一種新式自動稱量配料系統(tǒng)的無線控制網(wǎng)絡方案介紹

摘要：借助于SCALANCE W無線移動通訊技術和Profinet工業(yè)以太網(wǎng)技術強大的兼容性與可靠性，稱量配料控制系統(tǒng)的核心PLC與上位機、AGV無線運輸車、機械手系統(tǒng)、稱量給料系統(tǒng)、無線AP、無線稱重儀表等30多個網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)穩(wěn)定的、高速的、可靠的數(shù)據(jù)交換，大大提高了整個控制系統(tǒng)運行的效率與可靠性，在設備布線方面也為客戶提供了更為經(jīng)濟的選擇方案。

關鍵詞：上位機；AGV無線運輸車；機械手系統(tǒng)；稱量給料系統(tǒng)；無線AP；無線稱重儀表

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）31-0012-03

傳統(tǒng)的自動稱量配料系統(tǒng)目前已經(jīng)大規(guī)模應用于橡膠化工行業(yè)、食品行業(yè)、建筑材料制造行業(yè)等。借助于現(xiàn)代高科技公司的現(xiàn)場網(wǎng)絡總線技術，如西門子的Profibus-DP、三菱的CC-link、羅克韋爾公司的ControlNet和DeviceNet等，均已經(jīng)實現(xiàn)了高效可靠的網(wǎng)絡控制方案的應用，大大提高了自動稱量配料系統(tǒng)的運行效率和稱量精確性。

1 自動稱量配料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

自動稱量配料系統(tǒng)通常由四大系統(tǒng)組成：

1.1 儲存物料的罐體

主要是數(shù)量不等的4～20立方米大小不同的鐵質(zhì)罐體，用于儲存即將稱量的物料，如粉料、顆粒、油料等。

1.2 稱量給料機構(gòu)

主要包含螺旋給料稱量機構(gòu)、震動給料稱量機構(gòu)、皮帶稱量給料機構(gòu)、氣動截止閥等。根據(jù)不同工位罐體所存物料特性分別配置不同的稱量給料機構(gòu)。

1.3 料倉輸送線

一般是工業(yè)電機驅(qū)動的鏈條輸送線或者軌道輸送帶結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)稱量料罐的輸送驅(qū)動、停止定位的機構(gòu)，主要實現(xiàn)稱量罐體在各個不同儲存罐體稱量給料機構(gòu)工位的轉(zhuǎn)移和定位。所有的稱量料罐按先后順序經(jīng)由輸送線輸送至各個不同儲存料罐工位經(jīng)由稱量給料機構(gòu)實現(xiàn)稱量配料。

1.4 上下線系統(tǒng)

主要是機械手系統(tǒng)或者人工搬運系統(tǒng)。用于實現(xiàn)稱量料罐在料倉輸送線的上線、下線的搬運，是整個自動稱量配料系統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)線的入口和出口。

這四大系統(tǒng)通過現(xiàn)場網(wǎng)絡總線與控制系統(tǒng)的核心PLC連接，根據(jù)控制系統(tǒng)PLC的配方指令實現(xiàn)同時大批量輸送不同稱量料罐至不同存儲料罐下，再以稱量給料機構(gòu)實現(xiàn)不同物料的定量的和精確的稱量配料，這樣就實現(xiàn)了大批量配方類罐裝產(chǎn)品的稱量配料生產(chǎn)。

2 無線式自動稱量配料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

無線式自動稱量配料系統(tǒng)是最近幾年隨著無線WLAN技術的發(fā)展而創(chuàng)新研究的一種新式自動稱量配料系統(tǒng)，它與傳統(tǒng)自動稱量配料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點相比，具有生產(chǎn)效率高、操作簡便、輸送線可靠性高、設備易維護等

