滾筒輸送線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)研究

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(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

滾筒輸送線是由電動(dòng)滾筒、光電傳感器、控制器和條碼識(shí)別模塊等設(shè)備組成的傳輸系統(tǒng)，被廣泛用于物品分揀、生產(chǎn)線連接和物流系統(tǒng)集成等方面[1]。

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)共同發(fā)展的成果[2]，其將分散的現(xiàn)場設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)，使得底層控制分散化、硬件和軟件模塊化、信息管理集中化、控制系統(tǒng)智能化，增加了系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性[3]。

目前，滾筒輸送線控制系統(tǒng)大多采用PLC控制，上位機(jī)選取組態(tài)軟件或自行開發(fā)的定制軟件。PLC編程規(guī)模大、邏輯復(fù)雜、調(diào)試工作量大、擴(kuò)展與修改不便，現(xiàn)場安裝接線工作量大、成本高，組態(tài)軟件昂貴且臃腫，定制系統(tǒng)開發(fā)難度高、適應(yīng)性差。為此，可通過對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)重新設(shè)計(jì)，構(gòu)建滾筒輸送線的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輸送線控制系統(tǒng)的快速搭建，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

在此，以滾筒輸送線為對(duì)象，從需求分析、總體設(shè)計(jì)、模型建立、網(wǎng)絡(luò)搭建和協(xié)議設(shè)計(jì)等方面展開詳細(xì)討論和設(shè)計(jì)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。

1 輸送線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)總體方案

1.1 需求分析

滾筒輸送線的需求向網(wǎng)絡(luò)化控制、模塊化配置和參數(shù)化設(shè)計(jì)等方向發(fā)展，具體分析如下：

a.滾筒輸送線集成商在正式部署前，首先要與用戶進(jìn)行方案商定，目前大多采用CAD圖紙形式作為交流媒介，制圖煩瑣、調(diào)整不便、交流不暢，往往會(huì)導(dǎo)致最終部署結(jié)果與用戶實(shí)際需求有差異。需要一種仿真模擬的系統(tǒng)作為工具，提高方案的設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。

b.滾筒輸送線的底層控制，目前多采用大規(guī)模PLC來實(shí)現(xiàn)，輸送線每次進(jìn)行調(diào)整，都要耗費(fèi)較多的精力去修改邏輯程序，牽一發(fā)而動(dòng)全身。通過分散化控制，降低邏輯程序規(guī)模，讓模塊具有可修改、可替換和可擴(kuò)展的特性，是現(xiàn)代控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

c.滾筒輸送線最終投入使用后，通常要專門開發(fā)1套上位機(jī)系統(tǒng)用作監(jiān)控、信息交互等。如果可以將方案設(shè)計(jì)、邏輯控制設(shè)計(jì)和調(diào)試監(jiān)控構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，即前期用于仿真模擬方案的成果，經(jīng)過邏輯控制的接口配置后，成為可調(diào)試、可運(yùn)行監(jiān)控的上位機(jī)系統(tǒng)，那么就可降低系統(tǒng)開發(fā)的難度、縮短部署周期。

綜上，將網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)引入滾筒輸送線，解決當(dāng)前輸送線系統(tǒng)中遇到的問題，是非常必要的。滾筒輸送線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，將眾多的傳感器、控制器和執(zhí)行器等部件通過網(wǎng)絡(luò)相連接，相關(guān)的信號(hào)和數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸和交換，將控制器模塊化，完成從拖拽式輸送線體的設(shè)計(jì)、控制邏輯配置到系統(tǒng)應(yīng)用的一體化。

