自行小车输送线无线网络技术的应用

自行小车输送线作为汽车行业的主要设备，已经广泛用于汽车生产制造。但在其控制方式上存在一些弊端，空中小车与地面控制没有形成很好的人机交互，在积放工位的操作人员不能监控和手动操作空中小车。
安徽江淮汽车股份有限公司重型商用车公司的研究人员饶王飞、丁勇杰，在2020年第6期《电气技术》杂志上撰文，介绍使用无线局域网+工业以太网技术使空中小车与地面PC形成一个局域网络，并采用组态和仿真软件，实现自行小车输送线空中小车的无线监控和手动控制，提高系统的使用性能和自动化程度。
自行小车输送线主要由空中小车、承载梁、环链电动葫芦、铝合金轨道、集电器、滑触线、岔道、升降工位以及电控系统（控制柜、按钮站、PLC、HMI触摸屏）等组成。按照车间工艺要求，在地面设置多个操作站，自行小车进入操作站后，可实现吊具自动升降和吊爪的自动开合，也可利用操作站进行手动控制，小车在离开操作站后将不受人工控制。
图1所示为自行小车实物图和工艺流程图。江淮汽车重型车公司车身自行小车输送线主要包括5台空中小车、1个下件工位、2个上件工位、8个积放工位和1个维修站。
小车控制柜内集成了PLC、变频器、继电器、接触器等电气元器件，执行小车的升降和行走控制程序，地面控制柜内有一个主控PLC进行协调管理，空中小车与地面主控PLC之间的数据交换采用滑触线的方式，通过对滑触线进行分段，实现空中小车PLC和主控PLC之间利用自行小车集电器上的碳刷进行信号的数据交换。
图1  自行小车实物图和工艺流程图
1  西门子S7-200、工业以太网与无线网络技术简介
1.1  S7-200PLC
S7-200PLC是德国西门子旗下的一款小型PLC（如图2所示），其将中央处理器、电源、输入输出电路、通信接口集成在一起，形成了紧凑且实用的小型PLC。S7-200PLC按照CPU不同分为CPU221、CPU222、CPU224、CPU226，可以支持扩展模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块、Profibus-DP模块和以太网模块等。
S7-200PLC因其性价比高、稳定性高、扩展能力强的特点，被广泛应用于工业自动化领域，它可代替传统的继电控制电路来完成用户所需要的生产工艺，如汽车生产线、机床、电梯控制等。
图2  S7-200PLC
自行小车输送系统的空中小车采用了西门子的S7-200PLC进行控制，CPU型号为CPU226CN，空中控制柜体积小，即使周围环境比较恶劣，也适合S7-200PLC的使用。
自行小车地面控制柜由一台S7-300PLC进行控制，由于现场开关量信号较多，这对PLC的I/O扩展能力有一定要求，且地面控制柜对5台小车的运行进行协调管理，程序较为复杂，要求PLC的循环周期短，处理速度快，所以S7-300PLC适合在这种场合下使用。
1.2  工业以太网技术
随着自动化设备的不断发展，传统的现场总线技术已经不能满足现场的使用需求，传统总线技术（如Profibus、Moubus、CC-LINK）是基于RS485总线延伸出来的，其最大传输速率为12Mbit/s，现场总线用于现场连接智能设备、自动化控制系统的双向传输网络，它是自动化领域中底层数据通信网络。现场总线中的软件是其非常重要的部分，一般有组态软件、仿真软件、监控软件等。
首先需要通过组态软件完成各个设备之间的连接，并对设备的参数进行设置，仿真软件可以对设备系统进行模拟仿真，监控软件可以在网络运行过程中进行数据的采集、运算和处理。
工业以太网是一种按照工业控制的要求、基于普通以太网的一种用于工业自动化的网络系统，它将以太网和TCP/IP技术应用到了现场和控制层，它利用了以太网的交换结构，具有安全性、可操作性和实时性。
工业以太网相比较传统总线技术，其传输速率更高（可达百兆），传输距离更远，设备之间的通信可靠性更好。
西门子作为工业自动化领域的领头羊，其在工业以太网领域有着丰富的经验和领先的解决方案。西门子CP243-1以太网通信模块如图3所示，它是S7-200系列PLC设计的工业以太网通信处理器。通过CP243-1以太网模块，用户可以很方便地将S7- 200PLC通过工业以太网与其他设备进行连接，CP243-1以太网模块支持标准的TCP/IP协议，只要通过双绞线将其连入以太网中，其他以太网上的结点就可以通过TCP/IP协议访问这台连接了CP243-1的S7-200 PLC。
图3  西门子CP243-1以太网模块
1.3  无线网络技术
无线网络指的是任何形式的无线电计算机网络，不需电缆即可在节点之间进行相互连接。无线网络一般被用在使用电磁波的遥控信息传输系统。无线局域网（wireless local area network, WLAN）就是一种无线设备，利用无线电而非电缆在同一个网络上传送数据、甚至上网，应用无线通信技术将计算机设备互联起来，构成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。
无线局域网的特点是不再使用通信电缆将计算机与网络连接起来，而是通过无线的方式进行连接，从而使网络的构建和终端的移动更加灵活。它使用射频技术，使用电磁波取代旧式的双绞铜线构成局域网络，在空中进行通信连接，使得信息的传输实现无线化。
