基于PLC无线通讯并车技术的群吊控制*

2010-06-13李晓勉于胜旺华大鹏

河南工学院学报 2010年3期

李晓勉，于胜旺，华大鹏

(1.河南新起腾升起重设备有限公司，河南新乡 453002;2.南阳供电公司，河南南阳 473000)

1 引言

在起重机行业，原来抬吊百米轨道时，通过4台U形门吊的操作者和地面指挥者之间的喊话来协调作业，既耗费了人力物力，作业精度也不高，造成资源的极大浪费。随着无线通讯技术在工业控制领域的应用不断深入，该技术在起重机电气控制方面也得到开发和应用。由我厂设计并制作4台20/10T－26M A5 U形门机，采用无线通讯技术和配套的自动吊具，实现了一人操作，4台U形门机同时作业抬吊百米轨道的功能，从而提高了抬吊轨道的机械化程度，缩短了作业时间，提高了工作效率，对我国的起重行业电气控制的发展具有十分重要的意义。

图1 网络框图

2 系统结构

2.1 设计依据

常规的无线通讯技术有数字传输电台、蓝牙技术、Zigbee技术、GPRS/RTU技术等。其中，Zigbee是一个最多可由65000个无线数传模块组成的无线数传网络平台，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信;另外整个Zigbee网络还可以与现有的其他的各种网络连接。在做某铁路项目中，铁路焊轨基地采用4台U形门吊，要求能够实现四车无线联动，本着优质可靠、低成本的原则，本工程采用无线通讯Zigbee网络，4台门吊(代号为1#车、2#车、3#车、4#车)中 1#车为无线通讯的主站，2#、3#、4#为从站，组成无线局域网［1］。网络框图如图1所示:

2.2 硬件设计

单台U形门机的硬件由以下4部分组成［2］:

①各控制机构电动机，对应各机构的变频器，对应各机构的主令控制器;②PLC部分包括:PLC的电源模块、CPU及扩展输入、输出模块及无线通讯模块;③显示同步信息、起升高度的人机界面及起反馈作用的旋转编码器;④安全保护装置。各机构及起重机的安全保护装置作为信号，来决定起重机及各机构是否可以运行，需要进入PLC的输入部分，当条件满足时，操作各机构主令，PLC的CPU通过无线通讯模块实现PLC到PLC间无线通讯，从而控制4台或4台中任意组合的2台或3台U型门机进行同步运行。由于采用了变频器控制，大大提高了控制精度。其硬件系统框图如图2所示。

图2 硬件系统框图

2.3 软件设计

2.3.1 PLC 控制系统

全车采用PLC+变频器控制。首先通过西门子S7－200系列的PLC作为集中控制中心，将系统的操作指令、设备状态采集到PLC，采集现场的信号，采取相应的处理措施，实现对各个传动点的控制。PLC通过无线通讯、RS485总线实现主、从站无缝连接，实现对变频器的控制，并且接受变频器的运行和报警信息，各机构采用安川公司起重G7通用型变频器。PLC也通过现场总线接受安装在现场的触摸屏发出的动作信号采取工艺要求的动作，连接在PLC的物理输入信号以及通过现场总线连接的传动装置将实际的动作情况传至PLC，然后再由PLC传送至安装在现场的触摸屏用于显示和监控。

PLC与各个变频器之间采用硬接线连接，可以通过现场总线直接与PLC主站相连接，各个变频器因此成为从站与PLC交换信息。PLC可以独立地向各个变频器发出运行、停止、速度等指令，同时各个变频器也将自身的运行信息以及检测到的电机状态通过硬接线传送至PLC。PLC通讯无线传输可发出同步指令，4车可同时接受运行命令和同步速度，能以毫秒级的速度进行变频器与PLC之间的同步命令、同步速度及状态监视等数据交换［3－4］。

2.3.2 Zigbee 无线通讯系统

本系统选用是无线RS485/RS232无线透传模块，本模块是针对现有的RS485总线(或RS232)开发的无线解决方案，实现RS485总线(或RS232)和无线通信之间的透明传输，可替换现有的RS485总线(或RS232)。在原有设备不做任何改动的情况下，实现数据的无线传输，节省布线成本。模块反应时间最短为5ms，可以满足大部分应用的实时性需求，具有较高实时性，可替代PLC的485总线，接入PLC控制系统中时，典型的主站－从站轮询周期为50ms。