1.2 分層架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)滾筒輸送線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的研制需求，采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)的思想，每一層都專注于自己的功能，同時(shí)為上層提供服務(wù)，結(jié)構(gòu)清晰，可復(fù)用性強(qiáng)[4]。滾筒輸送線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的分層架構(gòu)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 滾筒輸送線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)分層架構(gòu)

a.企業(yè)管理層。指企業(yè)資源管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)總體的資源調(diào)配，給輸送線系統(tǒng)發(fā)送存取任務(wù)單，同時(shí)從獲取輸送線系統(tǒng)的任務(wù)完成狀況、運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等。

b.界面功能層。該層的大部分功能是直接與用戶進(jìn)行交互，包括輸送線的搭建、參數(shù)設(shè)定、動(dòng)態(tài)仿真、梯形圖控制程序編寫、通信配置、任務(wù)接收、調(diào)試、監(jiān)控和信息顯示等功能。

c.任務(wù)管理層。管理任務(wù)單，將當(dāng)前任務(wù)完成狀況傳遞給界面功能層進(jìn)行顯示并告知企業(yè)管理系統(tǒng)。新物料進(jìn)入輸送線，經(jīng)過條碼識(shí)別模塊，得到輸出口信息，進(jìn)行路徑的規(guī)劃和選擇，參與分布式網(wǎng)絡(luò)化控制。

d.控制邏輯層。該層通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在上位機(jī)系統(tǒng)中構(gòu)建1個(gè)虛擬控制網(wǎng)絡(luò)，將分散的控制模塊集中管理，將虛擬控制網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)部分與控制器實(shí)體層形成映射關(guān)系，從下層獲取輸入信息，經(jīng)過上層處理之后，再參與下層的輸出控制。

e.控制器實(shí)體層。由帶有網(wǎng)絡(luò)通信模塊的標(biāo)準(zhǔn)控制器、常用PLC控制器、自定義控制器和條碼識(shí)別組件等組成，通過控制邏輯層的接口配置，即可接入系統(tǒng)中使用。用于從輸送線實(shí)體層讀取輸入并上傳給上位機(jī)，接收上位機(jī)下載的程序及控制參與，控制輸送實(shí)體層進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，完成任務(wù)。

f.輸送線實(shí)體層。由電動(dòng)滾筒、滾筒驅(qū)動(dòng)器和光電傳感器等部件構(gòu)成的輸送線實(shí)體，是滾筒輸送線系統(tǒng)的執(zhí)行層。

1.3 系統(tǒng)搭建流程

滾筒輸送線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)搭建流程如圖2所示。通常，在上位機(jī)軟件系統(tǒng)的模塊庫中包含了常用的控制器模塊、滾筒輸送線模塊等，用戶也可以將自定義模塊加入模塊庫中。因此，在方案設(shè)計(jì)時(shí)，只需要從模塊庫中添加需要的資源，對(duì)控制器模塊、滾筒輸送線模塊等進(jìn)行屬性設(shè)置，用拖拽及拼接的方式建立滾筒輸送線模塊之間的連接，構(gòu)建控制表?？刂票碜鳛榕渲梦募?，主要描述了控制器模塊與滾筒輸送線模塊之間的控制對(duì)應(yīng)關(guān)系。然后需要設(shè)計(jì)各控制器的梯形圖控制邏輯程序，對(duì)于模塊庫中的標(biāo)準(zhǔn)模塊，均有對(duì)應(yīng)的程序可直接選擇添加，而特色化的功能，用戶可以直接在本系統(tǒng)添加、編輯梯形圖，這樣就形成了輸送線系統(tǒng)初步方案，經(jīng)過仿真、對(duì)接評(píng)估和反饋調(diào)整等，最后確定最終方案，生成CAD圖、接線圖等文件。進(jìn)入現(xiàn)場施工階段，安裝滾筒輸送線并接線，采用交換機(jī)或路由器構(gòu)建局域網(wǎng)，連接各控制器模塊，從上位機(jī)下載對(duì)應(yīng)的梯形圖邏輯控制程序到各控制器模塊，進(jìn)行調(diào)試改進(jìn)，完成搭建。

圖2 滾筒輸送線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)搭建流程

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 滾筒輸送線模型建立

滾筒輸送線實(shí)體是由很多模塊連接而成，主要包括入料模塊、傳輸模塊、移載模塊、升降模塊和出料模塊等。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用面向?qū)ο蟮乃枷?，所有模塊有共同的屬性，如模塊類型、長度、寬度、包含滾筒數(shù)量、滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度和傳感器安裝位置等；各個(gè)模塊也有自己的屬性特征，如移載模塊有2個(gè)及以上的運(yùn)動(dòng)方向等。

