一種高可靠物流控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式分析

文/曾學(xué) 姚正亞

物流控制系統(tǒng)作為物流系統(tǒng)的重要組成部分，主要由PLC 及各種現(xiàn)場(chǎng)電氣部件、傳感器組成，向上連接物流信息系統(tǒng)和設(shè)備監(jiān)控SCADA系統(tǒng)，申報(bào)貨物分揀請(qǐng)求、接受貨物分揀指令，發(fā)送設(shè)備狀態(tài)信息并接受控制指令等；向下連接智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能設(shè)備的控制、貨物輸送過(guò)程的檢測(cè)、安全保護(hù)措施的提供、設(shè)備狀態(tài)的采集等功能。因此，物流控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定、可靠，決定了整個(gè)物流系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

一、系統(tǒng)構(gòu)架

在高可靠物流控制系統(tǒng)中，采用一主一備PLC模式，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)根據(jù)連接設(shè)備特性，劃分為Profinet、Profibus-DP、As-i等三個(gè)層次結(jié)構(gòu)，如圖1。

1.Profinet網(wǎng)絡(luò)

Profinet是將Profibus協(xié)議捆綁到標(biāo)準(zhǔn)的TCP／IP協(xié)議上，通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和現(xiàn)有Profibus之間路由的功能。Profinet最顯著的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性高，實(shí)時(shí)周期高達(dá)到250us，適用于中高速運(yùn)動(dòng)物體的控制。在物流控制系統(tǒng)中，Profinet網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)：

貨物的合分流控制以及現(xiàn)場(chǎng)電源總線控制；

與單機(jī)系統(tǒng)通訊，例如堆垛機(jī)、安檢機(jī)、LED顯示屏等。

通過(guò)多種控制網(wǎng)絡(luò)的配合使用，在滿足大型物流中心控制需求的同時(shí)選用高可靠性的PLC和具有良好擴(kuò)展性能的從站，將增強(qiáng)物流控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性

2.Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)

Profibus-DP只使用OSI模型中的第1、2層和用戶接口，第3-7層沒(méi)有定義，直接數(shù)據(jù)鏈路映射、為用戶接口提供第2層的訪問(wèn)服務(wù)。Profibus-DP主要用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)快速高效的數(shù)據(jù)交換。在物流控制系統(tǒng)中，Profinet網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)貨物的跟蹤，如連接RFID控制器（RFID標(biāo)簽識(shí)讀器）、條碼掃描器等。

3.As-i網(wǎng)絡(luò)

AS-i總線是一種主從結(jié)構(gòu)的底層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主站和從站通過(guò)2芯電纜可以組成多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雙向數(shù)字通信系統(tǒng)。AS-i總線系統(tǒng)通過(guò)它主站中的網(wǎng)關(guān)可以和現(xiàn)場(chǎng)總線Profinet相連接，AS-i主站可以作為Profinet的一個(gè)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，在它下面又可以連接一批從站，有效滿足了大規(guī)模物流中心的控制需求。AS-i適用于連接具有開(kāi)關(guān)量特征的傳感器和執(zhí)行器系統(tǒng)。在物流控制系統(tǒng)中，As-i網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)：

連接各類電機(jī)控制箱，如電機(jī)控制箱、變頻器電機(jī)控制箱等；

連接各類控制站，如按鈕控制站、鑰匙開(kāi)關(guān)控制站等。

圖1：物流控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖2：水平分流器

圖3：貨物跟蹤

二、器件的選型

1.PLC 系統(tǒng)

為滿足系統(tǒng)容錯(cuò)、高可靠性的運(yùn)用需求，選擇基于SIMATIC S7-400H的冗余系統(tǒng)。該冗余系統(tǒng)具有良好的可靠性，即使控制器的某些部件由于一個(gè)或幾個(gè)故障而失效，也不會(huì)影響物流控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

SIMATIC S7-400H 包含了兩個(gè)分立的中央控制器UR1/UR2或一個(gè)分割為兩 個(gè)區(qū)的中央控制器UR2-H，每個(gè)中央控制器有兩個(gè)同步模板，使用光纖連接這兩個(gè)控制器。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

