基于NRF24L01無線通信的絞線機電氣排線系統(tǒng)設(shè)計*

亓?xí)员?，諸進才

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510430）

0 引言

當前社會科技飛速發(fā)展，電線電纜不可或缺、用量巨大，絞線機作為線纜生產(chǎn)中的重要設(shè)備市場需求巨大。絞線機，顧名思義就是將多條單股細線絞合在一起構(gòu)成需要的多股粗線的機械設(shè)備，廣泛應(yīng)用于當今社會各行各業(yè)的各種電線線纜的絞制。絞線的基本原理就是把多條單線引入到絞線弓上，通過絞線弓的飛速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)快速的絞制；但這一過程必須要有收線盤來配合，一方面將絞好的線纜排列收起，另一方面配合絞線弓完成絞線的動作過程[1-2]。而在收線工作中須要有排線機構(gòu)通過左右運動將導(dǎo)線均勻的排列在收線盤上，并且隨著收線長度的增加，收線盤的直徑不斷增大，對應(yīng)的排線機構(gòu)的速度就要不斷變化。

傳統(tǒng)絞線機為機械排線即排線機構(gòu)的運動（包括速度和方向）是通過機械傳動實現(xiàn)的，但其具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)成本高、安裝調(diào)試繁瑣、絞線絞距變化時需要更換機械部件等缺點，已失去市場競爭優(yōu)勢[3-4]。本設(shè)計改進為電氣排線即通過步進電機帶動排線機構(gòu)工作。因為絞線時絞線弓會快速旋轉(zhuǎn)，而收線盤和排線機構(gòu)位于絞線弓內(nèi)部，所以采用電氣排線時內(nèi)外部數(shù)據(jù)傳輸需用無線通信（步進電機電源通過空間有限的中空軸引入）。絞線機電氣排線系統(tǒng)主要由主控PLC 系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)、排線步進電機控制系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 無線電氣排線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 S7-1200 PLC的Modbus通信

絞線機主控制器采用S7-1200 PLC，負責(zé)絞線機整體工藝的控制。因為排線步進電機的速度由絞線弓電機編碼器的脈沖頻率和S7-1200 下達的速度系數(shù)等決定。所以為了實現(xiàn)電氣排線功能，S7-1200 需要將相關(guān)參數(shù)傳送至無線數(shù)據(jù)發(fā)送端，主要通過RS485硬件模塊組態(tài)、通信參數(shù)指令Modbus_Comm_Load設(shè)置、Modbus主站指令Modbus_Master和從站指令Modbus_Slave的調(diào)用等來實現(xiàn)。

1.1 RS485通信模塊組態(tài)

新建項目工程，選擇對應(yīng)S7-1200 的CPU 為1215C DC/DC/DC，訂貨號為6ES7 215-1AG40-0XB0，系統(tǒng)版本V4.2。S7-1200 PLC 采用Modbus RTU 模式并且CPU 模塊未集成對應(yīng)通信電路，所以，要實現(xiàn)通信功能必須在系統(tǒng)中添加RS485 通信模塊。打開系統(tǒng)的“設(shè)備視圖”界面，從右邊“硬件目錄”中找到“通信模塊”/“點到點”/“CM1241（RS485）（訂貨號為6ES7 241-1CH30-0XB0）”，雙擊或拖拽此模塊至CPU 左側(cè)101 插槽即可[5]，如圖2所示。

圖2 1200 PLCRS485通信模塊硬件組態(tài)

選中CM1241 （RS485） 模塊，在“屬性”/“常規(guī)”/“RS-485 接口”/“IO-Link”中配置模塊的硬件接口參數(shù)即Modbus RTU 通信參數(shù)，如圖3 所示。設(shè)置傳輸率為19.2 Kb/s、無奇偶校驗、8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位、超時等待時間1 ms，其他保持默認。

