基于PLC的移動(dòng)機(jī)械位置檢測(cè)系統(tǒng)

秦凱焌，李 徽

（湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，岳陽(yáng)414006）

PLC 從硬件組成上可歸類為一種控制器，其硬件組成一般和通用的計(jì)算機(jī)并無(wú)區(qū)別，存儲(chǔ)器、中央處理器等部件都屬于PLC 的硬件組成范疇，由于PLC通常處于一種惡劣的工業(yè)環(huán)境、比如地下、礦井，粉塵污染嚴(yán)重的車間上產(chǎn)線、潮濕的空間等等，因此其硬件構(gòu)成往往要求嚴(yán)格。PLC 的工作繼承了傳統(tǒng)的繼電器-接觸器很多思路，同時(shí)增加了眾多的存儲(chǔ)器用來(lái)配合CPU 工作，因此功能得到大大增強(qiáng)。 而且通過(guò)模擬輸入輸出或者數(shù)字量輸出，用來(lái)控制工業(yè)上的各種各樣的自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程，是自動(dòng)控制中最關(guān)鍵部分。

1 基于可編程控制器的移動(dòng)機(jī)械位置檢測(cè)系統(tǒng)

以PLC 為核心構(gòu)建的機(jī)械位置檢測(cè)系統(tǒng)在控制上屬于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，關(guān)鍵的技術(shù)類型是感應(yīng)式的無(wú)線通信技術(shù)，這是一種在類型上介于無(wú)線通信和有線通信之間的比較新穎的通信方式。 具體做法是通過(guò)在移動(dòng)裝置上安裝感應(yīng)天線，并且和軌道的編碼電纜相互感應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)通信。 在這一過(guò)程中將天線在編碼電纜的長(zhǎng)度方向上的位置感應(yīng)出來(lái)，尤其適用于機(jī)械的精確定位，并且還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作或者是移動(dòng)機(jī)械自動(dòng)化操作。 采用這種新型的通信技術(shù)對(duì)于無(wú)線通信易受外界干擾信號(hào)影響通信質(zhì)量、 有線通信方式拖帶電纜易磨損的缺點(diǎn)比較容易克服，具有比較強(qiáng)的可靠性，本控制系統(tǒng)主要由地面中控室和機(jī)上部分組成， 如圖1所示。

圖1 定位控制系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Composition of positioning control system

1.1 機(jī)上部分

對(duì)于機(jī)上部分而言， 作為系統(tǒng)的控制中樞，同時(shí)為了提高系統(tǒng)的兼容性能，主控器部分采用了西門子的S7-200 系列，由機(jī)上局和車上控制器組成機(jī)上部分，機(jī)械工作狀態(tài)以及裝置的運(yùn)行信息則由控制器來(lái)負(fù)責(zé)， 向機(jī)械裝置發(fā)出各種各樣的動(dòng)作指令，機(jī)上局則通過(guò)編碼扁平電纜和天線箱和中控室進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信聯(lián)絡(luò)。

1.2 地面中控室的介紹

地面中控室以控制中心為關(guān)鍵設(shè)備，輔以計(jì)劃記錄裝置、動(dòng)畫(huà)工控機(jī)，控制中心在這里的地位就相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的中控機(jī)，由西門子的S7-300 系列可編程控制器、通信設(shè)備和地面位置檢測(cè)設(shè)備組成。

1.3 系統(tǒng)通信媒介

通信媒介由兩個(gè)收發(fā)端組成，分別是終端裝置箱和始端裝置箱，此外，天線設(shè)計(jì)成專門的待屏蔽作用的箱體，連接這些裝置的是編碼電纜。 另外，接收天線和發(fā)送天線在安裝的時(shí)候采用了隔離措施，使得它們的位置檢測(cè)互不干擾，可以保證檢測(cè)的穩(wěn)定性，并且在結(jié)構(gòu)上采用全密封結(jié)構(gòu)，對(duì)于惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境能夠有效的克服[1]。

2 機(jī)械位置檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

以PLC 為控制核心的位置檢測(cè)系統(tǒng)由三個(gè)部分有機(jī)結(jié)合成一體，其中最主要的是感應(yīng)無(wú)線通信技術(shù)，另外，為了對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行屏蔽，采用了差分接收技術(shù)。 這個(gè)系統(tǒng)采用的工控機(jī)來(lái)自于研華工控機(jī)， 這種類型的工控機(jī)可以長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作，機(jī)箱的結(jié)構(gòu)是鋼架結(jié)構(gòu)，可以有效地防止外界的沖擊，并且可以防塵、防磁。 系統(tǒng)的電源經(jīng)過(guò)抗干擾設(shè)計(jì)，在安裝的時(shí)候非常方便[2]。