每个Zigbee网络节点不仅本身可以与监控对象进行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料;除此之外，每一个Zigbee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。每个Zigbee网络节点(FFD和RFD)可支持多到31个的传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备中可以有8种不同的接口方式。可以采集和传输数字量和模拟量。

Zigbee技术的特点:低功耗，低数据量(250KPS)，低成本，使用免费的ISM频段(2.4G)，高的抗干扰性能(DSSS)，高保密性(64位出厂编号和支持AES－128加密)，高集成度和高可靠性;节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个Zigbee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性，同时也可以与现有的移动网、互联网和其他通信网络相连接。

2.3.3 程序实现

1)基本通讯理念。

1#将轮流和2#、3#、4#进行询问，并更新状态;

为保证数据通讯的可靠性，每个数据将进行一次传递两遍的方式，接收方进行对比后，予以接纳;如果一次传数据，等待若干时间后，从站没有响应，将重新发送数据一遍，若还是没有响应，将报通讯故障，此功能也称为“握手效应”，顾名思义，只有双方握到手后，方可进行下一步的工作。若两次之后均无反应，将进行下一个站的数据交换;以此反复。

2)通讯格式定义。

每次需要传送的状态变量为24bits，定义如下，转换为ASCII需要6个字节:

nn——11表示开始地址;

pp——00表示1#站，通常本机对本机，不用;01表示2#站;10表示3#站;11表示4#站;

aaa——表示1#站的通讯状态(1为正常);联动状态;主机要求的投入状态;

bbb——表示2#站的通讯状态;联动状态;主机要求的投入状态;

ccc——表示3#站的通讯状态;联动状态;主机要求的投入状态;

ddd——表示4#站的通讯状态;联动状态;主机要求的投入状态;

mmmmmmmm——表示 PLC 输入点 I0.0－I0.7的状态。

为了保证数据可靠，每次的状态变量将连在一起发送两遍;1#站的存储区:最新状态数据存在变量寄存器VB0－VB1－VB2中;发送ASCII区:VB10开始的12个byte;接收ASCII区:VB30开始的12个byte;2#、3#、4#的存储区同 1#。

3)编制程序及调试。

有了以上的基本通讯理念及通讯格式定义的要求，根据U形门机抬吊的工艺要求进行程序的具体编制，并进行调试，限于篇幅，在此不再展开论述。

4)通讯时间的计算。

每次发送6个ASCII码，双倍数据传输进行安全确认，需要11×6×2/9600×1000=14ms;正常通讯的一个轮回最短时间为:14ms×6+10ms×6=144ms;如果都是通讯故障，需要每个站询问两遍，并每次等待响应30ms，时间约为14×6+30×6=264ms。

2.4 功能实现

每台U形门吊通过无线透传模块进行无线通讯，可将四台车联成整个系统，假设1#车的司机室为主司机室，其他车为副司机室。因此，通过主、副司机室内联动台上功能按钮操作，即可实现系统的单动、联动功能操作。

单动模式:将主、副联机室联动台上单动/联动旋钮旋至单动位置，每台车各机构的动作不受外部车状态影响，可以正常单独工作，此时单动指示灯会点亮。

联动模式:将各主副联机室联动台上单动/联动旋钮旋至联动位置，3台副车各机构的动作在本司机室内将不能再操作，此时联动指示灯会点亮。3台副车机构动作仅受主司机室操控。

主司机室联动台上设有单动/联动旋钮，当主、副司机室单动/联动旋钮都旋至联动位置时，2#投入/切除、3#投入/切除、4#投入/切除旋钮起作用，通过这些按钮控制4台车是否参加投入工作，可任意投切选择1台、2台或3台投入工作。若是部分车单动/联动旋钮旋至联动状态，则只有投入联动状态车所对应的投切命令才起作用。

同步联络:当工艺要求多台车同步控制时，主司机室发出同步操作请求信号，各副司机室联动台有同步联络声光报警指示，提示副司机室驾驶员可进行联动操作。如单动/联动旋钮旋至联动位置时，主司机室将收到各车联动状态指示点亮应答信号;如单动/联动旋钮旋至单动位置时，主司机室的各车联动状态灯则处于熄灭状态。