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)安全運行的重要保證。工業(yè)現(xiàn)場使用的起重機(jī)通常由傳動機(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，也是整個鑄造起重機(jī)的結(jié)構(gòu)和框架，傳動部分主要包括大車小車的運行機(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，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?？刂圃榱朔乐谷藶榈钠茐模ǔＬ幱诒容^高的位置。當(dāng)起重機(jī)發(fā)生故障時，尤其是在起重機(jī)發(fā)生某些肉眼見不到的故障時，通常會被現(xiàn)場的操作員忽視，嚴(yán)重情況下會發(fā)生危險導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至造成人員受傷。為了能夠隨時了解起重機(jī)運行時的狀態(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)程對工業(yè)現(xiàn)場起重機(jī)運行參數(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)、云平臺技術(shù)使用網(wǎng)頁、移動終端等[1]對現(xiàn)場工業(yè)設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行實時的監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)場工業(yè)設(shè)備通訊不受時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)程運維系統(tǒng)的總體設(shè)計

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控制變頻器使傳動機(jī)構(gòu)的運行電機(jī)調(diào)速，對起重機(jī)傳動系統(tǒng)運行的可靠性有所提升。該遠(yuǎn)程運維項目利用無線通訊模塊，現(xiàn)場計算機(jī)對需要監(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)場起重機(jī)在運行過程中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)在運行過程中PLC接收到的實時數(shù)據(jù)。

圖1 遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計

二、PLC與無線通訊模塊的設(shè)計

（一）硬件選取

本次研究方向的起重機(jī)的遠(yuǎn)程運維的云平臺監(jiān)測系統(tǒng)采用的可編程控制器選用羅克韋爾自動化公司MicroLogix 小型可編程控制器MicroLogix1200。羅克韋爾自動化公司的MicroLogix1200控制器可以提供更強(qiáng)的計算能力和靈活的I/O擴(kuò)展能力，可以滿足大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)的需求。羅克韋爾自動化公司采用開放式現(xiàn)場總線技術(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，便于遠(yuǎn)程運維人員將開發(fā)軟件及關(guān)于工業(yè)現(xiàn)場開發(fā)好的系統(tǒng)下載到USB閃存盤便于隨時攜帶到工業(yè)現(xiàn)場開發(fā)。當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的云平臺畫面組態(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

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)議具有在同一時間，總線上只能有一個主設(shè)備，但可以有一個或多個（最多可以達(dá)到247個）從設(shè)備的特點。通常在進(jìn)行通信操作時主設(shè)備發(fā)起Modbus通信，當(dāng)從設(shè)備沒有收到來自主設(shè)備的請求時，從設(shè)備不會主動發(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)備同時只能啟動一個Modbus 訪問事務(wù)處理。主設(shè)備可以對指定的單個從設(shè)備或者線路上所有的從設(shè)備發(fā)送請求報文，而從設(shè)備只能被動接收主設(shè)備請求報文后給出響應(yīng)報文。[5]

在該起重機(jī)遠(yuǎn)程運維監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計上，選取無線通訊模塊作為客戶端向MicroLogix1200控制器請求數(shù)據(jù)。MicroLogix1200控制器作為服務(wù)器通過Modbus RTU通信協(xié)議對客戶端發(fā)出的請求作出響應(yīng)，以此來傳輸數(shù)據(jù)。Modbus RTU 通常采用RS-485作為物理層，利用串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)報文的收發(fā)，報文數(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)程運維系統(tǒng)的通信設(shè)計如圖2所示。

圖2 通信設(shè)計

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)等傳動機(jī)構(gòu)根據(jù)運行參數(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)程運維機(jī)構(gòu)子程序?qū)⑵鹬貦C(jī)運行時的各項運行狀態(tài)和運行參數(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。因為在該系統(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)動設(shè)置為Modbus RTU 被控，對起重機(jī)運行時需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行相關(guān)的配置。將起重機(jī)運行時反饋給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)程運維監(jiān)控子程序中，需要將起重機(jī)運行時的起重機(jī)傳動機(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，方便后期對遠(yuǎn)程運維功能的修改，所以在整套起重機(jī)的運行系統(tǒng)程序中加入起重機(jī)遠(yuǎn)程運維子程序。該子程序使用COP復(fù)制文件指令將起重機(jī)運行參數(shù)所存放的源文件復(fù)制到目標(biāo)文件。通過使用定時器TON的完成位產(chǎn)生脈沖信號實時更新起重機(jī)運行的各項數(shù)據(jù)。起重機(jī)遠(yuǎn)程運維子程序如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程運維子程序

3、巨控GRM230模塊配置

通過GRMDev5 開發(fā)軟件對起重機(jī)運行的參數(shù)建立相關(guān)變量，建立相關(guān)變量時根據(jù)變量的數(shù)據(jù)類型（開關(guān)量、浮點數(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)頁中對起重機(jī)運行時的數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)確，在起重機(jī)某些不易被現(xiàn)場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）也能實時得到精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)反饋。數(shù)據(jù)傳輸實時性良好能夠準(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)檢修過程時提供了理論依據(jù)，有利于排除故障。