李曉勉，于勝旺，華大鵬

(1.河南新起騰升起重設(shè)備有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453002;2.南陽(yáng)供電公司，河南 南陽(yáng) 473000)

1 引言

在起重機(jī)行業(yè)，原來(lái)抬吊百米軌道時(shí)，通過(guò)4臺(tái)U形門(mén)吊的操作者和地面指揮者之間的喊話來(lái)協(xié)調(diào)作業(yè)，既耗費(fèi)了人力物力，作業(yè)精度也不高，造成資源的極大浪費(fèi)。隨著無(wú)線通訊技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入，該技術(shù)在起重機(jī)電氣控制方面也得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。由我廠設(shè)計(jì)并制作4臺(tái)20/10T－26M A5 U形門(mén)機(jī)，采用無(wú)線通訊技術(shù)和配套的自動(dòng)吊具，實(shí)現(xiàn)了一人操作，4臺(tái)U形門(mén)機(jī)同時(shí)作業(yè)抬吊百米軌道的功能，從而提高了抬吊軌道的機(jī)械化程度，縮短了作業(yè)時(shí)間，提高了工作效率，對(duì)我國(guó)的起重行業(yè)電氣控制的發(fā)展具有十分重要的意義。

圖1 網(wǎng)絡(luò)框圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

常規(guī)的無(wú)線通訊技術(shù)有數(shù)字傳輸電臺(tái)、藍(lán)牙技術(shù)、Zigbee技術(shù)、GPRS/RTU技術(shù)等。其中，Zigbee是一個(gè)最多可由65000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，每一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類(lèi)似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信;另外整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其他的各種網(wǎng)絡(luò)連接。在做某鐵路項(xiàng)目中，鐵路焊軌基地采用4臺(tái)U形門(mén)吊，要求能夠?qū)崿F(xiàn)四車(chē)無(wú)線聯(lián)動(dòng)，本著優(yōu)質(zhì)可靠、低成本的原則，本工程采用無(wú)線通訊Zigbee網(wǎng)絡(luò)，4臺(tái)門(mén)吊(代號(hào)為1#車(chē)、2#車(chē)、3#車(chē)、4#車(chē))中 1#車(chē)為無(wú)線通訊的主站，2#、3#、4#為從站，組成無(wú)線局域網(wǎng)［1］。網(wǎng)絡(luò)框圖如圖1所示:

2.2 硬件設(shè)計(jì)

單臺(tái)U形門(mén)機(jī)的硬件由以下4部分組成［2］:

①各控制機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)，對(duì)應(yīng)各機(jī)構(gòu)的變頻器，對(duì)應(yīng)各機(jī)構(gòu)的主令控制器;②PLC部分包括:PLC的電源模塊、CPU及擴(kuò)展輸入、輸出模塊及無(wú)線通訊模塊;③顯示同步信息、起升高度的人機(jī)界面及起反饋?zhàn)饔玫男D(zhuǎn)編碼器;④安全保護(hù)裝置。各機(jī)構(gòu)及起重機(jī)的安全保護(hù)裝置作為信號(hào)，來(lái)決定起重機(jī)及各機(jī)構(gòu)是否可以運(yùn)行，需要進(jìn)入PLC的輸入部分，當(dāng)條件滿足時(shí)，操作各機(jī)構(gòu)主令，PLC的CPU通過(guò)無(wú)線通訊模塊實(shí)現(xiàn)PLC到PLC間無(wú)線通訊，從而控制4臺(tái)或4臺(tái)中任意組合的2臺(tái)或3臺(tái)U型門(mén)機(jī)進(jìn)行同步運(yùn)行。由于采用了變頻器控制，大大提高了控制精度。其硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 PLC 控制系統(tǒng)

全車(chē)采用PLC+變頻器控制。首先通過(guò)西門(mén)子S7－200系列的PLC作為集中控制中心，將系統(tǒng)的操作指令、設(shè)備狀態(tài)采集到PLC，采集現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)，采取相應(yīng)的處理措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的控制。PLC通過(guò)無(wú)線通訊、RS485總線實(shí)現(xiàn)主、從站無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制，并且接受變頻器的運(yùn)行和報(bào)警信息，各機(jī)構(gòu)采用安川公司起重G7通用型變頻器。PLC也通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接受安裝在現(xiàn)場(chǎng)的觸摸屏發(fā)出的動(dòng)作信號(hào)采取工藝要求的動(dòng)作，連接在PLC的物理輸入信號(hào)以及通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接的傳動(dòng)裝置將實(shí)際的動(dòng)作情況傳至PLC，然后再由PLC傳送至安裝在現(xiàn)場(chǎng)的觸摸屏用于顯示和監(jiān)控。

