基于無線數據的通信技術論文

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1原系統存在的問題

1.1有線通訊方式

原控制系統中，自行小車主控制系統DP主站采用S7-300PLC，控制兩條環行線上6臺自行小車。自行小車采用ET200SPLC作為DP從站，控制自行小車自身動作。自行小車通過車體上安裝集電極和預裝在軌道內的滑觸線在移動中接觸進行取電，提供給移動的小車。自行小車在環形軌道上行走，與主站通過導軌放大器+滑線+碳刷的形式獲取信號電源和DP總線通信控制信號。

1.2有線通訊弊端

滑觸線碳刷滑動取電技術雖然已經非常成熟，但使用上存在先天不足，碳刷與滑線之間的可靠緊密接觸依賴碳刷組件上的彈簧壓緊機構來實現。碳刷彈簧機構的調整，不宜過松，更不宜過緊，很難達到一個理想的平衡狀態，只能周而復始地定期檢查、調整、更換碳刷和滑線。環形空中自行小車通過集電器上的碳刷在滑觸線上采集/傳輸控制信號。自行小車抓取工件升降的過程中會產生抖動，碳刷隨之也會發生抖動，造成信號丟失、通訊中斷，使系統的可靠性降低。另外，自行小車在環行線軌道上左右擺動和上下晃動極易導致滑線與碳刷接觸不良，經常造成總線通訊信號掉線，產生通訊中斷、信號丟失、網絡報警等故障，故障率一直很高。環線空中自行小車長期運行后，碳刷和滑觸線磨損，導致碳刷破裂、接觸不良，也會使控制信號丟失。此外，碳刷長期和滑觸線摩擦，大量碳粉會滯留在滑觸線分段處或滑觸線上，造成信號的誤傳輸，使系統的可靠性降低。另外，這種碳刷滑動通訊方式極易導致碳刷磨損、拉壞，需頻繁更換大量碳刷和滑線，維修成本很高。

2無線通信方案設計

2.1無線解決方案的構想

自行小車線控制系統改造是在仍生產使用的老線原有基礎上進行升級改造，改造難度大，而且改造時間很短，改造還受到原有老系統的限制，風險很大。我們的方案規劃始終圍繞著：確保可靠性，減少現場施工量，減少編程調試時間，并且實現全信息采集的出發點進行。我們的改造原則是：保持原控制系統硬件主體結構不變，在此基礎上，在控制系統局部增加、配置新的模塊和電路，從而實現無線通信功能，以較低成本投入，達到高的效益和產出，有利于維護系統的穩定、可靠和安全，最終達到改造的目的。我們選用最先進的無線網絡通信技術,通過無線網絡通信來解決滑觸線數據通信受限非常適合，無線的優勢特點也很好地滿足了我們此次改造的需求。經過測試無線通信覆蓋區域、信號強度、抗干擾、實時性及數據交換量對網絡速度的影響等多方面性能指標，通過后，最終我們確定采用邦納電氣的ModbusRTU無線技術和產品。

2.2ModbusRTU無線技術特征

近年來，隨著控制技術、計算機技術、通訊技術、網絡技術的飛速發展，自動化控制領域開始出現了基于網絡通訊的開放型無線通信控制技術，其特點是可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強、通訊速度快、數據傳輸量大、維護成本低。無線控制技術打破了傳統有線控制系統的結構形式，在適用范圍、可擴展性、可維護性以及抗故障能力方面，較之現場總線控制系統和計算機控制系統都有明顯的優勢。無線通訊是未來自動化發展的趨勢之一，應用越來越廣泛。ModbusRTU是為PLC設計的一種通信協議，可以很方便地進行Modbus網絡組態。DataRadio是美國邦納公司最新開發出來的系列無線產品，是一種工作在2.4GHzISM頻段的工業無線串口通訊設備，遵循ModbusRTU傳輸協議，用于工業無線局域網的通訊，用于擴展Modbus工業網絡或串行通訊網絡的通訊距離，具有安全、可靠、耐用、高速、高效的特點，可以替代有線和傳統通訊中所使用的硬接線，實現可靠的通信連接。它采用ModbusRTU傳送模式，可與Modbus串行網絡實現無縫連接。

2.3新無線方案的總體構思

新無線方案中，可以完全取消2極信號滑線、2個主導軌放大器、6個小車放大器和24片小車信號碳刷，取而代之的是主站DataRadio無線模塊和從站DataRadio無線模塊。在主控系統DP主站一側設置協議轉換器，將DP主站發送給DP從站的通訊數據轉換為Modbus協議，通過主站DataRadio，將數據發送給小車上的從站DataRadio，從站DataRadio接收到數據以后，通過從站上的協議轉換器，將無線MODBUS協議的數據再轉換為PROFIBUS總線數據，傳送給小車ET200SDP從站。ET200S接收到此數據后就可進行處理和調用。

