自行小車輸送線主要由空中小車、承載梁、環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆、鋁合金軌道、集電器、滑觸線、岔道、升降工位以及電控系統(tǒng)（控制柜、按鈕站、PLC、HMI觸摸屏）等組成。按照車間工藝要求，在地面設(shè)置多個(gè)操作站，自行小車進(jìn)入操作站后，可實(shí)現(xiàn)吊具自動(dòng)升降和吊爪的自動(dòng)開合，也可利用操作站進(jìn)行手動(dòng)控制，小車在離開操作站后將不受人工控制。

圖1所示為自行小車實(shí)物圖和工藝流程圖。江淮汽車重型車公司車身自行小車輸送線主要包括5臺(tái)空中小車、1個(gè)下件工位、2個(gè)上件工位、8個(gè)積放工位和1個(gè)維修站。

小車控制柜內(nèi)集成了PLC、變頻器、繼電器、接觸器等電氣元器件，執(zhí)行小車的升降和行走控制程序，地面控制柜內(nèi)有一個(gè)主控PLC進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，空中小車與地面主控PLC之間的數(shù)據(jù)交換采用滑觸線的方式，通過對(duì)滑觸線進(jìn)行分段，實(shí)現(xiàn)空中小車PLC和主控PLC之間利用自行小車集電器上的碳刷進(jìn)行信號(hào)的數(shù)據(jù)交換。

圖1 自行小車實(shí)物圖和工藝流程圖

1 西門子S7-200、工業(yè)以太網(wǎng)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 S7-200PLC

S7-200PLC是德國(guó)西門子旗下的一款小型PLC（如圖2所示），其將中央處理器、電源、輸入輸出電路、通信接口集成在一起，形成了緊湊且實(shí)用的小型PLC。S7-200PLC按照CPU不同分為CPU221、CPU222、CPU224、CPU226，可以支持?jǐn)U展模擬量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、Profibus-DP模塊和以太網(wǎng)模塊等。

S7-200PLC因其性價(jià)比高、穩(wěn)定性高、擴(kuò)展能力強(qiáng)的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電控制電路來(lái)完成用戶所需要的生產(chǎn)工藝，如汽車生產(chǎn)線、機(jī)床、電梯控制等。

圖2 S7-200PLC

自行小車輸送系統(tǒng)的空中小車采用了西門子的S7-200PLC進(jìn)行控制，CPU型號(hào)為CPU226CN，空中控制柜體積小，即使周圍環(huán)境比較惡劣，也適合S7-200PLC的使用。

自行小車地面控制柜由一臺(tái)S7-300PLC進(jìn)行控制，由于現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)量信號(hào)較多，這對(duì)PLC的I/O擴(kuò)展能力有一定要求，且地面控制柜對(duì)5臺(tái)小車的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，程序較為復(fù)雜，要求PLC的循環(huán)周期短，處理速度快，所以S7-300PLC適合在這種場(chǎng)合下使用。

1.2 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

隨著自動(dòng)化設(shè)備的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用需求，傳統(tǒng)總線技術(shù)（如Profibus、Moubus、CC-LINK）是基于RS485總線延伸出來(lái)的，其最大傳輸速率為12Mbit/s，現(xiàn)場(chǎng)總線用于現(xiàn)場(chǎng)連接智能設(shè)備、自動(dòng)化控制系統(tǒng)的雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)，它是自動(dòng)化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線中的軟件是其非常重要的部分，一般有組態(tài)軟件、仿真軟件、監(jiān)控軟件等。

首先需要通過組態(tài)軟件完成各個(gè)設(shè)備之間的連接，并對(duì)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，仿真軟件可以對(duì)設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，監(jiān)控軟件可以在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算和處理。

工業(yè)以太網(wǎng)是一種按照工業(yè)控制的要求、基于普通以太網(wǎng)的一種用于工業(yè)自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它將以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)應(yīng)用到了現(xiàn)場(chǎng)和控制層，它利用了以太網(wǎng)的交換結(jié)構(gòu)，具有安全性、可操作性和實(shí)時(shí)性。

工業(yè)以太網(wǎng)相比較傳統(tǒng)總線技術(shù)，其傳輸速率更高（可達(dá)百兆），傳輸距離更遠(yuǎn)，設(shè)備之間的通信可靠性更好。

