基于DDLS508光學數(shù)據(jù)傳感器與PLC的空間光通信系統(tǒng)設計

曹紅星，胡豐懷，丁軍華

（上海航天精密機械研究所，上海 201600）

隨著工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展，航空航天等軍事領(lǐng)域內(nèi)對制造業(yè)車間物流系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡化及數(shù)字化提出更高要求[1]。傳統(tǒng)制造業(yè)車間物流系統(tǒng)采用無線WiFi 通信，能夠方便快捷地與不同設備進行數(shù)據(jù)交互，廣泛應用于智能化制造車間，但在航空航天等軍事領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)信息安全保密性要求極高，無線WiFi 通信應用特性存在很大的網(wǎng)絡安全問題，易受到黑客攻擊導致機密性文件泄露，嚴重制約軍事領(lǐng)域內(nèi)制造業(yè)車間物流系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡化及數(shù)字化發(fā)展[2-4]。

本文提出了一種基于DDLS508 光學數(shù)據(jù)傳感器與PLC 的空間光通信系統(tǒng)設計方法，充分應用空間光通信技術(shù)具有安全性好、傳輸速度快和信息容量大且采用的光學傳感器體積小、質(zhì)量輕及可靠性高等優(yōu)點，并通過光學數(shù)據(jù)傳感器搭建雙向空間光通信鏈路，能夠?qū)崿F(xiàn)車間物流系統(tǒng)設備之間信號高效、遠距離傳輸?shù)娜p工以太網(wǎng)空間光通信系統(tǒng)[5]。該方法以PLC 為核心控制器，通過對光學數(shù)據(jù)傳感器進行數(shù)據(jù)采集，將采集的設備狀態(tài)信息和需要發(fā)送的控制指令通過空間光通信完成數(shù)據(jù)交互，控制器的硬件網(wǎng)絡組態(tài)、光通信程序設計在西門子編程軟件博途TIA 中進行[6]。該系統(tǒng)設計合理，利用空間光通信點對點通信方式，其具有高保密、抗干擾性強及抗截獲能力強的優(yōu)勢，在軍事領(lǐng)域制造業(yè)物流系統(tǒng)中具有重大的戰(zhàn)略需求與應用價值[7]。

1 空間光通信概述

空間光通信又被稱為自由空間光通信或無線光通信（free space optical communication，F(xiàn)SOC），它是指利用激光光束作為載體來傳輸數(shù)據(jù)的一種通信方法，與傳統(tǒng)通信形式相同分為有線光通信和無線光通信，有線光通信采用以光導纖維作為傳輸介質(zhì)進行信息傳輸?shù)墓饫w通信，無線光通信不再使用光纖等介質(zhì)，而是直接利用激光在大氣或者真空中進行數(shù)據(jù)信息的高速雙向傳遞[8]?？臻g光通信作為新型寬帶技術(shù)，可以解決有線通信受限于場景、區(qū)域的問題，能夠更好滿足不同場合移動設備、現(xiàn)代網(wǎng)絡通信等設備的數(shù)據(jù)傳輸需求，與傳統(tǒng)微波通信技術(shù)相比，空間光通信具有高效性、便捷性、功耗低、通信容量大、體積小及保密性高等特點，可廣泛應用于不同領(lǐng)域[9]。

2 空間光通信系統(tǒng)設計

2.1 光通信鏈路結(jié)構(gòu)

該通信系統(tǒng)鏈路結(jié)構(gòu)主要由移動端、固定端光學數(shù)據(jù)傳感器2 個部分構(gòu)成。移動端光學傳感器通過網(wǎng)線連接到移動設備控制器用來完成數(shù)據(jù)上傳和下載功能，固定端光學傳感器通過網(wǎng)線連接到固定設備控制器進行設備之間數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能。該系統(tǒng)選用高帶寬紅色激光作為上下空間光通信鏈路結(jié)構(gòu)的發(fā)射光源來進行數(shù)據(jù)傳輸，相比以往LED調(diào)制帶寬具有高速、遠距離通信優(yōu)勢，光學傳感器采用對紅色激光光源響應速度快、靈敏度高的雪崩光電二極管（avalanche photodiode，APD）作為光通信系統(tǒng)光電探測器，并利用透鏡可以匯聚光線的特性在探測器前加裝透鏡來增加物流設備之間通信距離[10]。空間光通信鏈路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 空間光通信鏈路結(jié)構(gòu)Fig.1 Space optical communication link structure