3無線通信系統的實現

3.1地面主控系統

地面主控系統以S7-300PLC為主控核心，以CPU315-2DP為profibus-DP總線網絡的主站，處理所有地面與小車、小車與小車之間以及輸送系統與工藝設備的數據交換及生產線的所有信息采集與監控。由于PROFIBUS總線協議無法實現無線傳輸，要實現無線通信，必須將PROFIBUS總線協議轉換為ModbusRTU協議，而邦納的DaTaRadio無線產品支持ModbusRTU無線協議。因此，我們在主控系統中，配置了一個NT50-DP-RS協議轉換器和一個邦納DataRadio無線收發器。NT50轉換器用于將S7-300PLC一側的Profibus總線協議轉換為ModbusRTU協議，提供給無線收發器使用。主DataRadio無線收發器遵循ModbusRTU協議，以無線方式向三個小車上的從DataRadio發送和接受通信數據。

3.2車載控制系統

六臺小車的車載控制系統以ET200SPLC為核心，以IM151-7CPU為Profibus-DP總線網絡的從站，完成小車啟動、停止、前進、后退，吊具的上升下降、夾緊松開及各工序工藝時間的控制，實現小車的智能化。我們在車載控制系統中，同樣配置了一個NT50轉換器和一個從DataRadio無線收發器。小車從DataRadio用于接收來自主DataRadio以ModbusRTU協議方式發送過來的無線通信數據，再將此無線數據以ModbusRTU協議有線方式傳送給NT50轉換器，NT50轉換器對收到的數據進行處理轉換，將ModbusRTU協議轉換為Profibus-DP協議，再將數據以Profibus協議有線方式傳遞給小車的ET200SPLCDP從站進行處理，從而實現車載PLC與地面主控PLC的數據交換。

3.3無線通信網絡架構的建立

我們根據兩條環行線分布特性，首先分段布控，先建單網，再建雙網，最后雙網聯控，建立“一控三雙向同步收發”機制，開發出“自行小車—控三雙向同步收發Modbus-RTU無線通訊雙網絡控制系統”。我們在總裝環形線和底板環行線各自分布特點的基礎上，建立兩個各自獨立的網絡，分別控制總裝環形線三臺自行小車和底板環行線三臺自行小車。這樣，信號通信強度大大增強，信號的抗電磁干擾能力也大大提高，這種雙網絡無線架構大大提高了通信的穩定性和可靠性。兩個網絡在內部各自獨立，單獨控制，互不干擾，互無影響，但在外部都在S7-300PLC的統一控制之下，又是互相聯系的，即單控又聯控，各有職責分工，在主控PLC的統一控制和調度下協調、有序、順暢地工作?？傃b無線網絡和底板無線網絡在結構上完全相同，只是網絡參數和地址設定有所不同，下面以底板無線網絡為例進行說明。

4通信程序的開發

我們在主控系統DP主站的CPU和小車DP從站的CPU中分別開發編制了通信控制程序，二者的通信程序基本相同，只是雙方的輸入地址區和輸出地址區正好顛倒，主控系統的輸入區連接自行小車的輸出區，主控系統的輸出區連接自行小車的輸入區。我們首先將主控系統DP主站所有要發送給小車DP從站的數據打包，集中存儲在CPU的DB12數據塊中，再在程序中調用系統標準功能塊SFC15數據寫入程序，CPU在PLC主站的過程映像地址區分配輸出地址W#16#34，即24字節輸出映像區PQB52-PQB75。在SFC15寫數據命令下，CPU將程序中DB12數據塊中的數據先打包，再通過主站的PQB52-PQB75輸出映像區集中發送出去。在小車PLC程序中，需要調用系統標準功能塊SFC14數據讀出程序，在小車PLC從站的過程映像地址區分配輸入地址W#16#40，即24字節輸入映像區PIB64-PIB87，用來接收主站發送過來的數據。在SFC14讀數據命令下，CPU將輸入地址區PIB64-PIB87接收到的打包數據再集中解包，存儲到CPU程序中的DB27數據塊中，可供主控系統PLC各程序調用。同理，自行小車將發送給主控系統的數據先集中打包到DB11數據塊中，在小車CPU的SFC15寫數據命令下，CPU為地址映像區分配輸出地址W#16#D，即24字節輸出映像區PQB13-PQB37，指定此接口用來發送數據。在主控系統一端，CPU在SFC14讀數據命令下，為地址映像區分配24字節輸入地址區PIB13-PIB37，指定該接口接收數據。輸入地址區接收到來自小車的數據后，先解包再存儲到DB13數據塊中。

5結束語

基于ModbusRTU無線數據通信技術的自行小車無線控制系統改造成功、投入運行以后，狀態穩定可靠，徹底消除了自行小車通訊故障頻發的頑疾，達到了縮短節拍、提升產能、提高性能、提高可靠性、降低故障率的目標。尤其是無線網絡通訊系統從調試開始到目前一直表現相當穩定，是此項目取得成功的關鍵。通過此項目證明了ModbusRTU無線網絡通信可靠，應用在環行自行小車自動控制系統中能夠充分發揮其優勢，性價比很高。實踐證明，ModbusRTU無線數據通信技術在D530自行小車上的設計、開發和應用是十分成功的，可為類似自行小車控制系統設計提供了一種經濟實用、高效可靠、成熟可行的方案選擇，在國內同行業同類型的自行小車線上具有十分普遍的推廣應用價值。

作者：王世華單位：東風商用車有限公司車身廠