圖3 1200 PLCModbus RTU通信參數(shù)設(shè)置

1.2 Modbus RTU通信指令應(yīng)用

1.2.1 通信參數(shù)配置指令

通信參數(shù)的配置只需在系統(tǒng)啟動時執(zhí)行一次即可，所以，參數(shù)配置前先要在系統(tǒng)中添加啟動OB。在左側(cè)項目 樹 下 選 擇“PLC1 [CPU1215C DC/DC/DC]”/“程 序塊”/雙擊“添加新塊”，在彈出的窗口中選擇“OB 組織塊”/雙擊“Startup”，添加并啟動OB 100。打開OB 100啟動塊，打開右邊指令列表中的“通信”窗格文件夾，將“通信處理器”/“MODBUS”文件夾下的Modbus_Comm_Load 指令拖拽到程序編輯窗口，生成MB_COMM_LOAD_DB 默認背景數(shù)據(jù)塊，并設(shè)置指令參數(shù)如圖4所示。

圖4 Modbus_Comm_Load指令設(shè)置

其中，REQ 輸入端為上升沿時執(zhí)行該指令；PORT端輸入通信模塊的硬件標識符，可通過雙擊＜???＞在提示框中進行選擇；BAUD 端用于波特率設(shè)置，可選300～115200bit/s，須軟硬件配置、收發(fā)端統(tǒng)一；PARITY 為奇偶校驗位設(shè)置端，0、1、2 分別為不校驗、奇校驗、偶校驗；MB_DB 端連接主站指令Modbus_Master 或從站指令Modbus_Slave 的背景數(shù)據(jù)塊，該數(shù)據(jù)塊在調(diào)用相應(yīng)指令時自動生成，且連接后軟件設(shè)置才生效。

1.2.2 Modbus RTU主站指令

Modbus_Master 指令用于Modbus RTU 主站與指定地址的從站進行通信（含發(fā)送和接收功能，具體由MODE端和DATA_ADDR 端聯(lián)合決定），如圖5 所示。該指令無中斷功能，用戶程序須采用查詢方式掌握發(fā)送和接收的完成情況[6]。REQ 上升沿執(zhí)行指令向Modbus RTU 從站發(fā)送數(shù)據(jù)；MB_ADDR 為從站地址，可設(shè)置0～247，其中地址0 用于消息廣播，允許所有從站接收數(shù)據(jù)；MODE 端和DATA_ADDR 端共同確定Modbus_Master 指令對應(yīng)的Modbus 功能代碼，圖中MODE=2、DATA_ADDR=40001對應(yīng)Modbus 功能代碼為16H，即向從站40001 地址開始寫一個或多個字數(shù)據(jù)；DATA_LEN 用于設(shè)置通信長度，圖中對應(yīng)為10 個字長；DATA_PTR 為數(shù)據(jù)指針，即收發(fā)數(shù)據(jù)所在的首存儲單元的地址，對應(yīng)存儲區(qū)在PLC的DB數(shù)據(jù)塊中，先定義后使用，一般定義為數(shù)組形式，圖中“BF_OUT”為用于發(fā)送的DB 數(shù)據(jù)塊、“BF_OUT1”為WORD類型的數(shù)組名。

圖5 Modbus_Master指令應(yīng)用

Modbus_Slave 指令與Modbus_Master 類似，在此不做贅述。S7-1200 相關(guān)細節(jié)可參考用戶手冊等說明。絞線機排線系統(tǒng)中，1200 PLC 作為MODBUS 通信主站，只需通過上述操作便可將存儲于“BF_OUT”數(shù)據(jù)塊中的功能數(shù)據(jù)傳送到無線系統(tǒng)的發(fā)送端。

2 無線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 無線發(fā)送端硬件電路

無線數(shù)據(jù)發(fā)送端主控MCU 為STM32F103RCT，主要負責(zé)通過RS-485 接口與1200 進行Modbus 通信，并將接收到的數(shù)據(jù)通過NRF24L01 模塊進行無線發(fā)送。NRF24L01 模塊的核心為工作在2.4～2.5 GHz（世界通用ISM 頻段）的單片無線收發(fā)一體芯片nRF24L01，芯片采用SPI 接口（接口速率最高可達8 Mb/s）與MCU 通信，其工作電壓1.9～3.6 V，無線傳輸速率可設(shè)置1或2 Mb/s。

根據(jù)所需功能設(shè)計發(fā)送端硬件電路，主要包括電源電路、MCU 最小系統(tǒng)、RS-485 接口、NRF24L01 模塊接口等電路。其中，MCU 最小系統(tǒng)及NRF24L01 無線模塊接口如圖6所示。

