)造成不必要的損失。

3 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

3.1 有線通訊測(cè)試

數(shù)傳電臺(tái)和PLC之間是借助轉(zhuǎn)換器進(jìn)行有線連接。而實(shí)際上斗輪機(jī)上的PLC和地面站的PLC之間的數(shù)據(jù)交換信息交流采用的是非標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議。首先對(duì)這兩臺(tái)PLC的有線通訊進(jìn)行測(cè)試，確保選用的PLC能夠完成數(shù)據(jù)交換。由于在設(shè)計(jì)中使用的S7-200型號(hào)的PLC是使用RS485標(biāo)準(zhǔn)的串行接口，所以使用兩頭一樣的9孔的PLC通訊電纜連接這兩個(gè)PLC的串行接口。然后依次分別觸發(fā)斗輪機(jī)和地面站上的對(duì)應(yīng)的18個(gè)信號(hào)并記錄地面控制站和斗輪機(jī)的反饋信號(hào)及動(dòng)作。最終測(cè)試結(jié)果顯示，所有的反饋信號(hào)和動(dòng)作都與觸發(fā)信號(hào)相符，PLC之間的有線通訊沒(méi)有問(wèn)題。

3.2 無(wú)線通訊測(cè)試

將整個(gè)設(shè)計(jì)的硬件設(shè)施裝配完畢，軟件程序上載完成以后對(duì)無(wú)線通訊進(jìn)行測(cè)試。由于設(shè)備實(shí)際工作耗能較大，這里通過(guò)對(duì)比斗輪機(jī)與地面站之間發(fā)射和接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值的方法來(lái)模擬測(cè)試系統(tǒng)的無(wú)線通訊功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試可知，系統(tǒng)無(wú)線通訊功能正常，可以借助PLC和數(shù)傳電臺(tái)實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)和地面站之間的無(wú)線通訊。

4 總結(jié)

通過(guò)實(shí)際分析斗輪機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，判斷頻繁導(dǎo)致通訊故障的原因是在斗輪機(jī)裝卸物料的過(guò)程中會(huì)不可避免的對(duì)有線通訊的電纜器件造成損壞。而之前的解決措施只是對(duì)問(wèn)題進(jìn)行修補(bǔ)，不能從根本上解決。本文設(shè)計(jì)的方案，不再使用容易破損的通訊電纜，而是借助PLC和數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行無(wú)線通訊，不需要考慮電纜破損的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)地使用測(cè)試，該設(shè)計(jì)通訊功能良好，可以滿足工作需要。降低了出現(xiàn)故障的可能，而且在后期的使用和保養(yǎng)時(shí)也降低了人力和財(cái)力成本。

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