基于无线数据的通信技术论文

1原系统存在的问题

1.1有线通讯方式

原控制系统中，自行小车主控制系统DP主站采用S7-300PLC，控制两条环行线上6台自行小车。自行小车采用ET200SPLC作为DP从站，控制自行小车自身动作。自行小车通过车体上安装集电极和预装在轨道内的滑触线在移动中接触进行取电，提供给移动的小车。自行小车在环形轨道上行走，与主站通过导轨放大器+滑线+碳刷的形式获取信号电源和DP总线通信控制信号。

1.2有线通讯弊端

滑触线碳刷滑动取电技术虽然已经非常成熟，但使用上存在先天不足，碳刷与滑线之间的可靠紧密接触依赖碳刷组件上的弹簧压紧机构来实现。碳刷弹簧机构的调整，不宜过松，更不宜过紧，很难达到一个理想的平衡状态，只能周而复始地定期检查、调整、更换碳刷和滑线。环形空中自行小车通过集电器上的碳刷在滑触线上采集/传输控制信号。自行小车抓取工件升降的过程中会产生抖动，碳刷随之也会发生抖动，造成信号丢失、通讯中断，使系统的可靠性降低。另外，自行小车在环行线轨道上左右摆动和上下晃动极易导致滑线与碳刷接触不良，经常造成总线通讯信号掉线，产生通讯中断、信号丢失、网络报警等故障，故障率一直很高。环线空中自行小车长期运行后，碳刷和滑触线磨损，导致碳刷破裂、接触不良，也会使控制信号丢失。此外，碳刷长期和滑触线摩擦，大量碳粉会滞留在滑触线分段处或滑触线上，造成信号的误传输，使系统的可靠性降低。另外，这种碳刷滑动通讯方式极易导致碳刷磨损、拉坏，需频繁更换大量碳刷和滑线，维修成本很高。

2无线通信方案设计

2.1无线解决方案的构想

自行小车线控制系统改造是在仍生产使用的老线原有基础上进行升级改造，改造难度大，而且改造时间很短，改造还受到原有老系统的限制，风险很大。我们的方案规划始终围绕着：确保可靠性，减少现场施工量，减少编程调试时间，并且实现全信息采集的出发点进行。我们的改造原则是：保持原控制系统硬件主体结构不变，在此基础上，在控制系统局部增加、配置新的模块和电路，从而实现无线通信功能，以较低成本投入，达到高的效益和产出，有利于维护系统的稳定、可靠和安全，最终达到改造的目的。我们选用最先进的无线网络通信技术,通过无线网络通信来解决滑触线数据通信受限非常适合，无线的优势特点也很好地满足了我们此次改造的需求。经过测试无线通信覆盖区域、信号强度、抗干扰、实时性及数据交换量对网络速度的影响等多方面性能指标，通过后，最终我们确定采用邦纳电气的ModbusRTU无线技术和产品。

2.2ModbusRTU无线技术特征

近年来，随着控制技术、计算机技术、通讯技术、网络技术的飞速发展，自动化控制领域开始出现了基于网络通讯的开放型无线通信控制技术，其特点是可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通讯速度快、数据传输量大、维护成本低。无线控制技术打破了传统有线控制系统的结构形式，在适用范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力方面，较之现场总线控制系统和计算机控制系统都有明显的优势。无线通讯是未来自动化发展的趋势之一，应用越来越广泛。ModbusRTU是为PLC设计的一种通信协议，可以很方便地进行Modbus网络组态。DataRadio是美国邦纳公司最新开发出来的系列无线产品，是一种工作在2.4GHzISM频段的工业无线串口通讯设备，遵循ModbusRTU传输协议，用于工业无线局域网的通讯，用于扩展Modbus工业网络或串行通讯网络的通讯距离，具有安全、可靠、耐用、高速、高效的特点，可以替代有线和传统通讯中所使用的硬接线，实现可靠的通信连接。它采用ModbusRTU传送模式，可与Modbus串行网络实现无缝连接。

2.3新无线方案的总体构思

新无线方案中，可以完全取消2极信号滑线、2个主导轨放大器、6个小车放大器和24片小车信号碳刷，取而代之的是主站DataRadio无线模块和从站DataRadio无线模块。在主控系统DP主站一侧设置协议转换器，将DP主站发送给DP从站的通讯数据转换为Modbus协议，通过主站DataRadio，将数据发送给小车上的从站DataRadio，从站DataRadio接收到数据以后，通过从站上的协议转换器，将无线MODBUS协议的数据再转换为PROFIBUS总线数据，传送给小车ET200SDP从站。ET200S接收到此数据后就可进行处理和调用。

