許益峰，虎恩典，李柯強(qiáng)

（北方民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

伴隨現(xiàn)代化制造業(yè)的大力發(fā)展，制造業(yè)型企業(yè)在大型設(shè)備組裝與企業(yè)生產(chǎn)材料的搬運(yùn)方面，起重機(jī)具有不可或缺的地位?，F(xiàn)階段起重機(jī)的控制系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榭删幊炭刂破鳎≒LC）控制。電控系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來越高[1]，起重機(jī)在維護(hù)方向的精準(zhǔn)性、故障查詢的快速性是起重機(jī)安全運(yùn)行的重要保證。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的起重機(jī)通常由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)和金屬結(jié)構(gòu)三部分組成，金屬結(jié)構(gòu)主要包括主副梁、端梁組成，也是整個(gè)鑄造起重機(jī)的結(jié)構(gòu)和框架，傳動(dòng)部分主要包括大車小車的運(yùn)行機(jī)構(gòu)以及主起升機(jī)構(gòu)。[2]企業(yè)的生產(chǎn)車間為了生產(chǎn)過程具有靈活性的特點(diǎn)，起重機(jī)的操作員工通常使用無線遙控器控制起重機(jī)的運(yùn)行。起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)過于龐大，并且電氣控制系統(tǒng)所用的控制元件大部分安裝在金屬結(jié)構(gòu)上。控制元件為了防止人為的破壞，通常處于比較高的位置。當(dāng)起重機(jī)發(fā)生故障時(shí)，尤其是在起重機(jī)發(fā)生某些肉眼見不到的故障時(shí)，通常會(huì)被現(xiàn)場(chǎng)的操作員忽視，嚴(yán)重情況下會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至造成人員受傷。為了能夠隨時(shí)了解起重機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，及早地發(fā)現(xiàn)起重機(jī)可能出現(xiàn)的故障。研發(fā)一套可以遠(yuǎn)程對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控的系統(tǒng)具有十分重要的意義。

如今物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)生產(chǎn)之間的關(guān)系越來越密切，通過利用物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)技術(shù)使用網(wǎng)頁、移動(dòng)終端等[1]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)設(shè)備通訊不受時(shí)間和地域限制的技術(shù)受到了企業(yè)及設(shè)備研發(fā)者的青睞。

一、起重機(jī)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，該起重機(jī)的主鉤、副鉤及起重機(jī)的大小車和變幅機(jī)構(gòu)等通過PLC控制及PLC控制變頻器使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行電機(jī)調(diào)速，對(duì)起重機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性有所提升。該遠(yuǎn)程運(yùn)維項(xiàng)目利用無線通訊模塊，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)對(duì)需要監(jiān)控起重機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)開發(fā)相關(guān)頁面組態(tài)，通過網(wǎng)線下載到無線通訊模塊中，無線通訊模塊文本下載好后，無線通訊模塊通過Modbus RTU通信協(xié)議讀取現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)在運(yùn)行過程中PLC控制器所控制的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過無線通訊模塊處理后通過無線通訊模塊自帶的天線通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)射到第三方云服務(wù)器，起重機(jī)設(shè)備維護(hù)人員可隨時(shí)隨地的通過可訪問第三方云服務(wù)器所支持的網(wǎng)頁或手機(jī)應(yīng)用讀取起重機(jī)在運(yùn)行過程中PLC接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖1 遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

二、PLC與無線通訊模塊的設(shè)計(jì)

（一）硬件選取

本次研究方向的起重機(jī)的遠(yuǎn)程運(yùn)維的云平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的可編程控制器選用羅克韋爾自動(dòng)化公司MicroLogix 小型可編程控制器MicroLogix1200。羅克韋爾自動(dòng)化公司的MicroLogix1200控制器可以提供更強(qiáng)的計(jì)算能力和靈活的I/O擴(kuò)展能力，可以滿足大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需求。羅克韋爾自動(dòng)化公司采用開放式現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，即工業(yè)以太網(wǎng)（EtherNet IP），控制網(wǎng)（ControlNet）和設(shè)備網(wǎng)（DeviceNet）。在這個(gè)完備的通訊體系中，數(shù)據(jù)可以雙向流通，層與層之間可以交換數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從底層到高層的全部開放。[3]

該無線通訊模塊采用巨控GRM230 無線通訊模塊，巨控GRM230 無線通訊模塊是一款專用于PLC、儀表和IO 數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程監(jiān)控的通訊模塊。巨控GRM230 無線通訊模塊的開發(fā)系統(tǒng)使用GRMDev5 軟件。此款軟件具有操作界面簡(jiǎn)潔明了，包含各種常用的工業(yè)通信協(xié)議，并且該開發(fā)軟件內(nèi)存小的特點(diǎn)，便于遠(yuǎn)程運(yùn)維人員將開發(fā)軟件及關(guān)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)好的系統(tǒng)下載到USB閃存盤便于隨時(shí)攜帶到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)。當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的云平臺(tái)畫面組態(tài)開發(fā)完畢，通過網(wǎng)線將GRM230 無線通訊模塊與開發(fā)人員的PC端連接，將二者置于同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)，將所開發(fā)的控制系統(tǒng)組態(tài)畫面下載到該智能網(wǎng)關(guān)模塊中。

（二）軟件設(shè)計(jì)

