基于PLC的移動機械位置檢測系統(tǒng)

秦凱焌，李 徽

（湖南理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，岳陽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算機并無區(qū)別，存儲器、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，同時增加了眾多的存儲器用來配合CPU 工作，因此功能得到大大增強。 而且通過模擬輸入輸出或者數(shù)字量輸出，用來控制工業(yè)上的各種各樣的自動化生產(chǎn)過程，是自動控制中最關(guān)鍵部分。

1 基于可編程控制器的移動機械位置檢測系統(tǒng)

以PLC 為核心構(gòu)建的機械位置檢測系統(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)式的無線通信技術(shù)，這是一種在類型上介于無線通信和有線通信之間的比較新穎的通信方式。 具體做法是通過在移動裝置上安裝感應(yīng)天線，并且和軌道的編碼電纜相互感應(yīng)，從而實現(xiàn)通信。 在這一過程中將天線在編碼電纜的長度方向上的位置感應(yīng)出來，尤其適用于機械的精確定位，并且還可以實現(xiàn)無人操作或者是移動機械自動化操作。 采用這種新型的通信技術(shù)對于無線通信易受外界干擾信號影響通信質(zhì)量、 有線通信方式拖帶電纜易磨損的缺點比較容易克服，具有比較強的可靠性，本控制系統(tǒng)主要由地面中控室和機上部分組成， 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 機上部分

對于機上部分而言， 作為系統(tǒng)的控制中樞，同時為了提高系統(tǒng)的兼容性能，主控器部分采用了西門子的S7-200 系列，由機上局和車上控制器組成機上部分，機械工作狀態(tài)以及裝置的運行信息則由控制器來負(fù)責(zé)， 向機械裝置發(fā)出各種各樣的動作指令，機上局則通過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，輔以計劃記錄裝置、動畫工控機，控制中心在這里的地位就相當(dāng)于整個系統(tǒng)的中控機，由西門子的S7-300 系列可編程控制器、通信設(shè)備和地面位置檢測設(shè)備組成。

1.3 系統(tǒng)通信媒介

通信媒介由兩個收發(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)送天線在安裝的時候采用了隔離措施，使得它們的位置檢測互不干擾，可以保證檢測的穩(wěn)定性，并且在結(jié)構(gòu)上采用全密封結(jié)構(gòu)，對于惡劣的現(xiàn)場環(huán)境能夠有效的克服[1]。

2 機械位置檢測系統(tǒng)構(gòu)成

以PLC 為控制核心的位置檢測系統(tǒng)由三個部分有機結(jié)合成一體，其中最主要的是感應(yīng)無線通信技術(shù)，另外，為了對干擾信號進(jìn)行屏蔽，采用了差分接收技術(shù)。 這個系統(tǒng)采用的工控機來自于研華工控機， 這種類型的工控機可以長時間的連續(xù)工作，機箱的結(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)過抗干擾設(shè)計，在安裝的時候非常方便[2]。

2.1 數(shù)據(jù)通信鏈路

整個數(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流動方向，下面的箭頭是機械信號的流動方向。 天線和編碼電纜通過感應(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)無線系統(tǒng)通信鏈路框圖Fig.2 Communication link block diagram of induction wireless system

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

編碼電纜和移動裝置上面的接收天線距離非常短，一般不會超過20 mm，可以在這么短的距離之內(nèi)通過感應(yīng)的方式，將調(diào)制信號接收過來，緊接著這些信號因為比較微弱，還需要通過放大器進(jìn)行信號放大，然后經(jīng)過幾條線解調(diào)以后，信號被還原成為編碼，在PLC 的內(nèi)部，將這些編碼通過程序進(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)行機構(gòu)規(guī)定的動作在液晶顯示屏上將整個過程的執(zhí)行狀態(tài)顯示出來。

同樣的道理，各個移動的機械械的位置信息可以按照下面的箭頭方向，最終向計劃記錄及傳送并最終形成定位記錄，與此同時信息也會傳送給實施動畫機來對定位的動態(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存在，必須采用雙天線接收技術(shù)來克服這些干擾，將那些信號利用差分相減的原理消除掉。 兩個天線之間的距離很近，并且編碼電纜的距離也非常近，一旦兩個天線和編碼發(fā)出來的信號距離比較近的時候，感應(yīng)信號就會出現(xiàn)幅度上的波動，距離越近則感應(yīng)幅度越大相反感應(yīng)的幅度就會比較弱，通過差分電路進(jìn)行削弱之后還不能完全將這些差異抵消，通過放大之后，它們才能成為可以用的信號。 而對于那些距離比較遠(yuǎn)的干擾信號，由于到達(dá)兩個天線有近似相等的距離，因此通過查分電路之后信號削弱，這樣可以保證有用信號從干擾信號當(dāng)中過濾出來，對于通信的穩(wěn)定可靠性非常有利。

3 位置檢測系統(tǒng)的設(shè)計

編碼扁平電纜沿著軌道等安裝好，將移動機械的信號向地面控制室進(jìn)行實時傳送，編碼電纜傳送機控制器以及布置在地面的網(wǎng)絡(luò)中心對外發(fā)送信號，而且這些信號送達(dá)到動畫中控室的位置感應(yīng)裝置，從而將各個移動機械的動態(tài)位置精確地檢測到。

3.1 上位機軟件

在上位機管理軟件當(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)行代碼編寫的時候，要盡量避免使用控件，這樣對于系統(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)計模塊、記錄模塊和計劃模塊三個模塊，它們的主要作用就是提供動態(tài)工作的一系列數(shù)據(jù)，以便于用戶對工作狀況和情況進(jìn)行實時的查詢和管理。

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

計劃部分這一部分主要的作用就是建立相關(guān)的記錄對象，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)的移動機械指令相應(yīng)的記錄就會立即生成。

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

3.2 PLC 和通信之間的實現(xiàn)

PLC 是整個控制裝置的核心大腦部分， 其性質(zhì)屬于動態(tài)實時控制[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言， 比如比較長用的有梯形圖和語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言，還可以采用混編的方式編制程序，整個開發(fā)過程具有很強的靈活性，采用這些語言編制的梯形圖一般來說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的模塊化結(jié)構(gòu)來設(shè)計，有幾個模塊是必須具備的，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，通信模塊一般來說是信息的處理中樞，上載信息、傳送動畫信息報文是其主要的任務(wù)，另外還負(fù)責(zé)生產(chǎn)計劃指令的下載[5]。 通信主要的功能就是對各種各樣主模塊分解的指令信息向每一個移動機械下載，并且把各種機械位置的動作指令和狀態(tài)信息及時的收集回來，同時將機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)機械之間的數(shù)據(jù)鏈路，從而對機械的工作狀態(tài)和動作控制信息進(jìn)行有效的反饋，實現(xiàn)精確的位置定位功能[5]。 主要包括由自動尋徑模塊和主控模塊構(gòu)成，這兩個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

整個系統(tǒng)經(jīng)過精心的設(shè)計以及實踐檢驗之后，工作狀態(tài)很穩(wěn)定，整個系統(tǒng)完全是自動定位的，而且能夠?qū)σ苿訖C械在工作當(dāng)中出現(xiàn)的狀態(tài)和問題及時的進(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