2.2 光通信工作流程

隨著科技發(fā)展，某軍事武器領(lǐng)域生產(chǎn)制造逐漸從人工裝配、架車轉(zhuǎn)運方式朝著智能化、自動化生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，由此制造車間引進AGV、立體庫、裝配測量平臺等智能物流設備，設備之間采用光通信技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)無線WiFi 通信，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)軍工制造業(yè)車間產(chǎn)品自動化轉(zhuǎn)運、裝配，還可以有效解決軍事領(lǐng)域車間物流設備通信系統(tǒng)安全保密特殊要求。其中，移動端光學數(shù)據(jù)傳感器安裝在AGV 車身前端，固定端光學數(shù)據(jù)傳感器分別安裝在立體庫、裝配測量平臺與AGV 待命位置。車間物流系統(tǒng)光學數(shù)據(jù)傳感器布置示意如圖2 所示。

圖2 光學數(shù)據(jù)傳感器布置示意圖Fig.2 Optical data sensor layout diagram

調(diào)度系統(tǒng)通過以太網(wǎng)將任務指令發(fā)送至待命位置固定端光學傳感器，移動端與待命位置固定端傳感器之間進行任務數(shù)據(jù)交互后運行到立體庫工位點位置，并與立體庫固定端傳感器交換任務信息后攜帶產(chǎn)品運輸至艙段裝配測量平臺，移動端與平臺固定端光學傳感器完成任務信息交互后返回待命點位置任務結(jié)束。光學數(shù)據(jù)傳感器工作流程如圖3 所示。

圖3 光學數(shù)據(jù)傳感器工作流程Fig.3 Optical data sensor workflow chart

2.3 系統(tǒng)硬件選型

2.3.1 光學數(shù)據(jù)傳感器

近年來空間光通信技術(shù)快速發(fā)展，光學傳感器在生產(chǎn)制造業(yè)智能化、自動化及數(shù)字化發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，與其他類型傳感器相比光學數(shù)據(jù)傳感器抗干擾能力更強，更加穩(wěn)定可靠[11]。本系統(tǒng)設計方法采用成對DDLS508 光學數(shù)據(jù)傳感器組成物流控制信息空間傳輸系統(tǒng)，在AGV 車身前端安裝光學傳感器作為移動端，分別在立體庫、裝配測量平臺及AGV 待命位置安裝傳感器作為固定端，光學數(shù)據(jù)傳感器組成及安裝如圖4、圖5 所示。

圖4 光學數(shù)據(jù)傳感器組成Fig.4 Optical data sensor composition

圖5 傳感器安裝Fig.5 Sensor installation

光通信系統(tǒng)以TCP/IP 為基礎(chǔ)，通過紅外光透明傳輸以太網(wǎng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，無接觸、無磨損。系統(tǒng)工作過程移動端與固定端光學數(shù)據(jù)傳感器保持相對平行且2 臺傳感器之間視距不受阻擋并確保在最小通信距離位置。傳感器激光發(fā)射器有效開口角度小于等于1°，安裝時使用校準螺釘進行精密校準確保傳感器之間發(fā)送、接收光束落在張角范圍內(nèi)。為防止光學數(shù)據(jù)傳感器雙向數(shù)據(jù)傳輸期間相互干擾，移動端與固定端2 種傳感器采用不同頻率段，通過激光發(fā)射器發(fā)射波長為785 nm（頻率F3）與852 nm（頻率F4）的不可見激光，對應傳感器型號分別為DDLS 5XX xxx.3 YY 和DDLS 5XX xxx.4 YY[12-13]。光學數(shù)據(jù)在雙頻F3、F4 上傳輸如圖6 所示。

