基于無線通訊的斗輪機聯鎖控制

何超

摘 要：根據工作現場需要設計一套可以無線連接斗輪機和地面工作站的聯鎖控制系統。工作基礎是結合PLC和數傳電臺的結合來實現無線通訊。設計內容主要包括硬件系統的連接和軟件系統的程序設計。經過測試試驗證明，系統安全可靠，而且成本較低，使用方便，可以在行業內推廣使用。

關鍵詞：PLC；無線通訊；斗輪機；聯鎖

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

0 引言

在交通運輸行業中，海洋航運是大型貨物和重要原材料運輸的主要運輸方式。而海洋航運的中轉站是碼頭，因此碼頭上貨物裝卸的效率對于整個航運甚至整個經濟的運轉至關重要。由于港口作業需要連續進行，一般需要對同時作業的兩臺斗輪機進行聯鎖控制。進行總控制的是設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上的PLC進行連接，用以傳輸控制信號并進行數據的交流。但是在實際工作中經常會出現控制室的PLC與斗輪機上的PLC無法進行通訊，不能實現遠程控制的情況。而一旦出現這樣的情況就會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電纜進行維修。因此需要通訊控制技術來實現對斗輪機的聯鎖控制，降低出現此類故障的頻率，提高工作效率。

1 通訊系統的硬件設計

1.1 數傳電臺組網的理論計算

在本次設計中，被改造的的斗輪機的高度（地面距離頂端）h1≈26m，而地面中央控制室的房頂高度h2≈5m。根據雷達通視距離公式

D=4.12*（SQRT（h1）+SQRT（h2））

可知能夠進行無線通訊的最大距離的理論值

D=4.12*（SQRT（26）+SQRT（5））≈30km

通過現場測量得到中央控制室地面工作站與斗輪機的實際距離為D1=2km。D1

由于電臺所要求的信號強度在-85dBm左右，根據以上數據，截取30m長，電阻為50歐姆的電纜作為通訊系統的信號線。

1.2 PLC數字量的輸入輸出點

斗輪機的輸入信號DI是控制室的輸出信號DO。反之，斗輪機的輸出信號DO就是控制室的輸入信號DI。在正常工作中，斗輪機上PLC的數字量輸入點一般有斗輪機啟動和斗輪機準備就緒（裝料或者卸料），當然還有地面或者斗輪機自身的故障信號。而斗輪機的數字輸出點有地面站啟動與停止，地面皮帶運轉與停止以及其他一些備用輸入輸出點。同時為了避免PLC的信號與其他系統的電氣信號產生聯系導致系統運行錯誤，這里使用特殊繼電器對PLC信號進行隔離。

1.3 連接PLC與電臺

斗輪機與地面站之間借助電臺使用無線傳輸連接。而在斗輪機和地面站上，PLC通過轉換器與電臺連接。為了保障數據傳輸的速度同時滿足數據信號長度，電臺和PLC使用的串行接口不同，不同的接口不能直接進行連接，因此需要借助隔離轉換器來連接電臺和PLC。

2 系統軟件設計

2.1 系統初始化程序的設計

在控制系統運行啟動之前，需要先對無線通訊的兩端的狀態進行確認，避免因為狀態不合適發送錯誤指令導致事故。在PLC每次運行前，對系統進行初始化，確保系統中的各個設備出于初始位置，能夠根據傳輸指令做出相應動作。

2.2 系統響應程序（正常工作控制程序）的設計

在對系統進行初始化后就可以進入正常響應程序，也就1.2中提到的各種數字量的輸入輸出信號的交流與反饋。在PLC進行信號傳輸時普遍使用16進制進行以提高工作效率，而傳輸的信號一般就是2位16進制。當斗輪機的PLC的某一個數字量輸入點狀態發生變化的時候，系統就會通過無線通訊向地面工作站內發送一個信號。而地面站在接收到這個信號之后需要根據這個信號向斗輪機發出一個反饋信號，同時還要根據接收到的信號改變某一個對應數字量輸出點的狀態，從而控制某一設備進行響應的反饋動作。系統流程圖如圖1所示。