PLC與各個(gè)變頻器之間采用硬接線連接，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線直接與PLC主站相連接，各個(gè)變頻器因此成為從站與PLC交換信息。PLC可以獨(dú)立地向各個(gè)變頻器發(fā)出運(yùn)行、停止、速度等指令，同時(shí)各個(gè)變頻器也將自身的運(yùn)行信息以及檢測(cè)到的電機(jī)狀態(tài)通過(guò)硬接線傳送至PLC。PLC通訊無(wú)線傳輸可發(fā)出同步指令，4車(chē)可同時(shí)接受運(yùn)行命令和同步速度，能以毫秒級(jí)的速度進(jìn)行變頻器與PLC之間的同步命令、同步速度及狀態(tài)監(jiān)視等數(shù)據(jù)交換［3－4］。

2.3.2 Zigbee 無(wú)線通訊系統(tǒng)

本系統(tǒng)選用是無(wú)線RS485/RS232無(wú)線透?jìng)髂K，本模塊是針對(duì)現(xiàn)有的RS485總線(或RS232)開(kāi)發(fā)的無(wú)線解決方案，實(shí)現(xiàn)RS485總線(或RS232)和無(wú)線通信之間的透明傳輸，可替換現(xiàn)有的RS485總線(或RS232)。在原有設(shè)備不做任何改動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，節(jié)省布線成本。模塊反應(yīng)時(shí)間最短為5ms，可以滿足大部分應(yīng)用的實(shí)時(shí)性需求，具有較高實(shí)時(shí)性，可替代PLC的485總線，接入PLC控制系統(tǒng)中時(shí)，典型的主站－從站輪詢周期為50ms。

每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以與監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，它還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)資料;除此之外，每一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD)還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)(RFD)無(wú)線連接。每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD和RFD)可支持多到31個(gè)的傳感器和受控設(shè)備，每一個(gè)傳感器和受控設(shè)備中可以有8種不同的接口方式?？梢圆杉蛡鬏敂?shù)字量和模擬量。

Zigbee技術(shù)的特點(diǎn):低功耗，低數(shù)據(jù)量(250KPS)，低成本，使用免費(fèi)的ISM頻段(2.4G)，高的抗干擾性能(DSSS)，高保密性(64位出廠編號(hào)和支持AES－128加密)，高集成度和高可靠性;節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃?，同時(shí)也可以與現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和其他通信網(wǎng)絡(luò)相連接。

2.3.3 程序?qū)崿F(xiàn)

1)基本通訊理念。

1#將輪流和2#、3#、4#進(jìn)行詢問(wèn)，并更新?tīng)顟B(tài);

為保證數(shù)據(jù)通訊的可靠性，每個(gè)數(shù)據(jù)將進(jìn)行一次傳遞兩遍的方式，接收方進(jìn)行對(duì)比后，予以接納;如果一次傳數(shù)據(jù)，等待若干時(shí)間后，從站沒(méi)有響應(yīng)，將重新發(fā)送數(shù)據(jù)一遍，若還是沒(méi)有響應(yīng)，將報(bào)通訊故障，此功能也稱(chēng)為“握手效應(yīng)”，顧名思義，只有雙方握到手后，方可進(jìn)行下一步的工作。若兩次之后均無(wú)反應(yīng)，將進(jìn)行下一個(gè)站的數(shù)據(jù)交換;以此反復(fù)。

2)通訊格式定義。

每次需要傳送的狀態(tài)變量為24bits，定義如下，轉(zhuǎn)換為ASCII需要6個(gè)字節(jié):

nn——11表示開(kāi)始地址;

pp——00表示1#站，通常本機(jī)對(duì)本機(jī)，不用;01表示2#站;10表示3#站;11表示4#站;

aaa——表示1#站的通訊狀態(tài)(1為正常);聯(lián)動(dòng)狀態(tài);主機(jī)要求的投入狀態(tài);

bbb——表示2#站的通訊狀態(tài);聯(lián)動(dòng)狀態(tài);主機(jī)要求的投入狀態(tài);

ccc——表示3#站的通訊狀態(tài);聯(lián)動(dòng)狀態(tài);主機(jī)要求的投入狀態(tài);

ddd——表示4#站的通訊狀態(tài);聯(lián)動(dòng)狀態(tài);主機(jī)要求的投入狀態(tài);

mmmmmmmm——表示 PLC 輸入點(diǎn) I0.0－I0.7的狀態(tài)。

為了保證數(shù)據(jù)可靠，每次的狀態(tài)變量將連在一起發(fā)送兩遍;1#站的存儲(chǔ)區(qū):最新?tīng)顟B(tài)數(shù)據(jù)存在變量寄存器VB0－VB1－VB2中;發(fā)送ASCII區(qū):VB10開(kāi)始的12個(gè)byte;接收ASCII區(qū):VB30開(kāi)始的12個(gè)byte;2#、3#、4#的存儲(chǔ)區(qū)同 1#。