2.1 數(shù)據(jù)通信鏈路

整個(gè)數(shù)據(jù)通信鏈路的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，上面的箭頭指令的信號(hào)流動(dòng)方向，下面的箭頭是機(jī)械信號(hào)的流動(dòng)方向。 天線和編碼電纜通過(guò)感應(yīng)的方式進(jìn)行雙向傳輸，有效傳輸距離范圍是5～25 mm[3]。

圖2 感應(yīng)無(wú)線系統(tǒng)通信鏈路框圖Fig.2 Communication link block diagram of induction wireless system

計(jì)劃指令是由計(jì)劃記錄集通過(guò)RS-232 接口向?qū)崟r(shí)控制中心傳送，然后再經(jīng)過(guò)中央處理器重新編碼以后形成一系列壓縮的指令，再通過(guò)通信模塊將各個(gè)地上局進(jìn)行傳送，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)制以及信號(hào)放大之后由扁平電纜發(fā)送出去。

編碼電纜和移動(dòng)裝置上面的接收天線距離非常短，一般不會(huì)超過(guò)20 mm，可以在這么短的距離之內(nèi)通過(guò)感應(yīng)的方式，將調(diào)制信號(hào)接收過(guò)來(lái)，緊接著這些信號(hào)因?yàn)楸容^微弱，還需要通過(guò)放大器進(jìn)行信號(hào)放大，然后經(jīng)過(guò)幾條線解調(diào)以后，信號(hào)被還原成為編碼，在PLC 的內(nèi)部，將這些編碼通過(guò)程序進(jìn)行解釋以后，形成具體的執(zhí)行命令，這些命令被傳送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)規(guī)定的動(dòng)作在液晶顯示屏上將整個(gè)過(guò)程的執(zhí)行狀態(tài)顯示出來(lái)。

同樣的道理，各個(gè)移動(dòng)的機(jī)械械的位置信息可以按照下面的箭頭方向，最終向計(jì)劃記錄及傳送并最終形成定位記錄，與此同時(shí)信息也會(huì)傳送給實(shí)施動(dòng)畫(huà)機(jī)來(lái)對(duì)定位的動(dòng)態(tài)進(jìn)行顯示。

2.2 差分接收技術(shù)

在這一套控制系統(tǒng)當(dāng)中，由于各種各樣外界的雜散干擾信號(hào)存在，必須采用雙天線接收技術(shù)來(lái)克服這些干擾，將那些信號(hào)利用差分相減的原理消除掉。 兩個(gè)天線之間的距離很近，并且編碼電纜的距離也非常近，一旦兩個(gè)天線和編碼發(fā)出來(lái)的信號(hào)距離比較近的時(shí)候，感應(yīng)信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)幅度上的波動(dòng)，距離越近則感應(yīng)幅度越大相反感應(yīng)的幅度就會(huì)比較弱，通過(guò)差分電路進(jìn)行削弱之后還不能完全將這些差異抵消，通過(guò)放大之后，它們才能成為可以用的信號(hào)。 而對(duì)于那些距離比較遠(yuǎn)的干擾信號(hào)，由于到達(dá)兩個(gè)天線有近似相等的距離，因此通過(guò)查分電路之后信號(hào)削弱，這樣可以保證有用信號(hào)從干擾信號(hào)當(dāng)中過(guò)濾出來(lái)，對(duì)于通信的穩(wěn)定可靠性非常有利。

3 位置檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

編碼扁平電纜沿著軌道等安裝好，將移動(dòng)機(jī)械的信號(hào)向地面控制室進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，編碼電纜傳送機(jī)控制器以及布置在地面的網(wǎng)絡(luò)中心對(duì)外發(fā)送信號(hào)，而且這些信號(hào)送達(dá)到動(dòng)畫(huà)中控室的位置感應(yīng)裝置，從而將各個(gè)移動(dòng)機(jī)械的動(dòng)態(tài)位置精確地檢測(cè)到。