冗余的中央功能；

熱備，在故障事件發(fā)生時(shí)自動(dòng)地切換到備用單元。

2.RFID控制器

RFID標(biāo)簽讀取系統(tǒng)選用西克產(chǎn)品，采用冗余設(shè)計(jì)，主要部件如控制器MSC800、CAN網(wǎng)絡(luò)、電源等，采用雙冗余設(shè)計(jì)。每個(gè)天線的數(shù)據(jù)及電源通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)并行連接,所有天線均連接至兩個(gè)控制器從而保證任一天線出現(xiàn)故障時(shí)不影響其他天線的正常工作。

西克RFID標(biāo)簽讀取系統(tǒng)內(nèi)置分配算法，能夠?qū)νǖ纼?nèi)的多種物件進(jìn)行處理。具有較高的處理率。同時(shí)該系統(tǒng)還具有如下特點(diǎn)：

能對(duì)靜態(tài)標(biāo)簽進(jìn)行檢測(cè)和過(guò)濾；

易用，在SD卡內(nèi)記錄了所有組件的運(yùn)行參數(shù)；

平均故障間隔時(shí)間大于10萬(wàn)個(gè)小時(shí)；

平均維修時(shí)間小于10分鐘；

能進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)。

3.I/O 系統(tǒng)

I/O 系統(tǒng)采用具有分布式I/O特性的西門(mén)子E T 2 0 0 M和西門(mén)子ET200SP。它們的等級(jí)均為IP20。ET200M使用S7-300 可編程序控制器的信號(hào)模塊、功能模塊和通訊模塊進(jìn)行擴(kuò)展。由于模塊的種類眾多，ET200M 尤其適用于高密度且復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)，而且適宜與冗余系統(tǒng)一起使用。ET200SP具有體積小、使用靈活、支持熱插拔、性能突出等特點(diǎn)。

三、控制邏輯與控制技術(shù)

1.“窗口預(yù)約”導(dǎo)入控制技術(shù)

物流控制系統(tǒng)中將貨物注入到主輸送機(jī)時(shí)采用的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)叫做窗口預(yù)約控制技術(shù)，提供了一個(gè)先進(jìn)的貨物組織方式，使得來(lái)自不同輸送點(diǎn)的貨物在主輸送機(jī)上按照一定間隙進(jìn)行輸送。

窗口預(yù)約的實(shí)現(xiàn)是將主輸送機(jī)劃分成若干用于接收注入貨物的視窗（window，也稱作虛擬段），當(dāng)貨物到達(dá)導(dǎo)入輸送點(diǎn)末端的光電開(kāi)關(guān)時(shí)，控制系統(tǒng)將為此貨物在輸送機(jī)上申請(qǐng)保留一個(gè)窗口。通過(guò)PLC從主輸送機(jī)的上游開(kāi)始查找未分配的窗口，找到窗口后將其分配給此貨物并跟蹤這個(gè)窗口的運(yùn)行，當(dāng)這個(gè)窗口鄰近主輸送機(jī)時(shí)，此貨物被注入至主輸送機(jī)的視窗內(nèi)。

主輸送機(jī)皮帶非驅(qū)動(dòng)輥上安裝星型輪，當(dāng)皮帶運(yùn)行時(shí)，星型輪旋轉(zhuǎn)，檢測(cè)開(kāi)關(guān)的檢測(cè)輪片向PLC發(fā)出脈沖信號(hào)，由PLC對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶運(yùn)行的跟蹤，實(shí)現(xiàn)主輸送機(jī)上視窗的跟蹤。

2.水平分流技術(shù)

物流控制系統(tǒng)中將貨物從主輸送機(jī)移出的技術(shù)叫做水平分流技術(shù)。此技術(shù)主要通過(guò)水平分流器(如圖2)實(shí)現(xiàn)。

(1)水平分流器

水平分流器用于將貨物分流到一個(gè)或者兩個(gè)出口。分流器在與輸送機(jī)垂直的分流臂上安裝有皮帶，分流器配有控制分流臂動(dòng)作的電機(jī)，分流臂可以停在打出位置或者是初始位置。當(dāng)分流器位于初始位置，分流臂皮帶回縮到輸送機(jī)側(cè)板后方，貨物直接通過(guò)；當(dāng)貨物需要分流時(shí)，分流臂轉(zhuǎn)動(dòng)，分流臂皮帶將用比輸送機(jī)更快的速度將貨物快速轉(zhuǎn)移到接收輸送機(jī)。