優(yōu)點。

無線式自動稱量配料系統(tǒng)與傳統(tǒng)自動稱量配料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在儲存物料的罐體和稱量給料機構(gòu)基本上都是一致的。兩者的差異主要表現(xiàn)在輸送線結(jié)構(gòu)的不同。無線式自動稱量配料系統(tǒng)的輸送線為單個裝載蓄電池供電驅(qū)動的無線輸送車輛，簡稱AGV無線運輸車。

無線式自動稱量配料系統(tǒng)的工作流程：在控制系統(tǒng)的PLC下達配方指令后，各個AGV無線運輸車在機械手系統(tǒng)的幫助下實現(xiàn)稱量料罐上線任務后，通過無線通訊技術與控制系統(tǒng)PLC相連接，在控制系統(tǒng)的調(diào)度下車載各個稱量料罐至各個目標儲存罐工位稱量配料，各個目標儲存罐的稱量任務完成后AGV無線運輸車自動抵達機械手下線工位，由機械手系統(tǒng)將稱好物料的稱量料罐

搬運下線。整個稱量配料過程結(jié)束。

3 無線自動稱量配料系統(tǒng)控制網(wǎng)絡方案介紹

前面介紹的傳統(tǒng)自動稱量配料系統(tǒng)大規(guī)模應用的控制網(wǎng)絡：西門子的Profibus-DP、三菱的CC-link、羅克韋爾公司的ControlNet和DeviceNet等總線通訊技術，在與控制系統(tǒng)核心PLC通訊時，需要借助通訊電纜、驅(qū)動供電電纜等物理連接介質(zhì)來實現(xiàn)。而無線式自動稱量配料系統(tǒng)的輸送線為AGV無線運輸車，單個AGV無線運輸車實現(xiàn)車載蓄電池自我供電。但是AGV無線運輸車上的無線稱量系統(tǒng)卻無法通過物理介質(zhì)與控制系統(tǒng)PLC相連接。否則AGV無線運輸車在物理電纜的束縛下活動輸送范圍將大受影響，在車輛行進中，拖曳的電纜隨著使用時間推移也會造成不可逆轉(zhuǎn)的磨損乃至損壞。這就要求我們尋求一種無線通訊網(wǎng)絡方案，將AGV無線運輸車輛的稱量數(shù)據(jù)可靠而迅速地無線傳至控制系統(tǒng)PLC。而控制系統(tǒng)又能夠暢通無誤地發(fā)送相應指令至各個AGV運輸車輛，調(diào)度其執(zhí)行輸送運行任務。

經(jīng)過多方比較，我們論證并推出和應用了如下圖的無線控制網(wǎng)絡方案：

如圖2所示，稱量配料的各個子系統(tǒng)均通過Profinet工業(yè)以太網(wǎng)與以太網(wǎng)交換機相連接，稱量配料PLC通過它與各個子系統(tǒng)實現(xiàn)高速的可靠的數(shù)據(jù)交互。AGV運輸車上的稱重儀表則通過IWLAN/PB無線通訊終端與無線AP實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通訊交互，實現(xiàn)稱重儀表與稱量配料PLC的數(shù)據(jù)傳輸交互。

3.1 西門子Profinet網(wǎng)絡介紹

西門子的Profinet網(wǎng)絡功能強大，具有很強的兼容性，不但能夠支持CPU與CPU之間的系統(tǒng)級網(wǎng)絡通訊，也能夠支持CPU與眾多現(xiàn)場級設備的通訊，尤其還是能夠與第三方支持Profinet通訊協(xié)議的設備通訊。在與SCALANCE W無線網(wǎng)絡通訊技術的無線通訊設備配合下，可以實現(xiàn)CPU與子系統(tǒng)的高速的可靠的無線數(shù)據(jù)交互。Profinet網(wǎng)絡協(xié)議支持以下三種以太網(wǎng)通訊方式：