3)編制程序及調(diào)試。

有了以上的基本通訊理念及通訊格式定義的要求，根據(jù)U形門(mén)機(jī)抬吊的工藝要求進(jìn)行程序的具體編制，并進(jìn)行調(diào)試，限于篇幅，在此不再展開(kāi)論述。

4)通訊時(shí)間的計(jì)算。

每次發(fā)送6個(gè)ASCII碼，雙倍數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行安全確認(rèn)，需要11×6×2/9600×1000=14ms;正常通訊的一個(gè)輪回最短時(shí)間為:14ms×6+10ms×6=144ms;如果都是通訊故障，需要每個(gè)站詢問(wèn)兩遍，并每次等待響應(yīng)30ms，時(shí)間約為14×6+30×6=264ms。

2.4 功能實(shí)現(xiàn)

每臺(tái)U形門(mén)吊通過(guò)無(wú)線透?jìng)髂K進(jìn)行無(wú)線通訊，可將四臺(tái)車(chē)聯(lián)成整個(gè)系統(tǒng)，假設(shè)1#車(chē)的司機(jī)室為主司機(jī)室，其他車(chē)為副司機(jī)室。因此，通過(guò)主、副司機(jī)室內(nèi)聯(lián)動(dòng)臺(tái)上功能按鈕操作，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)功能操作。

單動(dòng)模式:將主、副聯(lián)機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)上單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)旋鈕旋至單動(dòng)位置，每臺(tái)車(chē)各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作不受外部車(chē)狀態(tài)影響，可以正常單獨(dú)工作，此時(shí)單動(dòng)指示燈會(huì)點(diǎn)亮。

聯(lián)動(dòng)模式:將各主副聯(lián)機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)上單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)旋鈕旋至聯(lián)動(dòng)位置，3臺(tái)副車(chē)各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作在本司機(jī)室內(nèi)將不能再操作，此時(shí)聯(lián)動(dòng)指示燈會(huì)點(diǎn)亮。3臺(tái)副車(chē)機(jī)構(gòu)動(dòng)作僅受主司機(jī)室操控。

主司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)上設(shè)有單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)旋鈕，當(dāng)主、副司機(jī)室單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)旋鈕都旋至聯(lián)動(dòng)位置時(shí)，2#投入/切除、3#投入/切除、4#投入/切除旋鈕起作用，通過(guò)這些按鈕控制4臺(tái)車(chē)是否參加投入工作，可任意投切選擇1臺(tái)、2臺(tái)或3臺(tái)投入工作。若是部分車(chē)單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)旋鈕旋至聯(lián)動(dòng)狀態(tài)，則只有投入聯(lián)動(dòng)狀態(tài)車(chē)所對(duì)應(yīng)的投切命令才起作用。

同步聯(lián)絡(luò):當(dāng)工藝要求多臺(tái)車(chē)同步控制時(shí)，主司機(jī)室發(fā)出同步操作請(qǐng)求信號(hào)，各副司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)有同步聯(lián)絡(luò)聲光報(bào)警指示，提示副司機(jī)室駕駛員可進(jìn)行聯(lián)動(dòng)操作。如單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)旋鈕旋至聯(lián)動(dòng)位置時(shí)，主司機(jī)室將收到各車(chē)聯(lián)動(dòng)狀態(tài)指示點(diǎn)亮應(yīng)答信號(hào);如單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)旋鈕旋至單動(dòng)位置時(shí)，主司機(jī)室的各車(chē)聯(lián)動(dòng)狀態(tài)燈則處于熄滅狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用Zigbee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了PLC之間的無(wú)線通訊及群吊控制的簡(jiǎn)單化和精確控制，并首次在某鐵路局的焊軌基地投入使用，至今運(yùn)營(yíng)狀況良好。隨著鐵路焊軌基地生產(chǎn)效率的不斷提高，生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這種基于PLC無(wú)線通訊并車(chē)技術(shù)的群吊控制技術(shù)將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，具有很好的市場(chǎng)前景。

［1］崔堅(jiān)，李佳.西門(mén)子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊指南［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］張質(zhì)文.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2001.

［3］姚錫錄.變頻器控制技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］張燕賓.常用變頻器功能手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.