面向復雜環境重型移動裝備位置檢測系統

（湖南理工學院 機械工程學院，岳陽414006）

對于傳統的重型移動裝備精確位置檢測，有電磁式傳感器和紅外式傳感器2種。使用傳感器位置檢測，傳感器安裝較為麻煩，只有在觸點才能接收信號，且不能接收其它系統的命令和上傳實時動態，沒有計算機通訊功能，環境干擾因素對信號的接收影響大，自動控制功能在設備作業時大打折扣，不利于科學管理，安全運行的要求。隨著現代工業化、信息化、自動化的發展，在料場、碼頭、倉儲、鋼鐵、交通、物流等移動機車運行過程中，迫切需要實現計算機集中聯控，以達到運行過程自動化、運行安全可靠和科學管理的目的。現在國內外已經提出了多種解決方案，如感應無線技術、無線電鑒相技術、激光定位技術、接近開關技術、旋轉編碼器技術、射頻識別RFID（Radio Frequency IDentification）技術等，并相繼應用于實際生產作業中[1]。然而，這些技術中，重型移動裝備控制系統依舊存在抗干擾能力差、精度不高、地址信號跳變等現象，嚴重影響了控制系統正常運作和系統可靠性、穩定性。因此研究重型移動裝備精確位置的檢測有著重大的意義。

1 精確位置檢測系統的組成

面向復雜環境的重型移動裝備位置檢測系統旨在解決重型移動裝備之間相互通信，精密位置和定位控制、計算機集中聯控等一系列問題。

該系統采用三級計算機結構，由控制級、中控級和管理級組成[2]。其中，控制級是由控制中心所控制完成工作指令，由機上部分構成；中控級由實時控制中心PLC 和通訊與控制模塊組成，是系統的控制中心；管理級由2臺工控機組成，實現實時動畫監控和作業計劃信息的下達和完成記錄收集。系統結構示意如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖Fig.1 System structure diagram

應用感應無線通信技術，使感應無線編碼扁平電纜與機上天線相互感應實現通信聯絡。在通信過程中天線的位置通過感應無線編碼扁平電纜感應出來從而達到位置檢測。

機上部分機上部分是系統的主要部分，由機上控制器和機上局組成。采用西門子S7-200系列PLC 作為主控器，主控器通過采集重型移動裝備的工作狀態及其動作信息，向重型移動裝備發出動作指令；機上局的作用是通過車上天線和感應無線編碼扁平電纜與中控室進行信號通訊與傳輸數據。

中控室中控室由SIMATICS7-300系列可編程控制器組成，是系統的控制中樞，控制著實施計劃的記錄、裝備實時動畫的顯示、裝備運行動作的控制、重型移動裝備的位置檢測等。

系統通信與位置檢測媒介始端裝置與終端裝置、接收天線與發送天線通過編碼扁平電纜連接，構成系統的通信與位置檢測媒介。接收天線與發送天線在安裝時采用分離安裝，使通信與位置檢測相互之間不會受到影響，使通信更為準確，也使精確位置檢測更加穩定，因重型移動裝備的作業環境惡劣，接收天線和發送天線都使全封閉的結構，從而克服現場環境的干擾。

2 精確位置檢測系統的硬件設計

2.1 數據通信鏈路

數據通信鏈路的硬件原理如圖2所示。圖中，上部箭頭指示系統計劃指令的信號傳輸方向；下部箭頭表示設備作業狀況的信號反饋；感應無線編碼扁平電纜與車上天線使信號雙向傳遞；車上天線與編碼電纜須保持5～25 mm 距離，以保證信號的穩定接收[3]。

圖2 感應無線系統通信鏈路Fig.2 Induction wireless system communication link

由計劃記錄機生成的作業指令通過RS-232 接口向控制中心的通信模塊CP 發送，經過CPU 重新編碼形成新的壓縮指令，通過通信模塊CP 發送至地上局，將信號調制放大后傳輸至編碼電纜。重型移動裝備上的接收天線通過無線感應接收來自編碼電纜的調制信號。由于接收到的調制信號比較微弱，調制信號發送至車上PLC 經過地上局調制放大，再將信號還原為壓縮的指令編碼，經過重型移動裝備控制器翻譯后形成具體的作業指令，通過IO輸出控制重型移動裝備完成指令動作，并在重型移動裝備中顯示定位信息、播報語音提示。

同理，各重型移動裝備的作業信息按照圖中下部的箭頭指向，反饋至計劃記錄機，形成定位記錄，并在實時動畫機中顯示實時定位。

2.2 感應無線技術實現數據通訊和位置檢測

感應無線技術為所研究系統的技術支撐。由于感應無線技術傳遞信號時無需接觸，它使重型移動裝備與地面控制室的通信問題得到解決，為重型移動裝備的精確位置檢測提供了穩定的方法。

在編碼電纜中有一對通信對線，每隔一定距離就交叉一次，交叉所形成的閉環可以看似為一個單線圈，重型移動裝備的車上天線繞制了多匝線圈。當車上天線通電后靠近編碼電纜時，電纜對線閉環中產生感生電動勢，并在這一對通信對線中產生電流，在車上天線或編碼電纜中輸入調制信號時，就能完成地面控制室與重型移動裝備之間的數據信號的雙向傳遞[4]。感應無線數據通信的原理如圖3所示。