模塊之間需要建立一定的連接關(guān)系，才能形成完整的輸送線，完成相應(yīng)的功能。本文采用有向圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來構(gòu)建輸送線復(fù)雜連接，用鄰接矩陣作為其儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式。假定輸送線有n個(gè)模塊，構(gòu)成圖G=(V,E)的n個(gè)頂點(diǎn)，即V={v0,v1,…,vn-1},則表示G中各頂點(diǎn)之間的關(guān)系用1個(gè)n×n的矩陣A，且矩陣的元素為：

A[i][j]等于1，表示模塊i和模塊j之間有連接，且連接方向?yàn)閺哪Ki指向模塊j；A[i][j]等于0，則表示模塊i和模塊j無任何方向的連接。

輸送線的圖形結(jié)構(gòu)及關(guān)系建立完成之后，進(jìn)行多次深度優(yōu)先遍歷，來確定從多入口到多出口的路徑，供上位機(jī)參與控制。如果從某入口到某出口的路徑有多條，則需要對(duì)輸送線方案進(jìn)行調(diào)整來保證路徑唯一，或者人為從檢索到的多條路徑中選擇1條作為最優(yōu)路徑，防止上位機(jī)遇到路徑?jīng)Q策障礙。

2.2 控制網(wǎng)絡(luò)建立

滾筒輸送線的網(wǎng)絡(luò)化采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)作為通信媒介[5]，1臺(tái)PC機(jī)作為主站，各個(gè)控制器作為從站，用交換機(jī)或路由器進(jìn)行連接[6]，形成控制網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)控制器從主站PC下載邏輯控制程序，獨(dú)自控制多段輸送線模塊；如果某控制器需要進(jìn)行路徑選擇，上位機(jī)作為總控，遠(yuǎn)程參與控制；當(dāng)在物料到達(dá)該控制段時(shí)，主站會(huì)預(yù)先告知該控制段的路徑選擇策略[7]?？刂凭W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中，通信協(xié)議作為各個(gè)主從機(jī)之間的信息交換約定，起著非常重要的作用。本文的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)是建立在TCP/IP協(xié)議層之上，充分利用TCP/IP協(xié)議棧的連接、校驗(yàn)和重傳等機(jī)制，較為方便地自定義應(yīng)用層的通信協(xié)議[8]。通信協(xié)議消息構(gòu)成如圖4所示，消息各字段說明如表1所示。

起始位字節(jié)長度設(shè)備目標(biāo)地址設(shè)備源地址功能碼數(shù)據(jù)區(qū)停止位

圖4 通信協(xié)議消息構(gòu)成

表1 通信協(xié)議消息字段說明

消息解析算法流程如圖5所示。用起始位、結(jié)束位和字節(jié)長度來拆分出一個(gè)完整的通信消息，用目標(biāo)地址來判斷消息是否屬于本設(shè)備，再根據(jù)功能碼來執(zhí)行相應(yīng)的操作。

圖5 通信協(xié)議消息解析流程

3 結(jié)束語

采用分層設(shè)計(jì)的思想重新建立了滾筒輸送線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的架構(gòu)，并明確了各層的功能，提高了系統(tǒng)的可復(fù)用性，方便擴(kuò)展；同時(shí)，又分析了系統(tǒng)搭建的流程，得出該方案可滿足實(shí)際需求。滾筒輸送線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，還涉及到很多細(xì)節(jié)。在此，首先建立了輸送線模塊實(shí)體模型，采用圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)模塊之間的關(guān)系，以鄰接矩陣作為存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，通過多次深度優(yōu)先遍歷得到多入口到多出口的路徑，作為上位機(jī)參與路徑選擇控制的依據(jù)。然后，明確了控制器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的具體方法，提出了各主從站之間的通信協(xié)議消息格式和消息解析的軟件實(shí)現(xiàn)流程。該設(shè)計(jì)方案可以快速靈活地搭建較為復(fù)雜的滾筒輸送線系統(tǒng)，具有很好的借鑒意義。

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