Modbus―RTU在自行小车输送系统中的应用

杨 钢

广东省技师学院 广东 博罗 516100

引言

对于自行小车环形输送系统来说，其是由总装下料环行线以及底板下料环行线构成的，各条环形线中含有三台自行小车，其能够沿着轨道循环运行，总装自行小车以及底板经过多年运行，其状态稳定性较差，控制系统很容易出现各种故障事件，比较典型的是小车通讯故障，自行小车控制系统引起其主控系统之间通讯，采用的是有线通讯的方式，即碳刷和滑线方式，采用这种方式集电器碳刷与滑线铜芯长时间接触会出现一定程度磨损，滑线与碳刷经常会存在接触不良的问题，导致电源掉电或小车通行过程中出现掉线问题，通讯故障率较高。自行小车掉线已影响生产线的正常运行，从一定程度上制约全线生产。

基于这种情况下，本研究制定切实可行的技术方案，采用目前国际上推行的无线网络通信技术，以实现对原有自行小车通讯接触老化问题，且对技术相对落后的有线通讯网络进行技术进行改造。

1 旧系统的问题分析

第一、从有线通信方式上来看，在原有的控制系统中，自行小车主控制系统主站采用的是S7―300PLC。控制两条环线均采用ET200SPLC，将其作为DP从站台控制自行小车的动作，自行小车通过车体及电击和预装于轨道中的滑触线，在移动过程中接触取电，尽量给小车移动提供动力。这些小车在处于环境轨道中运行时，能够与主站通过导轨放大器，滑线、碳刷获取信号以及DP总线通信控制信号，如下图所示为原有设计方案与底板环形线的结构示意图。第二、从有线通讯的弊端上来看，虽然目前滑触线碳刷滑动取电技术相对成熟，然而在具体使用过程中还存在很多缺点，滑线和碳刷紧密接触，主要依赖于碳刷上弹簧压紧机构进行实现的碳刷，弹簧机构在调整过程中不能过松或过紧，否则会无法达到理想平衡状态，只能定期检查、调整或者进行滑线、碳刷的更换。环形空中自行小车可通过集成器碳刷在滑线中进行控制信号的采集和传输，自行小车抓取工件升降时会产生抖动，进而使碳刷发生抖动，出现信号丢失的问题或者通讯中断，降低系统的运行可靠性，除此之外，在环行线轨道上自行小车会出现左右或上下摆动，进而会导致碳刷与滑线接触不良，使总线通讯信号出现跳线或者通讯中断，信号丢失，网络故障等相关问题，整体故障率较高。环行空中自行小车经过长期运行之后，滑线和胎盘之间长期磨损会导致碳刷破裂，进而使接触不良，引发信号丢失的问题产生。除此之外，滑触线与碳刷长期摩擦会在滑触线的分段位置或滑触线上残留大量的碳粉，使信号出现误传输，降低系统的运行可靠性，碳刷滑动通讯也很容易使碳刷出现磨损或者损坏，频繁更换滑线碳刷，导致企业的维修成本较高。

2 新系统设计无线通信方案

从无线解决方案的设想上来看，自行小车线控制系统是基于原有旧设备的基础上进行改造的，其改造难度较大，并且由于改造时间较紧，受到原有系统的限制，面临的风险大，因此需要紧密围绕系统运行可靠性，降低施工量，减少调试和编程时间，能够从全信息采集角度出发，在改造过程中需要坚持下列原则，确保原有系统硬件结构不变，基于此，增加控制系统的局部电路或配置新的模块，实现无线通信功能，以较低成本，获得较高的收益，利于维护系统的稳定性安全性，达到改造效果，最终采用无线网络通信技术。利用该技术能够解决滑触线信号通信受限的问题，能够满足本次改造需求，或测试其覆盖区域、抗干扰性能实时性数据传输量、信号强度对于网络速度产生的影响，通过测试之后最终可使用 Modbus―RTU无线技术和相关产品。从该技术的特征上来看，近年来，随着计算机技术控制技术、创新技术的发展，自动化控制领域中出现基于网络通信的无线通信工作技术，其具有较高的稳定性，安全性、抗干，性数据传输量较大、运营维护成本低，这种无线控制技术能够从一定程度上打破过去传统有线控制的结构，具有较大的适用范围，可维护性和可拓展性。相比现场总线控制和计算机控制系统来说，具有显著优势，在未来自动化发展中，无线通信也是其主要发展趋势。