1、通信協(xié)議

控制該起重機(jī)的可編程控制器（PLC）與無線通訊模塊之間采用Modbus通信協(xié)議。Modbus通信協(xié)議在工業(yè)控制中應(yīng)用十分廣泛，已經(jīng)成為一種通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]。Modbus 是一種單主/多從的通信協(xié)議，Modbus通信協(xié)議具有在同一時(shí)間，總線上只能有一個(gè)主設(shè)備，但可以有一個(gè)或多個(gè)（最多可以達(dá)到247個(gè)）從設(shè)備的特點(diǎn)。通常在進(jìn)行通信操作時(shí)主設(shè)備發(fā)起Modbus通信，當(dāng)從設(shè)備沒有收到來自主設(shè)備的請(qǐng)求時(shí)，從設(shè)備不會(huì)主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。從設(shè)備與從設(shè)備之間不可以相互通信，主設(shè)備同時(shí)只能啟動(dòng)一個(gè)Modbus 訪問事務(wù)處理。主設(shè)備可以對(duì)指定的單個(gè)從設(shè)備或者線路上所有的從設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文，而從設(shè)備只能被動(dòng)接收主設(shè)備請(qǐng)求報(bào)文后給出響應(yīng)報(bào)文。[5]

在該起重機(jī)遠(yuǎn)程運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，選取無線通訊模塊作為客戶端向MicroLogix1200控制器請(qǐng)求數(shù)據(jù)。MicroLogix1200控制器作為服務(wù)器通過Modbus RTU通信協(xié)議對(duì)客戶端發(fā)出的請(qǐng)求作出響應(yīng)，以此來傳輸數(shù)據(jù)。Modbus RTU 通常采用RS-485作為物理層，利用串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文的收發(fā)，報(bào)文數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行通信。當(dāng)選取的可編程控制器支持Modbus TCP 通信協(xié)議時(shí)也可以選取Modbus TCP 通信協(xié)議與該智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊連接。該起重機(jī)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 通信設(shè)計(jì)

2、MicroLogix1200控制器程序

MicroLogix1200 控制器采用RSLogix500 開發(fā)軟件，RSLogix500開發(fā)軟件是適用于SLC500系列控制器和MicroLogix控制器的梯形圖邏輯編程軟件。[3]本次起重機(jī)的遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)將把起重機(jī)的電氣主控機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)類型創(chuàng)建不同類型的數(shù)據(jù)文件。起重機(jī)的遠(yuǎn)程運(yùn)維機(jī)構(gòu)子程序?qū)⑵鹬貦C(jī)運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)通過Modbus 通信協(xié)議傳送到無線通訊模塊。RSLogix500 開發(fā)軟件在應(yīng)用Modbus 通信協(xié)議前需要配置相關(guān)的通訊通道。因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中MicroLogix1200控制器作為服務(wù)器的角色，所以通道組態(tài)欄中將通道0 驅(qū)動(dòng)設(shè)置為Modbus RTU 被控，對(duì)起重機(jī)運(yùn)行時(shí)需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行相關(guān)的配置。將起重機(jī)運(yùn)行時(shí)反饋給PLC的參數(shù)（如布爾量等）建立合適的Modbus數(shù)據(jù)表文件數(shù)。通信組態(tài)如圖3所示。

圖3 通信組態(tài)

在遠(yuǎn)程運(yùn)維監(jiān)控子程序中，需要將起重機(jī)運(yùn)行時(shí)的起重機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電氣主控機(jī)構(gòu)中所應(yīng)用的編碼器及傳感裝置中產(chǎn)生的參數(shù)反饋回可編程控制器。PLC接收到起重機(jī)運(yùn)行參數(shù)后經(jīng)過整理傳送到通道組態(tài)創(chuàng)建的Modbus數(shù)據(jù)表文件中，為了使程序條理，方便后期對(duì)遠(yuǎn)程運(yùn)維功能的修改，所以在整套起重機(jī)的運(yùn)行系統(tǒng)程序中加入起重機(jī)遠(yuǎn)程運(yùn)維子程序。該子程序使用COP復(fù)制文件指令將起重機(jī)運(yùn)行參數(shù)所存放的源文件復(fù)制到目標(biāo)文件。通過使用定時(shí)器TON的完成位產(chǎn)生脈沖信號(hào)實(shí)時(shí)更新起重機(jī)運(yùn)行的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。起重機(jī)遠(yuǎn)程運(yùn)維子程序如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程運(yùn)維子程序

3、巨控GRM230模塊配置

通過GRMDev5 開發(fā)軟件對(duì)起重機(jī)運(yùn)行的參數(shù)建立相關(guān)變量，建立相關(guān)變量時(shí)根據(jù)變量的數(shù)據(jù)類型（開關(guān)量、浮點(diǎn)數(shù)、整數(shù)）進(jìn)行選擇。將變量與MicroLogix1200控制器中變量地址一一對(duì)應(yīng)，編譯成功后，將開發(fā)完畢的文件下載到巨控GRM230 模塊中，重新啟動(dòng)該模塊讀取數(shù)據(jù)。登錄第三方云服務(wù)器支持的網(wǎng)頁或手機(jī)應(yīng)用，讀取數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 部分?jǐn)?shù)據(jù)

結(jié)束語

該起重機(jī)的遠(yuǎn)程運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)通過GRM230模塊與第三方云服務(wù)器之間通信良好，在手機(jī)應(yīng)用或第三方云服務(wù)器支持的網(wǎng)頁中對(duì)起重機(jī)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)確，在起重機(jī)某些不易被現(xiàn)場(chǎng)操作員工所注意的參數(shù)中（比如起重機(jī)主鉤控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩）也能實(shí)時(shí)得到精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)反饋。數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性良好能夠準(zhǔn)確反饋起重機(jī)當(dāng)前狀態(tài)。該起重機(jī)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的應(yīng)用為起重機(jī)的維護(hù)人員在起重機(jī)檢修過程時(shí)提供了理論依據(jù)，有利于排除故障。