圖6 光學數(shù)據(jù)在雙頻F3、F4 上傳輸Fig.6 Optical data transmitted on dual-band F3 and F4

2.3.2 控制器

控制器選用西門子S7-1200 系列PLC，西門子PLC 是專門為制造業(yè)中小型自動化控制系統(tǒng)設計的可編程序邏輯控制器，具備硬件擴展性強、集成性好、設計緊湊、安全性高等優(yōu)點，廣泛應用于控制各種各樣的設備來滿足多個行業(yè)自動化控制需求[14]。車間艙段裝配測量平臺、立體庫、調(diào)度作業(yè)室等電氣控制柜內(nèi)的PLC 控制器與布置的光學數(shù)據(jù)傳感器作為光通信主站。AGV 移動設備上的PLC 控制器與布置的光學數(shù)據(jù)傳感器作為從站。光學數(shù)據(jù)傳感器替代原用無線WiFi 通信，通過西門子PLC 的S7通信GET 與PUT 指令塊從遠程設備CPU 讀取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫入遠程設備CPU 來解決軍工制造業(yè)車間移動設備與靜止設備之間數(shù)據(jù)通信的安全保密需求。

2.3.3 觸摸屏

觸摸屏主要功能是數(shù)據(jù)可視化顯示與輸入控制指令，能夠很好地滿足顯示、控制需求，并以圖形動畫方式動態(tài)展現(xiàn)設備作業(yè)過程及光通信時設備之間數(shù)據(jù)交互過程參數(shù)數(shù)值的變化，可替代開關(guān)、指示燈等元器件實現(xiàn)人機交互。為滿足PLC 與觸摸屏具有更好兼容性及可操作性，裝配測量平臺、立體庫及AGV 等設備選用西門子觸摸屏作為人機交互界面，其具有豐富組件、多樣化界面設計優(yōu)點，可靈活組態(tài)模擬多種控制對象進行數(shù)據(jù)監(jiān)控。

2.4 光通信程序設計

光通信程序設計通過博途TIA 軟件采用梯形圖編程方法對移動端與固定端光學傳感器的數(shù)據(jù)采集功能進行編程設計。該軟件具有強大的自動化編程功能，用于西門子可編程邏輯控制器的編程、調(diào)試、監(jiān)控與仿真診斷，支持多種通訊協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)自動化不同設備、傳感器之間數(shù)據(jù)交互與通訊且同時兼容觸摸屏畫面組態(tài)設計功能，具有便捷、直觀、易操作等優(yōu)點[15]。

光通信程序設計主要包括裝配測量平臺、立體庫等固定端控制器通過光學傳感器從移動端設備控制器讀取數(shù)據(jù)、向移動端設備控制器寫入數(shù)據(jù)，其中裝配測量平臺固定端光通信程序段設計如下：

（1）從移動端設備控制器讀取數(shù)據(jù)：該子程序用于固定端設備PLC 作為主站通過光傳感器讀取移動端設備控制器數(shù)據(jù)。通信中需要設置移動端、固定端控制器IP 地址、連接ID、接口等參數(shù)。S7-1200 CPU 的PROFINET 通信口支持S7 通信協(xié)議及服務，程序中調(diào)用GET 指令塊通過固定端控制器指針地址P#DB101.DBX0.0 BYTE 5 讀取移動端控制器指針地址為P#DB20.DBX0.0 BYTE 5 的通信數(shù)據(jù)。

（2）向移動端設備控制器寫入數(shù)據(jù)：該子程序用于固定端設備PLC 作為主站通過光學數(shù)據(jù)傳感器寫入移動端設備控制器數(shù)據(jù)。硬件參數(shù)設置與從移動端讀取數(shù)據(jù)時相同，程序中調(diào)用PUT 指令塊通過固定端控制器指針地址P#DB101.DBX6.0 BYTE 11 寫入移動端控制器指針地址為P#DB19.DBX6.0 BYTE 11 的通信數(shù)據(jù)。立體庫等其他設備固定端光通信程序設計與裝配測量平臺方法相同，光通信子程序段程序設計如圖7 所示，指令塊參數(shù)配置如圖8 所示。