3.1.1 TCP/IP標準通訊：Profinet基于工業(yè)以太網(wǎng)技術，使用TCP/IP和IT標準。這個標準是IT領域關于通信協(xié)議方面通用的標準，其響應時間大概在100ms以內(nèi)，對于工廠控制級層的實時性相應要求不高的普通生產(chǎn)設備和應用環(huán)境來說基本上能夠滿足。

3.1.2 實時（RT）通訊：這種通訊協(xié)議是Profinet提供的一個優(yōu)化過的、基于以太網(wǎng)第二層（Layer2）的實時通訊通道，通過該實時通道，極大地減少了數(shù)據(jù)在通訊棧中的處理時間，相應時間大約5～10ms。這層協(xié)議標準能夠滿足比較對系統(tǒng)相應時間要求比較嚴格的工業(yè)設備。而一般現(xiàn)代工業(yè)通訊標準認為響應時間50ms以內(nèi)就可以認為滿足近乎“實時”的標準，因此，Profinet獲得了等同，甚至超過傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的實時性能，滿足了一般的稱量給料系統(tǒng)響應時間少于100ms以內(nèi)的需求。因此自動稱量配料控制網(wǎng)絡方案可以采用Profinet的實時通訊技術協(xié)議。

3.1.3 同步實時（IRT）通訊：這是Profinet的同步實時（Isochronous Real-Time，IRT）技術協(xié)議標準，它可以滿足運動控制的高速通訊需求，在使用此協(xié)議標準時，結(jié)合下文的西門子SCALANCE W無線通訊應用時，無線通訊連接點最多不能超過4個，而自動稱量配料系統(tǒng)的AGV運輸車輛節(jié)點在同一時間段內(nèi)可多達10個，因此自動稱量配料控制網(wǎng)絡方案不適合采取Profinet的同步實時通訊技術協(xié)議。

3.2 西門子SCALANCE W無線通訊技術介紹

SCALANCE W通訊技術同時遵循現(xiàn)有的4種國際通行的無線以太網(wǎng)標準，具有很好的兼容性。兼容的標準有802.11a、802.11b、802.11g、802.11h。可以使用2.4G和5G兩個免授權(quán)射頻頻段。SCALANCE W移動通訊解決方案的組成可以分為三個子部分：

3.2.1 無線接入點設備：無線接入點設備用來輻射一個無線信號區(qū)域用于移動的無線客戶端接入，它就像一個無線的基站一樣。在物理連接上它像紅外線一樣是無線連接的，但要比紅外射線在做數(shù)據(jù)傳輸上有更好的表現(xiàn)，它對有些障礙物具有一定的穿透性，在一個規(guī)則的物理空間內(nèi)具有很好的反射效果，這樣可以實現(xiàn)非直視數(shù)據(jù)傳輸，可靠性可以在一定程度上得以提高。

通常的無線接入點當面對多個無線客戶端通訊時處于一種通訊資源被競爭利用的角色，這樣系統(tǒng)就無法保證每個客戶端通訊的確定性和實時性。SCALANCE W700系列接入點獨有的iPCF功能可以保證每個接入客戶端有固定的通訊資源用于數(shù)據(jù)傳輸，從而保證通訊數(shù)據(jù)的確定性和實時性得以實現(xiàn)，這樣就能保證其可以滿足于自動稱量配料系統(tǒng)對網(wǎng)絡響應要求較高的需求。

3.2.2 天饋線系統(tǒng)：顧名思義，無線通訊設備需要無線接入點設備與客戶端設備都配備有良好的發(fā)送天線

和接受天線。它是無線電波傳輸?shù)谋匦璧闹苯游锢斫橘|(zhì)。

3.2.3 客戶端設備：用來安裝在移動的AGV運輸車輛上將移動的控制器接入到無線接入點覆蓋的無線網(wǎng)絡中，達到移動設備通訊聯(lián)網(wǎng)的目的。SCALANCE W系列客戶端產(chǎn)品有兩種，一種是將以太網(wǎng)接口的控制設備接入到無線以太網(wǎng)的模塊；另一種是將標準的Profibus-DP從站設備接入到無線以太網(wǎng)的模塊，即IWLAN/PB模塊，這個模塊本身作為一個DP主站與DP從站以主從方式通訊，同時與上位系統(tǒng)以Profinet I/O方式通訊。無線式自動稱量配料系統(tǒng)的AGV運輸車輛上的Profibus接口的無線稱重儀表就是通過WLAN/PB模塊來實現(xiàn)與無線接入點設備即無線AP的通訊，借此將AGV車輛上稱量料罐的重量無線傳送至稱量配料PLC。