圖6 MCU最小系統(tǒng)及NRF24L01無線模塊接口電路

具有收發(fā)自動換向功能的RS-485 接口電路如圖7 所示，其中RXD1、TXD1 分別連接MCU 的USART1 的RX、TX 端，R100 電阻保證了USART1 進行ISP 下載的順利進行[7]。

圖7 收發(fā)自動換向的RS-485接口電路

2.2 無線發(fā)送端軟件

發(fā)送端MCU 控制程序分為系統(tǒng)初始化、串口中斷處理和NRF24L01 無線發(fā)送等幾個主要模塊。系統(tǒng)初始化用于MCU 最小系統(tǒng)、內(nèi)存變量、串口中斷、外部中斷、無線模塊等的初始設(shè)置[8]；串口中斷服務(wù)程序完成與S7-1200 PLC 的Modbus 通信；NRF24L01 的無線通信則為系統(tǒng)重點，因為是發(fā)送端，主要介紹NRF24L01 的無線發(fā)送模式。

NRF24L01采用增強型ShockBurst工作模式，同時為了增強程序的通用性和可移植性，使用MCU 通用IO 口模擬SPI 功能，即用MCU 的6 個引腳分別連接模塊的CE、CSN、SCK、IRQ、MISO、MOSI 端口，其中與IRQ連接的STM32F103RCT 的引腳需設(shè)置為外部中斷功能，這樣當無線模塊接收到有效數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)發(fā)送完成或者達到最多重發(fā)次數(shù)時就會通過IRQ 的低電平引發(fā)MCU 進入外部中斷并根據(jù)狀態(tài)寄存器進行相應(yīng)處理。

無線發(fā)射程序包括各引腳操作、各寄存器訪問以及相關(guān)指令的應(yīng)用等，最底層的SPI 同步讀寫程序如下（其中的MISO、MOSI、SCK等為通用IO口的宏定義）：

設(shè)置并進行發(fā)射操作的程序代碼包括以下部分：（1）控制進入待機模式；（2）寫入發(fā)送地址；（3）寫入接收通道0地址（與發(fā)送地址相同）；（4）寫入將要發(fā)送的數(shù)據(jù)；（5）使能接收通道0 自動應(yīng)答；（6）使能接收通道0；（7）設(shè)置自動重發(fā)次數(shù)；（8）設(shè)置射頻通道頻率；（9）設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸率（1 Mbps 或2 Mbps）；（10）使能CRC 校驗；（11）拉高CE 啟動設(shè)備。通過以上步驟便能較為可靠的把接收的PLC端數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)射出去。

2.3 無線數(shù)據(jù)接收端

無線接收端位于絞線機絞動盤內(nèi)部，因為結(jié)構(gòu)原因，機器主控PLC 的命令無法采用連線方式直接傳給排線控制器，所以，此無線通信系統(tǒng)可以較完美的解決問題。無線接收端的硬件電路與發(fā)送端相同，程序代碼則主要是無線模塊收發(fā)模式及數(shù)據(jù)傳輸方向的區(qū)別，在此不做贅述。

3 排線步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計

排線步進電機系統(tǒng)包括排線控制器、步進驅(qū)動器、步進馬達3個部分[9]，在此主要講解排線控制器。實際系統(tǒng)中，排線步進電機控制器與無線數(shù)據(jù)接收端集成在同一塊PCB 電路板中，后者接收到源自主控PLC 的無線數(shù)據(jù)后，進行解析并將有關(guān)參數(shù)傳給排線控制模塊。排線控制器根據(jù)設(shè)置參數(shù)（實際為變化的比例系數(shù)）、絞線弓電機編碼器傳來的脈沖頻率、所用步進馬達步距角、細分數(shù)及傳動機構(gòu)的導(dǎo)程，計算并輸出相應(yīng)頻率及數(shù)量的脈沖[10]，從而控制步進電機運動排線。

3.1 排線控制器硬件電路

排線控制器的MCU 最小系統(tǒng)與無線發(fā)送端電路類似，主要增加了接收絞線弓電機編碼器脈沖的輸入接口電路（如圖8 所示）和向排線步進系統(tǒng)輸出驅(qū)動信號的高速脈沖輸出及方向接口電路（如圖9所示）。