3无线通信系统的实现

3.1地面主控系统

地面主控系统以S7-300PLC为主控核心，以CPU315-2DP为profibus-DP总线网络的主站，处理所有地面与小车、小车与小车之间以及输送系统与工艺设备的数据交换及生产线的所有信息采集与监控。由于PROFIBUS总线协议无法实现无线传输，要实现无线通信，必须将PROFIBUS总线协议转换为ModbusRTU协议，而邦纳的DaTaRadio无线产品支持ModbusRTU无线协议。因此，我们在主控系统中，配置了一个NT50-DP-RS协议转换器和一个邦纳DataRadio无线收发器。NT50转换器用于将S7-300PLC一侧的Profibus总线协议转换为ModbusRTU协议，提供给无线收发器使用。主DataRadio无线收发器遵循ModbusRTU协议，以无线方式向三个小车上的从DataRadio发送和接受通信数据。

3.2车载控制系统

六台小车的车载控制系统以ET200SPLC为核心，以IM151-7CPU为Profibus-DP总线网络的从站，完成小车启动、停止、前进、后退，吊具的上升下降、夹紧松开及各工序工艺时间的控制，实现小车的智能化。我们在车载控制系统中，同样配置了一个NT50转换器和一个从DataRadio无线收发器。小车从DataRadio用于接收来自主DataRadio以ModbusRTU协议方式发送过来的无线通信数据，再将此无线数据以ModbusRTU协议有线方式传送给NT50转换器，NT50转换器对收到的数据进行处理转换，将ModbusRTU协议转换为Profibus-DP协议，再将数据以Profibus协议有线方式传递给小车的ET200SPLCDP从站进行处理，从而实现车载PLC与地面主控PLC的数据交换。

3.3无线通信网络架构的建立

我们根据两条环行线分布特性，首先分段布控，先建单网，再建双网，最后双网联控，建立“一控三双向同步收发”机制，开发出“自行小车—控三双向同步收发Modbus-RTU无线通讯双网络控制系统”。我们在总装环形线和底板环行线各自分布特点的基础上，建立两个各自独立的网络，分别控制总装环形线三台自行小车和底板环行线三台自行小车。这样，信号通信强度大大增强，信号的抗电磁干扰能力也大大提高，这种双网络无线架构大大提高了通信的稳定性和可靠性。两个网络在内部各自独立，单独控制，互不干扰，互无影响，但在外部都在S7-300PLC的统一控制之下，又是互相联系的，即单控又联控，各有职责分工，在主控PLC的统一控制和调度下协调、有序、顺畅地工作。总装无线网络和底板无线网络在结构上完全相同，只是网络参数和地址设定有所不同，下面以底板无线网络为例进行说明。

4通信程序的开发

我们在主控系统DP主站的CPU和小车DP从站的CPU中分别开发编制了通信控制程序，二者的通信程序基本相同，只是双方的输入地址区和输出地址区正好颠倒，主控系统的输入区连接自行小车的输出区，主控系统的输出区连接自行小车的输入区。我们首先将主控系统DP主站所有要发送给小车DP从站的数据打包，集中存储在CPU的DB12数据块中，再在程序中调用系统标准功能块SFC15数据写入程序，CPU在PLC主站的过程映像地址区分配输出地址W#16#34，即24字节输出映像区PQB52-PQB75。在SFC15写数据命令下，CPU将程序中DB12数据块中的数据先打包，再通过主站的PQB52-PQB75输出映像区集中发送出去。在小车PLC程序中，需要调用系统标准功能块SFC14数据读出程序，在小车PLC从站的过程映像地址区分配输入地址W#16#40，即24字节输入映像区PIB64-PIB87，用来接收主站发送过来的数据。在SFC14读数据命令下，CPU将输入地址区PIB64-PIB87接收到的打包数据再集中解包，存储到CPU程序中的DB27数据块中，可供主控系统PLC各程序调用。同理，自行小车将发送给主控系统的数据先集中打包到DB11数据块中，在小车CPU的SFC15写数据命令下，CPU为地址映像区分配输出地址W#16#D，即24字节输出映像区PQB13-PQB37，指定此接口用来发送数据。在主控系统一端，CPU在SFC14读数据命令下，为地址映像区分配24字节输入地址区PIB13-PIB37，指定该接口接收数据。输入地址区接收到来自小车的数据后，先解包再存储到DB13数据块中。

5结束语

基于ModbusRTU无线数据通信技术的自行小车无线控制系统改造成功、投入运行以后，状态稳定可靠，彻底消除了自行小车通讯故障频发的顽疾，达到了缩短节拍、提升产能、提高性能、提高可靠性、降低故障率的目标。尤其是无线网络通讯系统从调试开始到目前一直表现相当稳定，是此项目取得成功的关键。通过此项目证明了ModbusRTU无线网络通信可靠，应用在环行自行小车自动控制系统中能够充分发挥其优势，性价比很高。实践证明，ModbusRTU无线数据通信技术在D530自行小车上的设计、开发和应用是十分成功的，可为类似自行小车控制系统设计提供了一种经济实用、高效可靠、成熟可行的方案选择，在国内同行业同类型的自行小车线上具有十分普遍的推广应用价值。

作者：王世华单位：东风商用车有限公司车身厂