在本例稱量配料PLC控制系統(tǒng)中包含眾多現(xiàn)場網(wǎng)絡總線類型的設備，西門子Profinet通訊技術和SCALANCE W無線通訊技術相配合所實現(xiàn)的強大的兼容性與可擴展性得到了充分的體現(xiàn)。其中稱量給料機構(gòu)與無線稱重儀表在稱量給料過程中要求近乎“實時”的動作響應性，否則不能保證稱量過程的效率與系統(tǒng)稱量精確性的要求。根據(jù)實驗測試自動稱量配料系統(tǒng)的系統(tǒng)響應延遲需在100ms以內(nèi)才能滿足工藝指標需求，圖例中的無線式自動稱量配料控制網(wǎng)絡的架構(gòu)中，稱量配料PLC通過Profinet與SCALANCE W無線通訊技術相配合實現(xiàn)了與圖中所有各個子系統(tǒng)設備進行實時的、高速的、可靠的數(shù)據(jù)交換。充分保證了整個稱量配料控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行。

參考文獻

[1] SCALANCE工業(yè)無線移動通訊產(chǎn)品樣本[S].

[2] 西門子工業(yè)無線移動通訊[S].

[3] 西門子Profinet概述[S].

作者簡介：沈克濤（1982-），男，青島科技大學自動化與電子工程學院在職研究生，自動化工程師，研究方向：西門子大型控制系統(tǒng)方案制作及程序開發(fā)、控制調(diào)試。

3.1.3 同步實時（IRT）通訊：這是Profinet的同步實時（Isochronous Real-Time，IRT）技術協(xié)議標準，它可以滿足運動控制的高速通訊需求，在使用此協(xié)議標準時，結(jié)合下文的西門子SCALANCE W無線通訊應用時，無線通訊連接點最多不能超過4個，而自動稱量配料系統(tǒng)的AGV運輸車輛節(jié)點在同一時間段內(nèi)可多達10個，因此自動稱量配料控制網(wǎng)絡方案不適合采取Profinet的同步實時通訊技術協(xié)議。

3.2 西門子SCALANCE W無線通訊技術介紹

SCALANCE W通訊技術同時遵循現(xiàn)有的4種國際通行的無線以太網(wǎng)標準，具有很好的兼容性。兼容的標準有802.11a、802.11b、802.11g、802.11h。可以使用2.4G和5G兩個免授權(quán)射頻頻段。SCALANCE W移動通訊解決方案的組成可以分為三個子部分：

3.2.1 無線接入點設備：無線接入點設備用來輻射一個無線信號區(qū)域用于移動的無線客戶端接入，它就像一個無線的基站一樣。在物理連接上它像紅外線一樣是無線連接的，但要比紅外射線在做數(shù)據(jù)傳輸上有更好的表現(xiàn)，它對有些障礙物具有一定的穿透性，在一個規(guī)則的物理空間內(nèi)具有很好的反射效果，這樣可以實現(xiàn)非直視數(shù)據(jù)傳輸，可靠性可以在一定程度上得以提高。

通常的無線接入點當面對多個無線客戶端通訊時處于一種通訊資源被競爭利用的角色，這樣系統(tǒng)就無法保證每個客戶端通訊的確定性和實時性。SCALANCE W700系列接入點獨有的iPCF功能可以保證每個接入客戶端有固定的通訊資源用于數(shù)據(jù)傳輸，從而保證通訊數(shù)據(jù)的確定性和實時性得以實現(xiàn)，這樣就能保證其可以滿足于自動稱量配料系統(tǒng)對網(wǎng)絡響應要求較高的需求。

