基于西门子SCALANCE工业无线设备的远程操作系统*

职 彦

(太原重工股份有限公司 技术中心矿山所,山西 太原 030024)

0 引言

工业装备智能化是引领我国高端装备制造高质量发展的核心技术，该技术涉及面广，多学科交叉融合。将人工智能、工业物联网、机器人、大数据、云计算、智能装备等与现有工业产品深度融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统，可极大地提高工业生产各个环节的效率和环保水平。为了响应国家战略发展需求，各行各业正在进行积极探索，以实现工业装备智能化。

电铲作为大型露天矿山的主要开采设备，在整个开采环节中占据着非常重要的位置。长期以来，露天矿山恶劣的现场环境(高粉尘、高噪声、高震动)一直是危害现场操作及维护人员的主要因素，司机在现场嘈杂的环境中需要随时集中精力，否则极易发生大型设备的安全事故。因此，有必要开发一套远程操作系统。该套系统不仅可以提升操作者的驾驶体验，更为今后的无人操作打通了部分技术难点。

1 远程操作系统硬件架构

远程操作终端按实际的司机室配置组成，包括联动台和操作台，最大程度模拟真实的操作环境。

系统硬件架构主要由视频部分和控制部分组成。视频部分负责将司机室座舱视角及周边环境实时传输至远程操作终端；控制部分完成设备本地控制系统和远程控制系统之间的数据交互，并融合必要的安全策略。

1.1 视频部分

分布式监控系统视频部分主要包括高清摄像头、无线传输天线、视频解码器及高清显示屏。

(1)摄像头的布置：在司机室内布置4个摄像头，分别对准前方工作机构及左、右两侧视角，该摄像头的布置直接关系到远程的视觉还原效果；出于安全考虑，在机棚内部的主要旋转部件—钢丝绳卷筒上布置1个摄像头；由于电铲设备尾部回转半径为10 m，旋转时有可能和辅助作业的工程车辆发生擦碰，因此，在设备外部的左、右两侧也各布置1个盲区摄像头；另外，在电铲的尾部安装电缆卷筒的位置也布置1个摄像头，便于司机观察移设过程中尾部高压电缆的情况。

(2)天线的布置：天线的布置要求在电铲旋转工作的过程中信号传输无死角。设备的A型架顶端是除了天轮以外最高的位置，同时靠近设备回转中心轴,震动幅度最小，因此在该处布置天线A；考虑系统冗余，在司机室顶端布置天线B。正常工作时，接收端实时扫描天线A和B的信号强度，并自动将信号切换至信号较强的天线端。

(3)视频解码器及高清显示屏：解码器用于图像拼接，将司机室4个摄像头传输的图像在终端大屏幕上无缝拼接为一副完整的画面，最大程度还原真实的司机视角。机棚内部旋转部位的图像显示于屏幕两侧，便于司机在不分散注意力的情况下随时观察。

1.2 控制部分

从设备运行可靠性和安全性考虑，当远程操作系统出现故障时，主机必须可靠停车，因此，远程操作系统配备一套独立的CPU控制器。远程CPU在每个扫描周期内向本地CPU发送一组校验数据，用于判断远程系统的状态。控制系统拓扑结构如图1所示，传输中间介质采用西门子SCALANCE W系列无线产品。

图1 控制系统拓扑结构

2 远程操作系统软件架构

本系统采用西门子自带的S7通信，具有如下两种通信方式：

(1)基于客户端(Client)/服务器(Server)的单边通信。客户端(Client)/服务器(Server)模式是最常用的通信方式，也称作S7单边通信。在该模式中，只需要在客户端一侧进行配置和编程，服务器一侧只需要准备好需要被访问的数据，不需要任何编程(服务器的“服务”功能是硬件提供的，不需要用户软件的任何设置)。

(2)基于伙伴(Partner)/伙伴(Partner)的双边通信。伙伴(Partner)/伙伴(Partner)通信模式也称为S7双边通信，也有人称其为客户端(Client)—客户端(Client)模式。该通信方式有如下几个特点：①通信双方都需要进行配置和编程；②通信需要先建立连接,主动请求建立连接的是主动伙伴(Active Partner)，被动等待建立连接的是被动伙伴(Passive Partner)；③当通信建立后，通信双方都可以发送或接收数据。

使用中，在本地和远程程序中各增加2个全局DB数据块，一个用于接收数据，另一个用于发送数据。根据实际数据需要，发送和接收DB块各定义26个字节，如图2所示。其中的数据类型根据需要前10个BYTE独立定义，用于Bool型变量的数据整合，整体传输；后16个BYTE两两组合为WORD型变量，用于模拟量的传输。远程CPU中编程数据读、写的程序段如图3、图4所示。

图2 数据结构

图3 GET程序段

图4 PUT程序段

在GET和PUT程序段中，使用了CPU自带的时钟频率，该功能在硬件组态中CPU的设备属性中勾选。勾选后CPU会提供8种频率的时钟，最高频率为10 Hz。为了最大程度降低数据传输的时延，保证操作的实时性和准确性，此处选用10 Hz作为程序块的执行周期，写入REQ引脚。

选择GET或PUT块的属性，点击连接名称，新建一个连接，例如命名为“S7_连接”。连接属性中，记录下本地ID的十六进制数值，填写进ID引脚中。在GET程序块中，ADDR_1引脚写入伙伴CPU中待读取数据的地址及数据长度，RD_1中写入本地CPU中读取数据的存放区域。在PUT程序块中，SD_1引脚写入本地CPU中发送数据的长度及起始地址，ADDR_1中写入伙伴CPU接收数据后的存放地址。

当程序块运行出错时，ERROR引脚输出高电平，STATUS输出故障代码。正常运行时，NDR和DONE引脚输出高点平。

3 功能测试

软件功能编程结束后，需要对关键信号逐一测试。测试时，在远程操作终端分别按下各个控制按钮，同时本地CPU在线观察程序中相应的数据位是否变化。对于比较重要的抱闸信号，不仅测试该数据位是否正确传输，同时测试远程数据位和本地数据位是否有逻辑冲突，确保逻辑的完备性和可靠性。

上述数据逐位测试结束后进行各个机构的单独启动测试。为保证安全，在机构独立启动测试过程中，本地驾驶室的司机随时观察设备的运行状态，当有异常发生时立即切断设备电源。远程测试开始后，操作如下：按下提升机构松闸按钮，提升机构接收到松闸指令后按预定程序启动提升逆变器，程序收到逆变器运行反馈指令后，发出信号使能抱闸电磁阀，观察提升机构抱闸是否打开，确认无误后进行抱闸测试；按下抱闸按钮，提升抱闸机构应立即动作，刹车片锁紧提升机构；之后再次按下提升机构松闸按钮，并输出模拟量给定，观察提升机构是否按给定速度平稳运行，在司机室人机界面观察给定速度和反馈速度有无偏差。完成提升机构的测试后，按相同的方法对其余机构逐一测试。

4 联动试车

进行了机构各部试车正常后，再次启动设备进行联动试车。首先同时对各机构进行松闸操作，松闸后各机构逆变器正常启动，抱闸打开，电机空载电流正常;之后各机构同时给定速度，观察电机实际运行速度和给定速度吻合，设备运行平稳。

5 结语

该套操作系统在本地和远程两组CPU间通过SCALANCE W传输数据，实现了设备的远程操作。现场应用中，可根据工况将传输方式替换为5G或光纤，其余软件编程不变，有很强的替换性和可扩展性。