西門子作為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，其在工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域有著豐富的經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)先的解決方案。西門子CP243-1以太網(wǎng)通信模塊如圖3所示，它是S7-200系列PLC設(shè)計(jì)的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器。通過CP243-1以太網(wǎng)模塊，用戶可以很方便地將S7- 200PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)與其他設(shè)備進(jìn)行連接，CP243-1以太網(wǎng)模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，只要通過雙絞線將其連入以太網(wǎng)中，其他以太網(wǎng)上的結(jié)點(diǎn)就可以通過TCP/IP協(xié)議訪問這臺(tái)連接了CP243-1的S7-200 PLC。

圖3 西門子CP243-1以太網(wǎng)模塊

1.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)指的是任何形式的無(wú)線電計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，不需電纜即可在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行相互連接。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)一般被用在使用電磁波的遙控信息傳輸系統(tǒng)。無(wú)線局域網(wǎng)（wireless local area network, WLAN）就是一種無(wú)線設(shè)備，利用無(wú)線電而非電纜在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)、甚至上網(wǎng)，應(yīng)用無(wú)線通信技術(shù)將計(jì)算機(jī)設(shè)備互聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成可以互相通信和實(shí)現(xiàn)資源共享的網(wǎng)絡(luò)體系。

無(wú)線局域網(wǎng)的特點(diǎn)是不再使用通信電纜將計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，而是通過無(wú)線的方式進(jìn)行連接，從而使網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和終端的移動(dòng)更加靈活。它使用射頻技術(shù)，使用電磁波取代舊式的雙絞銅線構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)，在空中進(jìn)行通信連接，使得信息的傳輸實(shí)現(xiàn)無(wú)線化。

2 自行小車控制方式的分析

自行小車輸送線的主控制系統(tǒng)在地面，控制柜內(nèi)有S7-300PLC，開關(guān)電源、變壓器、繼電器、接觸器等電氣元器件，S7-300PLC作為控制器進(jìn)行控制，它與空中小車控制柜內(nèi)的PLC通過繼電器、滑觸線、繼電器的控制方式進(jìn)行通信，因滑觸線的數(shù)量受限，軌道上只有8根滑觸線，在操作站工位，將滑觸線分成3段，分別為3根主電源、1根接地、5根信號(hào)，傳輸?shù)孛鍼LC最多只能發(fā)送4個(gè)輸出信號(hào)給空中PLC，接收1個(gè)空中PLC發(fā)給地面的占位信號(hào)。

地面PLC通過組合的方式發(fā)出空中PLC所需要的動(dòng)作輸入信號(hào)。繼電器可作為空中小車發(fā)送信號(hào)的中轉(zhuǎn)站，將接收到的交流220V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為PLC所需要的DC24V電壓信號(hào)送入到S7- 300PLC的輸入模塊中，PLC通過執(zhí)行用戶程序，輸出DC24電壓信號(hào)給繼電器，繼電器作為中轉(zhuǎn)站，將PLC的直流信號(hào)轉(zhuǎn)成空中滑觸線所需的交流信號(hào)，送入空中小車控制柜內(nèi)。

由于地面的PLC不能與空中小車進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，所以地面PLC不具備監(jiān)控小車運(yùn)行狀態(tài)的功能，且在積放區(qū)域也不能對(duì)小車進(jìn)行手動(dòng)控制，小車在出現(xiàn)故障報(bào)警后，地面PLC不能對(duì)空中小車的報(bào)警進(jìn)行復(fù)位，只能通過重啟的方式進(jìn)行報(bào)警自動(dòng)復(fù)位，而且維修和操作人員不能監(jiān)控到小車的實(shí)時(shí)狀態(tài)，也不能操作小車進(jìn)入維修站，只能通過登高作業(yè)爬到小車本體上逐一排查電氣元器件，或打開行走電機(jī)抱閘手動(dòng)將小車推入維修站進(jìn)行檢修。

3 新增無(wú)線控制方案

3.1 控制方案的確立

根據(jù)上述分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，本文采用了基于無(wú)線網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的控制方案，即采用“PC+USB無(wú)線接收器+MCGS軟件+無(wú)線路由器+ CP243-1以太網(wǎng)模塊”的結(jié)構(gòu)組成WLAN網(wǎng)絡(luò)的方案。

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，“PC +無(wú)線網(wǎng)卡”作為上位機(jī)，“S7-200PLC+CP243-1以太網(wǎng)模塊”作為下位機(jī)，電腦內(nèi)安裝有昆侖通態(tài)的MCGS軟件，在軟件內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)組態(tài)后，對(duì)5臺(tái)空中小車進(jìn)行組網(wǎng)控制，完成PC與空中小車的通信，實(shí)現(xiàn)通過PC對(duì)空中小車進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和手動(dòng)控制空中小車的功能.

