湯文剛

摘? ?要：隨著科技發(fā)展，無線通信的實(shí)時性與穩(wěn)定性較以往已經(jīng)有了大幅度的提高，在某些領(lǐng)域已經(jīng)逐漸替代有線通信方式。以水工學(xué)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(tǒng)的影響，在以往系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)的采集都是通過在滑束線上固定網(wǎng)線的方式來實(shí)現(xiàn)，這種通信方式不僅制約著小車的運(yùn)行距離，也給實(shí)驗(yàn)人員的操作與數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測帶來不必要的束縛。隨著無線通信技術(shù)以及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，這種束縛已經(jīng)逐漸被擺脫。

關(guān)鍵詞：無線通訊? PLC自動控制? 三維測控小車? 伺服驅(qū)動控制

無線三維測控小車自動控制系統(tǒng)是采用先進(jìn)的無線通信技術(shù)、PLC自動控制技術(shù)、伺服控制技術(shù)以及數(shù)據(jù)采集技術(shù)于一體的自動化控制系統(tǒng)。所有的控制、數(shù)據(jù)采集均通過無線通信的方式實(shí)現(xiàn)，測控小車的運(yùn)行動力以及小車上的監(jiān)測設(shè)備均通過小車上嵌入的鋰電池進(jìn)行供電。

1? 系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)的設(shè)計分為系統(tǒng)硬件設(shè)計與系統(tǒng)軟件設(shè)計兩個部分。在硬件設(shè)計方面，筆者認(rèn)為設(shè)計中最成功的莫過于無線局域網(wǎng)關(guān)模塊以及鋰電池供電模塊的使用;如果沒有穩(wěn)定的無線局域網(wǎng)關(guān)模塊以及輸出持久且體積小的鋰電池模塊的應(yīng)用，三維測控小車的控制系統(tǒng)也很難實(shí)現(xiàn)無線化。在軟件設(shè)計方面，筆者認(rèn)為設(shè)計最成功的莫過于“通信心跳”概念的引入，因?yàn)楸敬卧O(shè)計的三維測控小車基于無線方式進(jìn)行控制的，所以一旦無線通信出現(xiàn)問題，小車在運(yùn)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(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計分為五大部分，即人機(jī)界面硬件設(shè)計、PLC控制站硬件設(shè)計、無線局域網(wǎng)硬件設(shè)計、伺服驅(qū)動系統(tǒng)硬件設(shè)計以及鋰電池供電系統(tǒng)硬件設(shè)計。這五大部分協(xié)同運(yùn)作，構(gòu)成無線三維測控小車完整的硬件體系。

2.1 人機(jī)界面硬件設(shè)計

人機(jī)界面是人與機(jī)器之間的“交流”窗口，現(xiàn)場操作人員不僅可以通過人機(jī)界面對三維小車進(jìn)行控制，也可以通過人機(jī)界面清楚的了解到小車的運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)。因?yàn)楸敬稳藱C(jī)界面的硬件設(shè)計是基于無線局域網(wǎng)關(guān)這個硬件基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)的，所以本機(jī)設(shè)計的人機(jī)界面可以在無線局域網(wǎng)覆蓋的范圍內(nèi)任意移動，而不影響系統(tǒng)的操作與數(shù)據(jù)的采集。在這里人機(jī)界面可以是一個平板電腦，甚至可以是我們經(jīng)常使用的智能手機(jī)。

2.2 PLC控制站硬件設(shè)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(yùn)動控制以及運(yùn)行中數(shù)據(jù)采集與記錄。PLC控制站與無線網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品協(xié)同運(yùn)作，將測控小車運(yùn)行中的數(shù)據(jù)及狀態(tài)實(shí)時的顯示在人機(jī)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(shí)現(xiàn)4組伺服驅(qū)動器的精準(zhǔn)控制。

2.3 無線局域網(wǎng)硬件設(shè)計

無線局域網(wǎng)是人機(jī)界面以及PLC控制站之間“交流”的“橋梁”與“紐帶”，無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障將導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓，所以一個穩(wěn)定的無線局域網(wǎng)絡(luò)，在無線三維控制小車系統(tǒng)車至關(guān)重要。本次系統(tǒng)設(shè)計的無線局域網(wǎng)絡(luò)硬件架構(gòu)，是以海卓蘭公司的7144 N2系列無線網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品為架構(gòu)核心，該系列的無線網(wǎng)關(guān)具有通信速率快以及傳輸穩(wěn)定的特點(diǎn)，并且具有自診斷與自愈的功能，正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)使得其在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)被廣泛的應(yīng)用。

2.4 伺服驅(qū)動系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

2.5 鋰電池供電系統(tǒng)硬件設(shè)計

本次設(shè)計的鋰電池供電系統(tǒng)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(yùn)行的情況下為其持續(xù)供電8h。同時在該套系統(tǒng)里還裝有220VAC交流逆變器，為小車上需要220V交流供電的設(shè)備供電。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計（見圖1）分為兩個部分，即人機(jī)界面組態(tài)軟件設(shè)計與PLC自動控制軟件設(shè)計。通過人機(jī)界面組態(tài)軟件可以清楚的看到當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并且通過人機(jī)界面組態(tài)軟件可以向PLC控制站發(fā)出命令，控制小車的前進(jìn)后退以及上下左右運(yùn)行。

PLC自動控制軟件是在西門子公司TIA V15軟件開發(fā)平臺進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)好的軟件可以接收來自人機(jī)界面軟件的指令并且將系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳遞給人機(jī)界面。不僅如此，PLC控制軟件還扮演著控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)的角色，通過發(fā)送脈沖精準(zhǔn)的對伺服驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行控制。

4? 討論

在系統(tǒng)設(shè)計時，充分考慮了無線控制的弊端，即無線網(wǎng)絡(luò)一旦出現(xiàn)中斷或強(qiáng)干擾時，控制系統(tǒng)有可能癱瘓或者不接受運(yùn)行指令。為了解決這一問題，在控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中引入“通信心跳”機(jī)制，即PLC控制站與人機(jī)界面互相監(jiān)測“心跳”，這一概念可以理解為PLC控制站始終向人機(jī)操作界面發(fā)送請求通信指令，人機(jī)操作界面也對PLC控制站發(fā)送過來的指令進(jìn)行回應(yīng)，一旦PLC控制站在規(guī)定的時間內(nèi)沒有接收到相應(yīng)的回應(yīng)指令，則說明系統(tǒng)通信出現(xiàn)問題，并立即停止伺服驅(qū)動系統(tǒng)的所有運(yùn)行動作。這一機(jī)制的引入為系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保證。

5? 結(jié)語

無線三維測控小車自動控制系統(tǒng)，不僅給現(xiàn)場操作人員帶來操作上的便利，也大大增加了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集量，可以監(jiān)測到系統(tǒng)更多的狀態(tài)數(shù)據(jù)。與此同時，無線控制的引入也大大減少了現(xiàn)場電纜的敷設(shè)的工作量，測控小車的運(yùn)行距離較有線控制也有很大的提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 姜晨光，王守慧，劉泉維，等.南京長江隧道三維測控系統(tǒng)設(shè)計[J].海洋測繪，2008（6）：34-37.

[2] 張強(qiáng).三維精測小車在無砟軌道測量中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2013，26（6）：170-171.

[3] 劉軼文.三維掃描系統(tǒng)測控軟件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].西北工業(yè)大學(xué)，2003.