基于PLC控制的无线三维测控小车

汤文刚

摘   要：随着科技发展，无线通信的实时性与稳定性较以往已经有了大幅度的提高，在某些领域已经逐渐替代有线通信方式。以水工学上的三维测控小车为例，来说明通信方式的改变对自动控制系统的影响，在以往系统的控制与数据的采集都是通过在滑束线上固定网线的方式来实现，这种通信方式不仅制约着小车的运行距离，也给实验人员的操作与数据实时监测带来不必要的束缚。随着无线通信技术以及其他相关技术的发展，这种束缚已经逐渐被摆脱。

关键词：无线通讯  PLC自动控制  三维测控小车  伺服驱动控制

无线三维测控小车自动控制系统是采用先进的无线通信技术、PLC自动控制技术、伺服控制技术以及数据采集技术于一体的自动化控制系统。所有的控制、数据采集均通过无线通信的方式实现，测控小车的运行动力以及小车上的监测设备均通过小车上嵌入的锂电池进行供电。

1  系统设计

整个系统的设计分为系统硬件设计与系统软件设计两个部分。在硬件设计方面，笔者认为设计中最成功的莫过于无线局域网关模块以及锂电池供电模块的使用;如果没有稳定的无线局域网关模块以及输出持久且体积小的锂电池模块的应用，三维测控小车的控制系统也很难实现无线化。在软件设计方面，笔者认为设计最成功的莫过于“通信心跳”概念的引入，因为本次设计的三维测控小车基于无线方式进行控制的，所以一旦无线通信出现问题，小车在运行过程中想停也停不下来，会带来安全隐患。但是随着“通信心跳”这一概念的引入，这一隐患被成功并且完美的解决了。

2  系统硬件设计

整个系统的硬件设计分为五大部分，即人机界面硬件设计、PLC控制站硬件设计、无线局域网硬件设计、伺服驱动系统硬件设计以及锂电池供电系统硬件设计。这五大部分协同运作，构成无线三维测控小车完整的硬件体系。

2.1 人机界面硬件设计

人机界面是人与机器之间的“交流”窗口，现场操作人员不仅可以通过人机界面对三维小车进行控制，也可以通过人机界面清楚的了解到小车的运行状态与实时运行数据。因为本次人机界面的硬件设计是基于无线局域网关这个硬件基础来实现的，所以本机设计的人机界面可以在无线局域网覆盖的范围内任意移动，而不影响系统的操作与数据的采集。在这里人机界面可以是一个平板电脑，甚至可以是我们经常使用的智能手机。

2.2 PLC控制站硬件设计

PLC控制站是以西门子1200系列PLC为控制核心，完成三维小车的运动控制以及运行中数据采集与记录。PLC控制站与无线网关产品协同运作，将测控小车运行中的数据及状态实时的显示在人机界面上。同时，此款控制器自带4路高速脉冲输出功能，能够同时实现4组伺服驱动器的精准控制。

2.3 无线局域网硬件设计

无线局域网是人机界面以及PLC控制站之间“交流”的“桥梁”与“纽带”，无线网络出现故障将导致整个系统的瘫痪，所以一个稳定的无线局域网络，在无线三维控制小车系统车至关重要。本次系统设计的无线局域网络硬件架构，是以海卓兰公司的7144 N2系列无线网关产品为架构核心，该系列的无线网关具有通信速率快以及传输稳定的特点，并且具有自诊断与自愈的功能，正因为这些优点使得其在工業控制网络被广泛的应用。

2.4 伺服驱动系统硬件设计

伺服驱动系统是以台达ASDA-A2系列伺服驱动器为核心，该款控制器使用17bit增量式编码器系统，控制精度可达0.001mm。在本次设计的无线三维测控小车上安装有三套该款伺服驱动系统，分别控制小车的前后、左右、上下运行，三个轴各自运行互不影响。

2.5 锂电池供电系统硬件设计

本次设计的锂电池供电系统的核心为一块40AH的锂电池模块，该模块体积小，供电持久，可以在小车上三根轴同时运行的情况下为其持续供电8h。同时在该套系统里还装有220VAC交流逆变器，为小车上需要220V交流供电的设备供电。

3  系统软件设计

系统的软件设计（见图1）分为两个部分，即人机界面组态软件设计与PLC自动控制软件设计。通过人机界面组态软件可以清楚的看到当前系统的运行状态，并且通过人机界面组态软件可以向PLC控制站发出命令，控制小车的前进后退以及上下左右运行。

PLC自动控制软件是在西门子公司TIA V15软件开发平台进行开发，开发好的软件可以接收来自人机界面软件的指令并且将系统的运行数据传递给人机界面。不仅如此，PLC控制软件还扮演着控制伺服驱动系统的角色，通过发送脉冲精准的对伺服驱动系统进行控制。

4  讨论

在系统设计时，充分考虑了无线控制的弊端，即无线网络一旦出现中断或强干扰时，控制系统有可能瘫痪或者不接受运行指令。为了解决这一问题，在控制系统软件设计中引入“通信心跳”机制，即PLC控制站与人机界面互相监测“心跳”，这一概念可以理解为PLC控制站始终向人机操作界面发送请求通信指令，人机操作界面也对PLC控制站发送过来的指令进行回应，一旦PLC控制站在规定的时间内没有接收到相应的回应指令，则说明系统通信出现问题，并立即停止伺服驱动系统的所有运行动作。这一机制的引入为系统的安全运行提供了强有力的保证。

5  结语

无线三维测控小车自动控制系统，不仅给现场操作人员带来操作上的便利，也大大增加了系统数据的采集量，可以监测到系统更多的状态数据。与此同时，无线控制的引入也大大减少了现场电缆的敷设的工作量，测控小车的运行距离较有线控制也有很大的提高。

参考文献

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[2] 张强.三维精测小车在无砟轨道测量中的应用[J].科技创业月刊，2013，26（6）：170-171.

[3] 刘轶文.三维扫描系统测控软件的设计与实现[D].西北工业大学，2003.