基于PLC控制的無(wú)線三維測(cè)控小車

湯文剛

摘? ?要：隨著科技發(fā)展，無(wú)線通信的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性較以往已經(jīng)有了大幅度的提高，在某些領(lǐng)域已經(jīng)逐漸替代有線通信方式。以水工學(xué)上的三維測(cè)控小車為例，來(lái)說(shuō)明通信方式的改變對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的影響，在以往系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)的采集都是通過(guò)在滑束線上固定網(wǎng)線的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種通信方式不僅制約著小車的運(yùn)行距離，也給實(shí)驗(yàn)人員的操作與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)帶來(lái)不必要的束縛。隨著無(wú)線通信技術(shù)以及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，這種束縛已經(jīng)逐漸被擺脫。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通訊? PLC自動(dòng)控制? 三維測(cè)控小車? 伺服驅(qū)動(dòng)控制

無(wú)線三維測(cè)控小車自動(dòng)控制系統(tǒng)是采用先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)、PLC自動(dòng)控制技術(shù)、伺服控制技術(shù)以及數(shù)據(jù)采集技術(shù)于一體的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。所有的控制、數(shù)據(jù)采集均通過(guò)無(wú)線通信的方式實(shí)現(xiàn)，測(cè)控小車的運(yùn)行動(dòng)力以及小車上的監(jiān)測(cè)設(shè)備均通過(guò)小車上嵌入的鋰電池進(jìn)行供電。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。在硬件設(shè)計(jì)方面，筆者認(rèn)為設(shè)計(jì)中最成功的莫過(guò)于無(wú)線局域網(wǎng)關(guān)模塊以及鋰電池供電模塊的使用;如果沒(méi)有穩(wěn)定的無(wú)線局域網(wǎng)關(guān)模塊以及輸出持久且體積小的鋰電池模塊的應(yīng)用，三維測(cè)控小車的控制系統(tǒng)也很難實(shí)現(xiàn)無(wú)線化。在軟件設(shè)計(jì)方面，筆者認(rèn)為設(shè)計(jì)最成功的莫過(guò)于“通信心跳”概念的引入，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的三維測(cè)控小車基于無(wú)線方式進(jìn)行控制的，所以一旦無(wú)線通信出現(xiàn)問(wèn)題，小車在運(yùn)行過(guò)程中想停也停不下來(lái)，會(huì)帶來(lái)安全隱患。但是隨著“通信心跳”這一概念的引入，這一隱患被成功并且完美的解決了。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分為五大部分，即人機(jī)界面硬件設(shè)計(jì)、PLC控制站硬件設(shè)計(jì)、無(wú)線局域網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以及鋰電池供電系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。這五大部分協(xié)同運(yùn)作，構(gòu)成無(wú)線三維測(cè)控小車完整的硬件體系。

2.1 人機(jī)界面硬件設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是人與機(jī)器之間的“交流”窗口，現(xiàn)場(chǎng)操作人員不僅可以通過(guò)人機(jī)界面對(duì)三維小車進(jìn)行控制，也可以通過(guò)人機(jī)界面清楚的了解到小車的運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。因?yàn)楸敬稳藱C(jī)界面的硬件設(shè)計(jì)是基于無(wú)線局域網(wǎng)關(guān)這個(gè)硬件基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以本機(jī)設(shè)計(jì)的人機(jī)界面可以在無(wú)線局域網(wǎng)覆蓋的范圍內(nèi)任意移動(dòng)，而不影響系統(tǒng)的操作與數(shù)據(jù)的采集。在這里人機(jī)界面可以是一個(gè)平板電腦，甚至可以是我們經(jīng)常使用的智能手機(jī)。

2.2 PLC控制站硬件設(shè)計(jì)

PLC控制站是以西門子1200系列PLC為控制核心，完成三維小車的運(yùn)動(dòng)控制以及運(yùn)行中數(shù)據(jù)采集與記錄。PLC控制站與無(wú)線網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品協(xié)同運(yùn)作，將測(cè)控小車運(yùn)行中的數(shù)據(jù)及狀態(tài)實(shí)時(shí)的顯示在人機(jī)界面上。同時(shí)，此款控制器自帶4路高速脈沖輸出功能，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)4組伺服驅(qū)動(dòng)器的精準(zhǔn)控制。