3.2.2 天饋線系統(tǒng)：顧名思義，無線通訊設備需要無線接入點設備與客戶端設備都配備有良好的發(fā)送天線

和接受天線。它是無線電波傳輸?shù)谋匦璧闹苯游锢斫橘|(zhì)。

3.2.3 客戶端設備：用來安裝在移動的AGV運輸車輛上將移動的控制器接入到無線接入點覆蓋的無線網(wǎng)絡中，達到移動設備通訊聯(lián)網(wǎng)的目的。SCALANCE W系列客戶端產(chǎn)品有兩種，一種是將以太網(wǎng)接口的控制設備接入到無線以太網(wǎng)的模塊；另一種是將標準的Profibus-DP從站設備接入到無線以太網(wǎng)的模塊，即IWLAN/PB模塊，這個模塊本身作為一個DP主站與DP從站以主從方式通訊，同時與上位系統(tǒng)以Profinet I/O方式通訊。無線式自動稱量配料系統(tǒng)的AGV運輸車輛上的Profibus接口的無線稱重儀表就是通過WLAN/PB模塊來實現(xiàn)與無線接入點設備即無線AP的通訊，借此將AGV車輛上稱量料罐的重量無線傳送至稱量配料PLC。

在本例稱量配料PLC控制系統(tǒng)中包含眾多現(xiàn)場網(wǎng)絡總線類型的設備，西門子Profinet通訊技術和SCALANCE W無線通訊技術相配合所實現(xiàn)的強大的兼容性與可擴展性得到了充分的體現(xiàn)。其中稱量給料機構(gòu)與無線稱重儀表在稱量給料過程中要求近乎“實時”的動作響應性，否則不能保證稱量過程的效率與系統(tǒng)稱量精確性的要求。根據(jù)實驗測試自動稱量配料系統(tǒng)的系統(tǒng)響應延遲需在100ms以內(nèi)才能滿足工藝指標需求，圖例中的無線式自動稱量配料控制網(wǎng)絡的架構(gòu)中，稱量配料PLC通過Profinet與SCALANCE W無線通訊技術相配合實現(xiàn)了與圖中所有各個子系統(tǒng)設備進行實時的、高速的、可靠的數(shù)據(jù)交換。充分保證了整個稱量配料控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行。

參考文獻

[1] SCALANCE工業(yè)無線移動通訊產(chǎn)品樣本[S].

[2] 西門子工業(yè)無線移動通訊[S].

[3] 西門子Profinet概述[S].

作者簡介：沈克濤（1982-），男，青島科技大學自動化與電子工程學院在職研究生，自動化工程師，研究方向：西門子大型控制系統(tǒng)方案制作及程序開發(fā)、控制調(diào)試。

3.1.3 同步實時（IRT）通訊：這是Profinet的同步實時（Isochronous Real-Time，IRT）技術協(xié)議標準，它可以滿足運動控制的高速通訊需求，在使用此協(xié)議標準時，結(jié)合下文的西門子SCALANCE W無線通訊應用時，無線通訊連接點最多不能超過4個，而自動稱量配料系統(tǒng)的AGV運輸車輛節(jié)點在同一時間段內(nèi)可多達10個，因此自動稱量配料控制網(wǎng)絡方案不適合采取Profinet的同步實時通訊技術協(xié)議。

3.2 西門子SCALANCE W無線通訊技術介紹

SCALANCE W通訊技術同時遵循現(xiàn)有的4種國際通行的無線以太網(wǎng)標準，具有很好的兼容性。兼容的標準有802.11a、802.11b、802.11g、802.11h?？梢允褂?.4G和5G兩個免授權(quán)射頻頻段。SCALANCE W移動通訊解決方案的組成可以分為三個子部分：

