基于PLC控制的無線三維測控小車

湯文剛

摘? ?要：隨著科技發展，無線通信的實時性與穩定性較以往已經有了大幅度的提高，在某些領域已經逐漸替代有線通信方式。以水工學上的三維測控小車為例，來說明通信方式的改變對自動控制系統的影響，在以往系統的控制與數據的采集都是通過在滑束線上固定網線的方式來實現，這種通信方式不僅制約著小車的運行距離，也給實驗人員的操作與數據實時監測帶來不必要的束縛。隨著無線通信技術以及其他相關技術的發展，這種束縛已經逐漸被擺脫。

關鍵詞：無線通訊? PLC自動控制? 三維測控小車? 伺服驅動控制

無線三維測控小車自動控制系統是采用先進的無線通信技術、PLC自動控制技術、伺服控制技術以及數據采集技術于一體的自動化控制系統。所有的控制、數據采集均通過無線通信的方式實現，測控小車的運行動力以及小車上的監測設備均通過小車上嵌入的鋰電池進行供電。

1? 系統設計

整個系統的設計分為系統硬件設計與系統軟件設計兩個部分。在硬件設計方面，筆者認為設計中最成功的莫過于無線局域網關模塊以及鋰電池供電模塊的使用;如果沒有穩定的無線局域網關模塊以及輸出持久且體積小的鋰電池模塊的應用，三維測控小車的控制系統也很難實現無線化。在軟件設計方面，筆者認為設計最成功的莫過于“通信心跳”概念的引入，因為本次設計的三維測控小車基于無線方式進行控制的，所以一旦無線通信出現問題，小車在運行過程中想停也停不下來，會帶來安全隱患。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? 系統硬件設計

整個系統的硬件設計分為五大部分，即人機界面硬件設計、PLC控制站硬件設計、無線局域網硬件設計、伺服驅動系統硬件設計以及鋰電池供電系統硬件設計。這五大部分協同運作，構成無線三維測控小車完整的硬件體系。

2.1 人機界面硬件設計

人機界面是人與機器之間的“交流”窗口，現場操作人員不僅可以通過人機界面對三維小車進行控制，也可以通過人機界面清楚的了解到小車的運行狀態與實時運行數據。因為本次人機界面的硬件設計是基于無線局域網關這個硬件基礎來實現的，所以本機設計的人機界面可以在無線局域網覆蓋的范圍內任意移動，而不影響系統的操作與數據的采集。在這里人機界面可以是一個平板電腦，甚至可以是我們經常使用的智能手機。

2.2 PLC控制站硬件設計

PLC控制站是以西門子1200系列PLC為控制核心，完成三維小車的運動控制以及運行中數據采集與記錄。PLC控制站與無線網關產品協同運作，將測控小車運行中的數據及狀態實時的顯示在人機界面上。同時，此款控制器自帶4路高速脈沖輸出功能，能夠同時實現4組伺服驅動器的精準控制。

2.3 無線局域網硬件設計

無線局域網是人機界面以及PLC控制站之間“交流”的“橋梁”與“紐帶”，無線網絡出現故障將導致整個系統的癱瘓，所以一個穩定的無線局域網絡，在無線三維控制小車系統車至關重要。本次系統設計的無線局域網絡硬件架構，是以海卓蘭公司的7144 N2系列無線網關產品為架構核心，該系列的無線網關具有通信速率快以及傳輸穩定的特點，并且具有自診斷與自愈的功能，正因為這些優點使得其在工業控制網絡被廣泛的應用。

2.4 伺服驅動系統硬件設計

伺服驅動系統是以臺達ASDA-A2系列伺服驅動器為核心，該款控制器使用17bit增量式編碼器系統，控制精度可達0.001mm。在本次設計的無線三維測控小車上安裝有三套該款伺服驅動系統，分別控制小車的前后、左右、上下運行，三個軸各自運行互不影響。

2.5 鋰電池供電系統硬件設計

本次設計的鋰電池供電系統的核心為一塊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運行的情況下為其持續供電8h。同時在該套系統里還裝有220VAC交流逆變器，為小車上需要220V交流供電的設備供電。

3? 系統軟件設計

系統的軟件設計（見圖1）分為兩個部分，即人機界面組態軟件設計與PLC自動控制軟件設計。通過人機界面組態軟件可以清楚的看到當前系統的運行狀態，并且通過人機界面組態軟件可以向PLC控制站發出命令，控制小車的前進后退以及上下左右運行。

PLC自動控制軟件是在西門子公司TIA V15軟件開發平臺進行開發，開發好的軟件可以接收來自人機界面軟件的指令并且將系統的運行數據傳遞給人機界面。不僅如此，PLC控制軟件還扮演著控制伺服驅動系統的角色，通過發送脈沖精準的對伺服驅動系統進行控制。

4? 討論

在系統設計時，充分考慮了無線控制的弊端，即無線網絡一旦出現中斷或強干擾時，控制系統有可能癱瘓或者不接受運行指令。為了解決這一問題，在控制系統軟件設計中引入“通信心跳”機制，即PLC控制站與人機界面互相監測“心跳”，這一概念可以理解為PLC控制站始終向人機操作界面發送請求通信指令，人機操作界面也對PLC控制站發送過來的指令進行回應，一旦PLC控制站在規定的時間內沒有接收到相應的回應指令，則說明系統通信出現問題，并立即停止伺服驅動系統的所有運行動作。這一機制的引入為系統的安全運行提供了強有力的保證。

5? 結語

無線三維測控小車自動控制系統，不僅給現場操作人員帶來操作上的便利，也大大增加了系統數據的采集量，可以監測到系統更多的狀態數據。與此同時，無線控制的引入也大大減少了現場電纜的敷設的工作量，測控小車的運行距離較有線控制也有很大的提高。

參考文獻

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