2.3 無(wú)線局域網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線局域網(wǎng)是人機(jī)界面以及PLC控制站之間“交流”的“橋梁”與“紐帶”，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，所以一個(gè)穩(wěn)定的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，在無(wú)線三維控制小車系統(tǒng)車至關(guān)重要。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)硬件架構(gòu)，是以海卓蘭公司的7144 N2系列無(wú)線網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品為架構(gòu)核心，該系列的無(wú)線網(wǎng)關(guān)具有通信速率快以及傳輸穩(wěn)定的特點(diǎn)，并且具有自診斷與自愈的功能，正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)使得其在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)被廣泛的應(yīng)用。

2.4 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是以臺(tái)達(dá)ASDA-A2系列伺服驅(qū)動(dòng)器為核心，該款控制器使用17bit增量式編碼器系統(tǒng)，控制精度可達(dá)0.001mm。在本次設(shè)計(jì)的無(wú)線三維測(cè)控小車上安裝有三套該款伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，分別控制小車的前后、左右、上下運(yùn)行，三個(gè)軸各自運(yùn)行互不影響。

2.5 鋰電池供電系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的鋰電池供電系統(tǒng)的核心為一塊40AH的鋰電池模塊，該模塊體積小，供電持久，可以在小車上三根軸同時(shí)運(yùn)行的情況下為其持續(xù)供電8h。同時(shí)在該套系統(tǒng)里還裝有220VAC交流逆變器，為小車上需要220V交流供電的設(shè)備供電。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)（見圖1）分為兩個(gè)部分，即人機(jī)界面組態(tài)軟件設(shè)計(jì)與PLC自動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)人機(jī)界面組態(tài)軟件可以清楚的看到當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并且通過(guò)人機(jī)界面組態(tài)軟件可以向PLC控制站發(fā)出命令，控制小車的前進(jìn)后退以及上下左右運(yùn)行。

PLC自動(dòng)控制軟件是在西門子公司TIA V15軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)好的軟件可以接收來(lái)自人機(jī)界面軟件的指令并且將系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳遞給人機(jī)界面。不僅如此，PLC控制軟件還扮演著控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的角色，通過(guò)發(fā)送脈沖精準(zhǔn)的對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

4? 討論

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了無(wú)線控制的弊端，即無(wú)線網(wǎng)絡(luò)一旦出現(xiàn)中斷或強(qiáng)干擾時(shí)，控制系統(tǒng)有可能癱瘓或者不接受運(yùn)行指令。為了解決這一問(wèn)題，在控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中引入“通信心跳”機(jī)制，即PLC控制站與人機(jī)界面互相監(jiān)測(cè)“心跳”，這一概念可以理解為PLC控制站始終向人機(jī)操作界面發(fā)送請(qǐng)求通信指令，人機(jī)操作界面也對(duì)PLC控制站發(fā)送過(guò)來(lái)的指令進(jìn)行回應(yīng)，一旦PLC控制站在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到相應(yīng)的回應(yīng)指令，則說(shuō)明系統(tǒng)通信出現(xiàn)問(wèn)題，并立即停止伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的所有運(yùn)行動(dòng)作。這一機(jī)制的引入為系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保證。

5? 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線三維測(cè)控小車自動(dòng)控制系統(tǒng)，不僅給現(xiàn)場(chǎng)操作人員帶來(lái)操作上的便利，也大大增加了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集量，可以監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)更多的狀態(tài)數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，無(wú)線控制的引入也大大減少了現(xiàn)場(chǎng)電纜的敷設(shè)的工作量，測(cè)控小車的運(yùn)行距離較有線控制也有很大的提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 姜晨光，王守慧，劉泉維，等.南京長(zhǎng)江隧道三維測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].海洋測(cè)繪，2008（6）：34-37.

[2] 張強(qiáng).三維精測(cè)小車在無(wú)砟軌道測(cè)量中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2013，26（6）：170-171.

[3] 劉軼文.三維掃描系統(tǒng)測(cè)控軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西北工業(yè)大學(xué)，2003.