圖3 感應無線數據通信原理Fig.3 Schematic of induction wireless data communication

當車上天線移動時，車上天線反饋出的信號在編碼電纜的通信對線中的感生電動勢隨交叉點變化。當車上天線經過交叉點時，感應電壓相位相應地發生一次變化，將同相感應電壓相位記為“0”，異相感應電壓相位記為“1”；當天線移動時，相應的感應電壓相位會產生“01010101…”的變化，增加多條對線時，隨著車上天線的移動，得到一組由變化的感生電動勢所產生的二進制編碼。感應無線位置檢測原理如圖4所示。

圖4 感應無線位置檢測原理Fig.4 Schematic of induction wireless location detection

按交叉間隔將圖中對線用Gn表示，當車上天線以圖中箭頭方向移動時，G2G1G0的感應電壓相位依次為000→001→010→011→100→101→…→111，這組二進制編碼可計算出重型移動裝備的移動位置。增加通信對線的數量n 和對線交叉的距離時，由感應對線增加的數量n 和G 線的交叉間隔便可延長測量重型移動裝備檢測距離。使用這種方式檢測時，當重型移動裝備面對突發情況掉電時，重新上電便可直接得到重型移動裝備的精確位置。

2.3 雙線差分接收技術

重型移動裝備的使用環境非常惡劣，存在大量的干擾信號，使用雙天線差分接收的技術可以克服這個問題[5]。

將2個天線與編碼電纜的間距設計得非常近，當2個天線感應到編碼電纜的信號時，由于編碼電纜到達2個天線的間距不一樣，2個天線感應的信號幅度并不相同，距離較近的天線感應到的信號幅度比距離較遠的天線感應到的信號幅度大，使用差分電路相減后信號變弱，這時的信號并不能使用，經過放大后便是所需信號，空間距離較遠的干擾信號被天線感應時，干擾信號到2個天線的距離的差距可以忽略不計，使用差分相減后便可將相同的干擾信號消除，這樣設計既消除了外界的干擾信號，又可以保證信號的穩定接收。

3 精確位置檢測系統軟件設計

3.1 上位機管理軟件的實現

為保持良好的人機交互性能，使用Microsoft Visual C++為編程工具，并采用類似于Word的操作界面，因為C++的編程深入系統硬件的最底層，所以在上位機的主模塊和串行通信接口模塊中使用C＋＋是最合適的[6]。C++高效、穩定、可移植性強，在編寫代碼時要少使用控件，可以有效地提高系統的維護性。

網絡通信模塊劃分為記錄模塊、統計模塊、計劃模塊這3個子模塊。由Dreamwerver 3.0 編輯的網頁文件為主頁面，且每個網絡通信模塊子模塊有相應的網頁頁面，其主要功能為：①記錄部分 當裝置完成動作指令時，立即生成相應的記錄；②統計部分 對裝置的工作狀態以及工作完成結果進行統計；③計劃部分 建立相關的記錄對象、查詢記錄數據、控制數據連接。

遠程用戶可以通過網絡通信模塊查詢重型移動裝備的實時相關數據，方便遠程用戶管理實時相關數據和工作狀況。

3.2 實時控制中心和通訊控制

系統主控制器為PLC，是實時控制中心，PLC的種類較多，不同PLC的匯編語言也有所不同。在這些PLC 中，SIMATIC S7系列的PLC 在工業中占據著巨大的份額，SIMATIC S7系列的PLC 有多種編程 語 言 如LAD，STL，SCL，GRAPH，CFC，C for S7。在這些面向用戶的匯編語言中，用戶可自行選擇其中的語言，可用一種進行編程或同時使用多種編程語言交互編程，使用戶開發控制程序的工作效率大大提高。在市場上大多廠商編程使用LAD 和STL匯編語言，在此也使用這2種語言進行混合編程，以提高控制程序的通用性、可讀性和可移植性。

采用模塊化結構設計軟件，分別由調度模塊、通信模塊和控制模塊構成。通信模塊負責下載計劃指令至各重型移動裝備，上傳各裝備的動作、狀態記錄，在工控機界面中顯示相應的動作狀態記錄，同時傳輸重型裝備精密位置的檢測信息[7]。通信模塊的自動尋徑模塊和主控模塊構成，這2個模塊在邏輯上被主模塊調用，如圖5所示。控制模塊則是對其他模塊傳輸控制信息以及協調不同模塊的工作。

車上PLC 與地面中控室一樣，采用SIMATIC S7系列的PLC，編程方式與編程工具相同，其主要功能是建立地面通信和工作裝備之間的數據鏈接，從而達到工作裝備的動作控制計劃的信息接收與動作狀態的信息上傳，實現重型裝備的自動定位等功能。

圖5 系統主控模塊流程Fig.5 System main control module flow chart

4 結語

重型移動裝備精確位置檢測系統在實踐中發現，在惡劣的環境下運行過程中位置精確度高、位置信號不易跳變、抗干擾能力強、作業安全性提高，該系統是制造業與軟件產品的結合，體現了新經濟與傳統產業的有機融合。