3.2.1 無線接入點設備：無線接入點設備用來輻射一個無線信號區(qū)域用于移動的無線客戶端接入，它就像一個無線的基站一樣。在物理連接上它像紅外線一樣是無線連接的，但要比紅外射線在做數(shù)據(jù)傳輸上有更好的表現(xiàn)，它對有些障礙物具有一定的穿透性，在一個規(guī)則的物理空間內(nèi)具有很好的反射效果，這樣可以實現(xiàn)非直視數(shù)據(jù)傳輸，可靠性可以在一定程度上得以提高。

通常的無線接入點當面對多個無線客戶端通訊時處于一種通訊資源被競爭利用的角色，這樣系統(tǒng)就無法保證每個客戶端通訊的確定性和實時性。SCALANCE W700系列接入點獨有的iPCF功能可以保證每個接入客戶端有固定的通訊資源用于數(shù)據(jù)傳輸，從而保證通訊數(shù)據(jù)的確定性和實時性得以實現(xiàn)，這樣就能保證其可以滿足于自動稱量配料系統(tǒng)對網(wǎng)絡響應要求較高的需求。

3.2.2 天饋線系統(tǒng)：顧名思義，無線通訊設備需要無線接入點設備與客戶端設備都配備有良好的發(fā)送天線

和接受天線。它是無線電波傳輸?shù)谋匦璧闹苯游锢斫橘|(zhì)。

3.2.3 客戶端設備：用來安裝在移動的AGV運輸車輛上將移動的控制器接入到無線接入點覆蓋的無線網(wǎng)絡中，達到移動設備通訊聯(lián)網(wǎng)的目的。SCALANCE W系列客戶端產(chǎn)品有兩種，一種是將以太網(wǎng)接口的控制設備接入到無線以太網(wǎng)的模塊；另一種是將標準的Profibus-DP從站設備接入到無線以太網(wǎng)的模塊，即IWLAN/PB模塊，這個模塊本身作為一個DP主站與DP從站以主從方式通訊，同時與上位系統(tǒng)以Profinet I/O方式通訊。無線式自動稱量配料系統(tǒng)的AGV運輸車輛上的Profibus接口的無線稱重儀表就是通過WLAN/PB模塊來實現(xiàn)與無線接入點設備即無線AP的通訊，借此將AGV車輛上稱量料罐的重量無線傳送至稱量配料PLC。

在本例稱量配料PLC控制系統(tǒng)中包含眾多現(xiàn)場網(wǎng)絡總線類型的設備，西門子Profinet通訊技術和SCALANCE W無線通訊技術相配合所實現(xiàn)的強大的兼容性與可擴展性得到了充分的體現(xiàn)。其中稱量給料機構(gòu)與無線稱重儀表在稱量給料過程中要求近乎“實時”的動作響應性，否則不能保證稱量過程的效率與系統(tǒng)稱量精確性的要求。根據(jù)實驗測試自動稱量配料系統(tǒng)的系統(tǒng)響應延遲需在100ms以內(nèi)才能滿足工藝指標需求，圖例中的無線式自動稱量配料控制網(wǎng)絡的架構(gòu)中，稱量配料PLC通過Profinet與SCALANCE W無線通訊技術相配合實現(xiàn)了與圖中所有各個子系統(tǒng)設備進行實時的、高速的、可靠的數(shù)據(jù)交換。充分保證了整個稱量配料控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行。

參考文獻

[1] SCALANCE工業(yè)無線移動通訊產(chǎn)品樣本[S].

[2] 西門子工業(yè)無線移動通訊[S].

[3] 西門子Profinet概述[S].

作者簡介：沈克濤（1982-），男，青島科技大學自動化與電子工程學院在職研究生，自動化工程師，研究方向：西門子大型控制系統(tǒng)方案制作及程序開發(fā)、控制調(diào)試。