(2)水平分流器操作

圖2顯示了一般水平分流器操作過(guò)程，貨物通過(guò)輸送機(jī)1，就進(jìn)入分流區(qū)域。當(dāng)貨物到達(dá)輸送機(jī)2的光電開(kāi)關(guān)B時(shí)，PLC將根據(jù)跟蹤貨物的信息判斷貨物是繼續(xù)直行還是需要打出分流。如果繼續(xù)直行，當(dāng)圖中所示的分流區(qū)沒(méi)有貨物時(shí)，PLC將位于輸送機(jī)2上的貨物放行，輸送機(jī)3上安裝有接近開(kāi)關(guān)用于貨物跟蹤，PLC可依據(jù)此判斷貨物是否已經(jīng)離開(kāi)分流區(qū)。如果需要分流，當(dāng)圖中所示的分流區(qū)和輸送機(jī)4上沒(méi)有貨物時(shí)，PLC將位于輸送機(jī)2上的貨物打出分流。PLC判斷輸送機(jī)4上光電開(kāi)關(guān)C是否遮擋，判斷貨物是否已經(jīng)離開(kāi)分流區(qū)。

在需要分流的情況下，若輸送機(jī)4上已經(jīng)有一件貨物并且下一件貨物到達(dá)光電開(kāi)關(guān)B的位置，將導(dǎo)致上游輸送機(jī)進(jìn)入暫停模式，只有當(dāng)輸送機(jī)4上的貨物被移除后，下一件需分流貨物才能放行。

3.貨物的跟蹤技術(shù)

貨物的跟蹤是通過(guò)物流控制系統(tǒng)PLC內(nèi)的軟件程序?qū)崿F(xiàn)的。該軟件覆蓋輸送機(jī)段之間的安檢區(qū)域、貨物注入?yún)^(qū)域、貨物分揀等區(qū)域，如圖3。

軟件實(shí)現(xiàn)采用一段連續(xù)的數(shù)據(jù)字進(jìn)行貨物跟蹤，每個(gè)數(shù)據(jù)字對(duì)應(yīng)50mm的輸送機(jī)長(zhǎng)度（輸送機(jī)跟蹤數(shù)據(jù)字DB的長(zhǎng)度可以根據(jù)設(shè)備長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)置），根據(jù)貨物進(jìn)入輸送機(jī)時(shí)的入口指針位置將貨物的ID（條碼）寫(xiě)入相應(yīng)的字中，已經(jīng)存在的指針值總是大于入口指針的值。

PLC接收來(lái)自星型輪的信號(hào)，入口指針在到達(dá)輸送機(jī)長(zhǎng)度前逐漸加大，到達(dá)輸送機(jī)長(zhǎng)度之后指針重新返回到輸送機(jī)的起始位置。當(dāng)指針指到輸送機(jī)出口指針時(shí)貨物ID信息將被清除，之后將裝載到下一臺(tái)輸送機(jī)入口指針指向的字中。

可以這樣理解，在PLC內(nèi)存中有包含貨物ID的一個(gè)流動(dòng)表，可以記錄與之對(duì)應(yīng)的真實(shí)貨物的移位或運(yùn)動(dòng)。若移位的誤差（可調(diào)）處于可接受的范圍，這些小的錯(cuò)誤可以通過(guò)到達(dá)光電開(kāi)關(guān)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)在表中的移動(dòng)進(jìn)行糾正。若移位的誤差超過(guò)了可接受的范圍，貨物將被標(biāo)識(shí)為剔除狀態(tài)，目標(biāo)地址變更，貨物將被剔除。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)多種控制網(wǎng)絡(luò)的配合使用，在滿足大型物流中心控制需求的同時(shí)選用高可靠性的PLC和具有良好擴(kuò)展性能的從站，將增強(qiáng)物流控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；在此基礎(chǔ)上，輔以合理準(zhǔn)確的控制邏輯和控制技術(shù)，將確保物流系統(tǒng)的準(zhǔn)確、可靠、不間斷運(yùn)行。