3.1 上位機(jī)軟件

在上位機(jī)管理軟件當(dāng)中，串行通信模塊和主模塊采用的編程工具是c++， 界面良好和當(dāng)前的word界面非常相似，因此人機(jī)交互性能非常好，另外由于c++的編程和系統(tǒng)的硬件非常接近， 因此它的一致性非常高，工作穩(wěn)定高效。 在進(jìn)行代碼編寫(xiě)的時(shí)候，要盡量避免使用控件，這樣對(duì)于系統(tǒng)可維護(hù)性是非常有利的。

可以將網(wǎng)絡(luò)接口劃分為統(tǒng)計(jì)模塊、記錄模塊和計(jì)劃模塊三個(gè)模塊，它們的主要作用就是提供動(dòng)態(tài)工作的一系列數(shù)據(jù)，以便于用戶對(duì)工作狀況和情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的查詢和管理。

通過(guò)DreamWerver3.0 軟件對(duì)主頁(yè)面進(jìn)行編輯任何一個(gè)功能模塊都設(shè)置有相應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面，其主要的功能可以描述如下：

計(jì)劃部分這一部分主要的作用就是建立相關(guān)的記錄對(duì)象，可以關(guān)閉數(shù)據(jù)鏈接查詢各種各樣的記錄數(shù)據(jù)。

記錄部分一旦完成相應(yīng)的移動(dòng)機(jī)械指令相應(yīng)的記錄就會(huì)立即生成。

統(tǒng)計(jì)部分對(duì)裝置的定位狀態(tài) 執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.2 PLC 和通信之間的實(shí)現(xiàn)

PLC 是整個(gè)控制裝置的核心大腦部分， 其性質(zhì)屬于動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制[4]。由于PLC 的品牌種類繁多，不同的廠家往往采用適合自己的編程語(yǔ)言，西門子S7系列在工業(yè)上占據(jù)著壟斷地位，西門子公司為其旗下的S7 系列PLC 提供了豐富的編程語(yǔ)言， 比如比較長(zhǎng)用的有梯形圖和語(yǔ)句表另外一些工程師還比較習(xí)慣采用順序控制圖或者是狀態(tài)圖來(lái)進(jìn)行PLC程序的編制， 不同的用戶有著不同的編程習(xí)慣，可以靈活加以選用同的語(yǔ)言，還可以采用混編的方式編制程序，整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程具有很強(qiáng)的靈活性，采用這些語(yǔ)言編制的梯形圖一般來(lái)說(shuō)通用性和一致性都非常高，便于工程師之間相互交流，也便于后續(xù)系統(tǒng)的維護(hù)。

軟件采用靈活性非常強(qiáng)的模塊化結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)，有幾個(gè)模塊是必須具備的，分別是調(diào)度模塊和通信模塊，另外控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)其它的模塊進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)以及傳輸控制信息，通信模塊一般來(lái)說(shuō)是信息的處理中樞，上載信息、傳送動(dòng)畫(huà)信息報(bào)文是其主要的任務(wù)，另外還負(fù)責(zé)生產(chǎn)計(jì)劃指令的下載[5]。 通信主要的功能就是對(duì)各種各樣主模塊分解的指令信息向每一個(gè)移動(dòng)機(jī)械下載，并且把各種機(jī)械位置的動(dòng)作指令和狀態(tài)信息及時(shí)的收集回來(lái)，同時(shí)將機(jī)械的精密位置向上反饋。 流程如圖3 所示。

圖3 主模塊流程Fig.3 Main module flow chart

車上的PLC 通信其主要的功能就是建立和地面通信以及作業(yè)機(jī)械之間的數(shù)據(jù)鏈路，從而對(duì)機(jī)械的工作狀態(tài)和動(dòng)作控制信息進(jìn)行有效的反饋，實(shí)現(xiàn)精確的位置定位功能[5]。 主要包括由自動(dòng)尋徑模塊和主控模塊構(gòu)成，這兩個(gè)模塊在邏輯上被主模塊調(diào)用[6]。 工作流程如圖4 所示。

4 結(jié)語(yǔ)

整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)以及實(shí)踐檢驗(yàn)之后，工作狀態(tài)很穩(wěn)定，整個(gè)系統(tǒng)完全是自動(dòng)定位的，而且能夠?qū)σ苿?dòng)機(jī)械在工作當(dāng)中出現(xiàn)的狀態(tài)和問(wèn)題及時(shí)的進(jìn)行反饋，安全可靠、效率高、容易維護(hù)，成本投入低，可以節(jié)約大量的人力資源和物力的投入。

圖4 車上PLC 主控模塊流程Fig.4 Flow chart of PLC main control module on vehicle