圖8 高速脈沖輸入接口

圖9 高速脈沖輸出接口

3.2 排線控制器軟件

排線控制器就是要完成絞線機收線盤的排線工作，主要包括外部脈沖輸入中斷處理、輸出脈沖相關(guān)計算、輸出脈沖中斷處理等功能程序。因為排線存在雙向往復(fù)的過程，所以需要根據(jù)收線盤兩端邊沿信號控制電機停止及反向起動，于是在輸出脈沖處理中需要根據(jù)條件進行加減速控制，保證排線準確、平整、不斷線。

“S曲線”函數(shù)如下：

式中：a為冪底數(shù)；n為加減速中間速度點數(shù)；m=n/2。

排線換向過程的加減速控制采用“S 曲線”[11]，其離散化公式如式（1），并設(shè)計基于DEV-C++的冪底數(shù)和速度點數(shù)可調(diào)的“S 曲線”數(shù)據(jù)點生成器，生成相應(yīng)中間速度點系數(shù)，以0.93 為底的50 個“S 曲線”數(shù)據(jù)點如下：0.912 4，0.905 8，0.898 7，0.891 1，0.882 9，0.874 1，0.864 6，0.854 4，0.843 4，0.831 6，0.819 0，0.805 4，0.790 7，0.774 9，0.758 0， 0.739 8，0.720 2，0.699 1，0.676 5，0.652 2，0.626 0，0.597 8，0.567 6，0.535 0，0.500 0， 0.465 0，0.432 4，0.402 2，0.374 0，0.347 8，0.323 5，0.300 9，0.279 8，0.260 2，0.242 0，0.225 1，0.209 3，0.194 6，0.181 0，0.168 4，0.156 6，0.145 6，0.135 4，0.125 9，0.117 1， 0.108 9，0.101 3，0.094 2，0.087 6，0.081 5。

在MCU 程序中通過“查表發(fā)”，在當前速度和目標速度之間插入上面50 個系數(shù)對應(yīng)的中間點，對于每個速度點的運行時間采用等脈沖法即每個中間速度均運行相同的脈沖數(shù)，這樣系統(tǒng)可控性、穩(wěn)定性和準確性更高。加速與減速查表方向相反。MCU 中通過控制PWM 計時器定時周期實現(xiàn)輸出脈沖頻率即步進電機速度的控制，加速段程序結(jié)構(gòu)如下。

4 實驗和結(jié)果分析

絞線機的絞線質(zhì)量由眾多因素決定，其中排線系統(tǒng)的性能對其具有重要影響。絞線成品一般為成盤供貨，截面大，因此對排線要求較高，尤其是底層排線需要特別整齊；同時在排線調(diào)頭（排線步進電機換向）時，因為有一個短暫的停留，此時需注意上下層線纜間不能留有太大空隙，排距要適當，否則容易造成壓線、松股，甚至排線混亂等現(xiàn)象。因為線纜特別長且成盤纏繞，在此僅以某型號絞線機為例，對傳統(tǒng)機械排線和無線電氣排線兩種機型進行實驗，分別在絞線股數(shù)為7股、12股、16 股時，測試其絞線2 000 m 左右出現(xiàn)松股、壓線的次數(shù)（兩個重要性能指標），如表1所示。由表可知，采用無線電氣排線系統(tǒng)后，不但可以簡化絞線機的機械結(jié)構(gòu)，還可大幅提高絞線成品的質(zhì)量，其松股、壓線的出現(xiàn)幾率大大降低，且系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。整體設(shè)計科學(xué)、有效、實用。

表1 每2 000 m出現(xiàn)壓線、松股點數(shù)統(tǒng)計

5 結(jié)束語

本文針對絞線機機械排線系統(tǒng)的不足，設(shè)計了以S7-1200 PLC 為機器主控單元，以NRF24L01為無線收發(fā)模塊，以STM32F103RCT 為排線控制器核心，以步進電機為執(zhí)行機構(gòu)的電氣排線系統(tǒng)。同時，為保證排線質(zhì)量不出現(xiàn)走位等情況，還在程序中采用了S 曲線進行加減速控制。整體系統(tǒng)不但簡化了絞線機的機械結(jié)構(gòu)還大大提高了絞線質(zhì)量，技術(shù)成熟的同時具有創(chuàng)新性，已在廣州某電工機械有限公司絞線機上實際使用，提高了生產(chǎn)效率、規(guī)避了頻繁更換機械部件的步驟，具有很強的實用及推廣價值。