Modbus―RTU是基于PLC的通信协议，可便于开展Modbus―RTU网络组态。Data Radio是由美国邦纳公司所研发的无线产品，是在2.4兆赫兹频段中运行的无线串口通讯设备，其严格遵循Modbus―RTU的传输协议，可用于工业无线局域网的通信过程中，同时还可以拓展Modbus工业网络通信距离，具有安全性，可靠性，高效性等，可代替原有传统通讯中使用的硬接线和有线方式，实现可靠通信连接，同时其采用Modus―RTU的传送模式，能够与Modbus串行网络，构建设备与设备之间的无线连接。

从新方案的构思上来看，可取消原有二级信号滑线，6个小车放大器，两个主导轨放大器以及24片小车信号碳刷，而加入主站DataRadio无线模块以及从站Data Radio无线模块，将协议转换器至于主战主控系统DP主站的一侧，DP主站发送给从站通讯数据，可转化为Modbus协议，通过主站的DataRadio可将数据及时发送给从站DataRadio，从站接收到数据后，能够通过从站协议转换器，将数据最终转换为PROFIBUS的总线数据传送给小车ET200S DP从站。

3 无线通信系统的实现

在地面主控系统中，其是基于S7―300PLC作为核心，同时Profibus―DP总线网络的主站是CPU315―2DP，能够用于地面和小车以和小车间输送系统与设备数据交换的信息采集以及及时控制，由于采用PROFIBUS总线协议无法实现无线通讯传输，需要利用PROFIBUS终端协议转换为Modbus―RTU协议，因此在主控系统中需要配置协议转换器和无线收发器。NT50转换器可在S7―300PLC一测中的Profibus总线协议，将其转换为Modbus―RTU协议，进而满足无线收发器使用。主站DataRadio无线收发器遵循Modbus―RTU的协议，是通过无线的方式向小车从站进行通讯数据的发送和接受。从车载控制系统上来看，小车车载控制系统的核心是ET200SPLC是以IM151―7CPU为Profibus―DP总线网络作为从战，以实现对小车停止、启动的控制，能够满足小车智能化运行需求，在车载控制系统中配置NT50转换器以及从站无线收发器，小车能够从无线收发器中收发来自主站DataRadio发送的无线通信数据，将无线数据通过Modbus―RTU协议有线传送给NT50转换器之后，该转换器能够进行数据转换处理，并将协议转为PROFIBUS―DP协议，将数据通过这种协议有线的方式传送给小车从站进行处理。

构建无线通信网络，结合两条环行线的分布特点，首先需要分段布控，构建单网再建双网，最后实现双网联控，进一步构建一控三双向同步收发机制。在总线环行线和底板环行线各自分组的基础上，构建相互独立的网络，分别进行总线环行线，自行小车以及地板环行线、自行小车的控制。这样能够提高信号通讯强度，同时也能够提高信号的抗干扰性能，且双网络无线架构能够显著提高通信可靠性和稳定性，两种网络彼此独立，互不干扰。但在外部来看，都是基于S7―300PLC控制的，彼此相互联系，即属于单控又联控的方式，有各自的职责分工，可在主控PLC控制下实现有效运行。从结构上来看，总装无线网络以及底板无线网络基本一致，只有地址、设定参数，网络参数不同。

小结

总而言之，随着今天一体化系统的发展，基于Modbus―RTU无线通信技术的自行小车无线控制系统自投入运行之后，其运行可靠，能够消除过去通信故障频发的问题，缩短维修时间，能够提高整体技能和系统的运行安全性，可靠性，尤其是无线通信网络，从调试开始至今能够保持稳定，进一步也表明了，将Modbus―RTU无线通信网络运用于环形自行小车控制系统中能够发挥优势，确有较高的性价比，通过实践证明，在自行小车中应用Modbus―RTU无线通信技术是成功的，未来可将Modbus―RTU运用于类似自行小车控制系统中，为其提供高效、可靠、经济实用的方案。