2  自行小车控制方式的分析
自行小车输送线的主控制系统在地面，控制柜内有S7-300PLC，开关电源、变压器、继电器、接触器等电气元器件，S7-300PLC作为控制器进行控制，它与空中小车控制柜内的PLC通过继电器、滑触线、继电器的控制方式进行通信，因滑触线的数量受限，轨道上只有8根滑触线，在操作站工位，将滑触线分成3段，分别为3根主电源、1根接地、5根信号，传输地面PLC最多只能发送4个输出信号给空中PLC，接收1个空中PLC发给地面的占位信号。
地面PLC通过组合的方式发出空中PLC所需要的动作输入信号。继电器可作为空中小车发送信号的中转站，将接收到的交流220V的电压信号转化为PLC所需要的DC24V电压信号送入到S7- 300PLC的输入模块中，PLC通过执行用户程序，输出DC24电压信号给继电器，继电器作为中转站，将PLC的直流信号转成空中滑触线所需的交流信号，送入空中小车控制柜内。
由于地面的PLC不能与空中小车进行网络通信，所以地面PLC不具备监控小车运行状态的功能，且在积放区域也不能对小车进行手动控制，小车在出现故障报警后，地面PLC不能对空中小车的报警进行复位，只能通过重启的方式进行报警自动复位，而且维修和操作人员不能监控到小车的实时状态，也不能操作小车进入维修站，只能通过登高作业爬到小车本体上逐一排查电气元器件，或打开行走电机抱闸手动将小车推入维修站进行检修。
3  新增无线控制方案
3.1  控制方案的确立
根据上述分析，结合现场设备的结构，本文采用了基于无线网和工业以太网的控制方案，即采用“PC+USB无线接收器+MCGS软件+无线路由器+ CP243-1以太网模块”的结构组成WLAN网络的方案。
在整个网络中，“PC +无线网卡”作为上位机，“S7-200PLC+CP243-1以太网模块”作为下位机，电脑内安装有昆仑通态的MCGS软件，在软件内进行相应组态后，对5台空中小车进行组网控制，完成PC与空中小车的通信，实现通过PC对空中小车进行数据监控和手动控制空中小车的功能.
地面的PC作为上位机与5台空中小车通过工业以太网（TCP/IP）+无线局域网（WLAN）的方式进行数据交换，5台空中小车作为PC的下位机，接收PC发送的控制数据，并同时返回自身PLC数据存储器内的状态值（如图4所示）。
图4  无线局域网概念图
3.2  硬件组态与程序设计
1）将CP243-1配装的一个带有连接器套接口的集成扁平电缆与S7-200连接，连接24V DC电源，连接RJ45接口的双绞线，完成CP243-1硬件接线，使用西门子S7-200PLC编程软件STEP 7 MicroWIN 对空中小车的网络进行组态（如图5所示），通过以太网向导对CP243-1以太网模块进行配置，将编写完成的程序使用S7-200的编程电缆下载至PLC。
图5  CP243-1以太网模块配置
2）通过网线将无线路由器与CP243-1以太网模块进行连接，并用电脑连接无线路由器对路由器的LAN端口进行参数设置，设置无线路由器的名称、无线密码，设置LAN口的IP地址和子网掩码，IP地址要和PLC组态的CP231-1以太网模块在一个网段内，子网掩码要与CP243-1以太网模块的子网掩码相同（如图6所示）。
图6  无线路由器的设置
3）打开昆仑通态组态软件，新建项目，进行网络组态和画面的设计，主要流程为：添加设备→增加设备通道→增加实时数据对象→设备通道与实时数据对象进行连接→新建用户窗口→建立基本元件→将元件与数据对象进行连接（如图7所示）。
图7  上位机软件组态与画面设计
4）打开S7-200PLC编程软件STEP 7 MicroWIN，打开自行小车程序，在程序中新建与MCGS软件中实时数据库对应的变量，然后打开程序块，在小车“上升、下降、前进、后退、吊爪打开、吊爪闭合”的程序段中加入手动控制的条件，并将程序下载到PLC中（如图8所示）。
图8  PLC程序编程与下载
3.3  自行小车无线控制的调试与验证
1）启动PC系统，安装USB无线接收器驱动程序，安装完成后在桌面右下角找到WLAN图标，选择连接已设置好的无线路由器。
2）打开MCGS组态软件，打开编辑好的“自行小车随车监控”项目，选择工具—下载配置—模拟运行—工程下载，此时MCGS软件将项目下载到软件自带的MCGS模拟运行系统，点击启动运行，此时模拟画面启动。
3）查看编辑的指示灯的状态与实际PLC中的数据寄存器内的状态一致，说明网络已经连接成功。操作画面上的软按钮，已经能够实现控制PLC中的变量，继而实现控制空中小车的动作，说明自行小车无线控制功能能够正常使用（如图9所示）。
图9  自行小车无线控制调试
4  结论
通过利用USB无线接收器+无线路由器+CP243-1以太网模块组成的WLAN的解决方案，建立了PC与S7-200PLC的TCP/IP通信，而且通过昆仑通态的MCGS软件编写的程序可以直接读写S7-200的数据寄存器，提高了整个系统的柔性。
采用无线网络的方式，打破了滑触线的局限性，方便了人与机的信号交互，操作人员可以通过PC直接监控到空中小车的实时状态和报警信息，而且可以通过PC安装的软件仿真系统来操控空中小车的各项动作。
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