2.3 定時檢測程序設計

在系統啟動以后就出于一種無線通訊的狀態下，為了避免出現有線通訊時的通訊中斷或者故障的情況，需要對通訊狀態進行檢測以保障正常運行，因此設計定時檢測程序，定時檢測的時間間隔設定為半小時。首先地面工作站向斗輪機上的PLC發送檢測信號，斗輪機接收到此信號后向地面工作站回復相應信號。如果地面站接收到響應信號，系統繼續運行。反之，則通訊中斷，面站繼續發送檢測信號等待斗輪機的回應并進入中斷通訊的計時程序。第一次檢測是在系統初始化之后進行，這時如果接收到斗輪機的響應信號，說明系統已經開始正常工作。定時檢測程序的流程圖如圖所示。

2.4 斷電報錯及故障處理程序

為了避免地面工作站與斗輪機上PLC之間的通訊沖突，需要給系統設計斷電報錯系統以維持其正常運轉。當地面站斷電時，就無法向斗輪機發送控制信號，這時系統的執行設備可能就會停止在工作中間位，造成許多安全隱患。因此需要在地面工作站準備不間斷電源應對斷電情況。在地面站斷電后，系統會自動使用不間斷電源來執行斷電報錯程序。斷電會使地面站PLC上的數字量輸出點0.0復位，這種復位作為一種啟動信號來激活地面PLC的斷電報錯程序。地面PLC此時會向斗輪機發送斷電信號，而斗輪機上的PLC在接收到這個信號以后會通過電臺向地面PLC發出響應信號，同時斗輪機也進入故障狀態。

如果沒有接收到就會繼續向斗輪機發送斷電信號，直至斗輪機PLC發回響應信號或者超過設置的時間停止所有工作。當然在地面站接收到這一響應信號之后就會啟動故障處理程序。故障處理程序運行以后，只有故障位進行置位操作，其他所有數字量輸出點都要進行復位。直到故障處理程序結束，所有數字量的輸出位狀態都不能改變以避免設備出現錯誤響應造成不必要的損失。

3 系統運行測試

3.1 有線通訊測試

數傳電臺和PLC之間是借助轉換器進行有線連接。而實際上斗輪機上的PLC和地面站的PLC之間的數據交換信息交流采用的是非標準通訊協議。首先對這兩臺PLC的有線通訊進行測試，確保選用的PLC能夠完成數據交換。由于在設計中使用的S7-200型號的PLC是使用RS485標準的串行接口，所以使用兩頭一樣的9孔的PLC通訊電纜連接這兩個PLC的串行接口。然后依次分別觸發斗輪機和地面站上的對應的18個信號并記錄地面控制站和斗輪機的反饋信號及動作。最終測試結果顯示，所有的反饋信號和動作都與觸發信號相符，PLC之間的有線通訊沒有問題。

3.2 無線通訊測試

將整個設計的硬件設施裝配完畢，軟件程序上載完成以后對無線通訊進行測試。由于設備實際工作耗能較大，這里通過對比斗輪機與地面站之間發射和接收信號場強值的方法來模擬測試系統的無線通訊功能。經過測試可知，系統無線通訊功能正常，可以借助PLC和數傳電臺實現斗輪機和地面站之間的無線通訊。

4 總結

通過實際分析斗輪機的現場工作環境，判斷頻繁導致通訊故障的原因是在斗輪機裝卸物料的過程中會不可避免的對有線通訊的電纜器件造成損壞。而之前的解決措施只是對問題進行修補，不能從根本上解決。本文設計的方案，不再使用容易破損的通訊電纜，而是借助PLC和數傳電臺進行無線通訊，不需要考慮電纜破損的問題。通過實地使用測試，該設計通訊功能良好，可以滿足工作需要。降低了出現故障的可能，而且在后期的使用和保養時也降低了人力和財力成本。

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