地面的PC作為上位機(jī)與5臺(tái)空中小車通過工業(yè)以太網(wǎng)（TCP/IP）+無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，5臺(tái)空中小車作為PC的下位機(jī)，接收PC發(fā)送的控制數(shù)據(jù)，并同時(shí)返回自身PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)的狀態(tài)值（如圖4所示）。

圖4 無(wú)線局域網(wǎng)概念圖

3.2 硬件組態(tài)與程序設(shè)計(jì)

1）將CP243-1配裝的一個(gè)帶有連接器套接口的集成扁平電纜與S7-200連接，連接24V DC電源，連接RJ45接口的雙絞線，完成CP243-1硬件接線，使用西門子S7-200PLC編程軟件STEP 7 MicroWIN 對(duì)空中小車的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組態(tài)（如圖5所示），通過以太網(wǎng)向?qū)?duì)CP243-1以太網(wǎng)模塊進(jìn)行配置，將編寫完成的程序使用S7-200的編程電纜下載至PLC。

圖5 CP243-1以太網(wǎng)模塊配置

2）通過網(wǎng)線將無(wú)線路由器與CP243-1以太網(wǎng)模塊進(jìn)行連接，并用電腦連接無(wú)線路由器對(duì)路由器的LAN端口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置無(wú)線路由器的名稱、無(wú)線密碼，設(shè)置LAN口的IP地址和子網(wǎng)掩碼，IP地址要和PLC組態(tài)的CP231-1以太網(wǎng)模塊在一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)，子網(wǎng)掩碼要與CP243-1以太網(wǎng)模塊的子網(wǎng)掩碼相同（如圖6所示）。

圖6 無(wú)線路由器的設(shè)置

3）打開昆侖通態(tài)組態(tài)軟件，新建項(xiàng)目，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和畫面的設(shè)計(jì)，主要流程為：添加設(shè)備→增加設(shè)備通道→增加實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)象→設(shè)備通道與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行連接→新建用戶窗口→建立基本元件→將元件與數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行連接（如圖7所示）。

圖7 上位機(jī)軟件組態(tài)與畫面設(shè)計(jì)

4）打開S7-200PLC編程軟件STEP 7 MicroWIN，打開自行小車程序，在程序中新建與MCGS軟件中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)的變量，然后打開程序塊，在小車“上升、下降、前進(jìn)、后退、吊爪打開、吊爪閉合”的程序段中加入手動(dòng)控制的條件，并將程序下載到PLC中（如圖8所示）。

圖8 PLC程序編程與下載

3.3 自行小車無(wú)線控制的調(diào)試與驗(yàn)證

1）啟動(dòng)PC系統(tǒng)，安裝USB無(wú)線接收器驅(qū)動(dòng)程序，安裝完成后在桌面右下角找到WLAN圖標(biāo)，選擇連接已設(shè)置好的無(wú)線路由器。

2）打開MCGS組態(tài)軟件，打開編輯好的“自行小車隨車監(jiān)控”項(xiàng)目，選擇工具—下載配置—模擬運(yùn)行—工程下載，此時(shí)MCGS軟件將項(xiàng)目下載到軟件自帶的MCGS模擬運(yùn)行系統(tǒng)，點(diǎn)擊啟動(dòng)運(yùn)行，此時(shí)模擬畫面啟動(dòng)。

3）查看編輯的指示燈的狀態(tài)與實(shí)際PLC中的數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)的狀態(tài)一致，說明網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)連接成功。操作畫面上的軟按鈕，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)控制PLC中的變量，繼而實(shí)現(xiàn)控制空中小車的動(dòng)作，說明自行小車無(wú)線控制功能能夠正常使用（如圖9所示）。

圖9 自行小車無(wú)線控制調(diào)試

4 結(jié)論

通過利用USB無(wú)線接收器+無(wú)線路由器+CP243-1以太網(wǎng)模塊組成的WLAN的解決方案，建立了PC與S7-200PLC的TCP/IP通信，而且通過昆侖通態(tài)的MCGS軟件編寫的程序可以直接讀寫S7-200的數(shù)據(jù)寄存器，提高了整個(gè)系統(tǒng)的柔性。

采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方式，打破了滑觸線的局限性，方便了人與機(jī)的信號(hào)交互，操作人員可以通過PC直接監(jiān)控到空中小車的實(shí)時(shí)狀態(tài)和報(bào)警信息，而且可以通過PC安裝的軟件仿真系統(tǒng)來(lái)操控空中小車的各項(xiàng)動(dòng)作。