圖7 光通信PLC 程序設計Fig.7 Optical communication PLC program design

圖8 指令塊參數(shù)配置Fig.8 Instruction block parameter configuration

2.5 觸摸屏畫面設計

觸摸屏光通信數(shù)據(jù)可視化畫面通過博途軟件進行組態(tài)設計，設計流程一般包括HMI 組態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)設置、變量表建立、畫面動態(tài)設計、編譯調(diào)試及下載監(jiān)控畫面等，除了設備自身功能畫面設計外，還具有移動端與固定端設備光通信數(shù)據(jù)交互過程中邏輯狀態(tài)信號的顯示，用于不同設備之間光通信系統(tǒng)邏輯交互時數(shù)據(jù)信號動態(tài)監(jiān)控。

3 光通信試驗結(jié)果分析

光通信系統(tǒng)程序與觸摸屏信號監(jiān)控畫面設計、調(diào)試完成后，通過以AGV 移動端和艙段裝配測量平臺固定端之間光學數(shù)據(jù)傳感器為試驗對象進行數(shù)據(jù)交互采集試驗對該通信系統(tǒng)功能進行驗證。

裝配測量平臺主站與AGV 移動設備從站光通信數(shù)據(jù)交互試驗變量監(jiān)視值如圖9、圖10 所示。移動設備運輸舵機艙至平臺工位后固定端與移動端光學傳感器進行數(shù)據(jù)交互，首先確定設備之間自動狀態(tài)、光傳感器信號正常，由移動端光傳感器發(fā)送物料類型、任務類型和模式選擇的信息后再發(fā)送AGV 到達平臺位置、請求輸送艙段邏輯信號，平臺接收到請求信號并自檢設備狀態(tài)正常允許移動設備開始輸送艙段，當移動設備輸送艙段完成后發(fā)出退出工位請求信號，平臺檢測到輸送完成信號允許其退出工位，移動設備退出平臺工位完成放貨任務。

圖9 AGV 移動設備從站數(shù)據(jù)交互監(jiān)視值Fig.9 AGV mobile device slave station data interaction monitoring values

圖10 裝配測量平臺主站數(shù)據(jù)交互監(jiān)視值Fig.10 Assemble measurement platform master station data interactive monitoring value

通過PLC 變量數(shù)據(jù)監(jiān)控能夠看到光通信工作時信號觸發(fā)的邏輯狀態(tài)變化，同時結(jié)合觸摸屏數(shù)據(jù)信號監(jiān)控畫面可以直觀查看設備之間數(shù)據(jù)交互的動態(tài)過程，便于工作人員進行遠程監(jiān)控和故障診斷。光通信數(shù)據(jù)信號監(jiān)控畫面如圖11 所示。

圖11 光通信數(shù)據(jù)信號監(jiān)控畫面Fig.11 Optical communication data signal monitoring screen

4 結(jié)語

本文采用DDLS508 光學數(shù)據(jù)傳感器與PLC 程序編程設計的方法成功實現(xiàn)物流系統(tǒng)設備之間的全雙工以太網(wǎng)空間光通信，并以AGV 移動端與艙段裝配測量平臺固定端之間光學數(shù)據(jù)傳感器為試驗對象，進行光數(shù)據(jù)交互采集試驗與觸摸屏信號動態(tài)仿真試驗，對該通信系統(tǒng)功能進行仿真驗證，試驗表明該系統(tǒng)設計合理、操作簡單、可靠性高，利用空間光通信點對點通信方式，具有高保密、抗干擾性強及抗截獲能力強的優(yōu)勢，在軍事領(lǐng)域制造業(yè)物流系統(tǒng)中具有較高推廣應用價值。