孫 驁，張振華，秦旭軍，趙德權(quán)，郎 猛，李 亮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

0 引言

近年，國(guó)內(nèi)工控市場(chǎng)規(guī)模巨大，市場(chǎng)長(zhǎng)期被美國(guó)、德國(guó)、日本公司占據(jù)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品市場(chǎng)份額較少。國(guó)外企業(yè)通過專有通信協(xié)議等限制，迫使使用方一旦使用國(guó)外主控類設(shè)備后，國(guó)內(nèi)的下游產(chǎn)品難以再與其配套。因此，打破工控類產(chǎn)品專用通信協(xié)議限制意義重大。

分布式智能傳輸控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng))通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC通信[1]，板載控制器接收PLC指令通過RS485接口以ModBus協(xié)議控制變頻器[2-3]，帶動(dòng)電機(jī)動(dòng)作達(dá)到控制電機(jī)的目的。此外，系統(tǒng)具備手動(dòng)控制、信息存儲(chǔ)、條碼掃描、參數(shù)配置、本地IP設(shè)置、位置信息檢測(cè)、狀態(tài)指示等輔助功能，其上游由PLC進(jìn)行集中管理，系統(tǒng)在下游實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的分布式控制。系統(tǒng)具有安裝成本低、施工時(shí)間短、便于維護(hù)及故障診斷、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于汽車組裝生產(chǎn)、物流分揀、自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)、食品藥品灌裝等生產(chǎn)線。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)國(guó)內(nèi)工業(yè)上應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜、功能多樣化的特點(diǎn)，系統(tǒng)在硬件上按照功能主要分為通信板、控制板、存儲(chǔ)板、面板，各個(gè)板卡具有獨(dú)立的功能，可通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行固件升級(jí)，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展及維護(hù)[4]。系統(tǒng)在外部通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC互聯(lián)，系統(tǒng)內(nèi)部各板卡通過CAN總線進(jìn)行互聯(lián)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

通訊板的要功能是與PLC進(jìn)行通訊，解析指令后提供給主控板或存儲(chǔ)板。主控板的主要功能是按照PLC指令訪問變頻器[5]，通過變頻器控制電機(jī)工作并獲取狀態(tài)參數(shù)。存儲(chǔ)板提供了SD卡存儲(chǔ)、條碼掃描等輔助功能。面板上有各類數(shù)字接口、按鍵以及指示燈，為系統(tǒng)提供了手動(dòng)控制的功能。

2 控制板

主控板作為整個(gè)系統(tǒng)的核心與其互連的外部設(shè)備很多，包括：通訊板、存儲(chǔ)板、面板、變頻器、接觸器等，主要功能框圖如圖2所示。主控板實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：接收PLC指令控制變頻器帶動(dòng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行、反饋電機(jī)狀態(tài)、接收配置參數(shù)、抱閘制動(dòng)檢測(cè)、斷路器狀態(tài)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)溫度并控制風(fēng)扇運(yùn)行等。

圖2 主控板框圖

根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需求、工作環(huán)境以及電子元器件歸一化原則，各板卡的控制器選用了工業(yè)設(shè)備上常用的ST公司的STM32F103芯片。該控制器功耗低、主頻高、I/O接口豐富，支持UART、SPI、CAN、SDIO、USB、FSMC、I2C等多種接口，部分GPIO可耐5 V，滿足不同外設(shè)對(duì)控制器的要求[6]。同時(shí)，選用了ADI公司的ADM811作為電源監(jiān)測(cè)芯片，該芯片應(yīng)用成熟、成本較低、封裝尺寸小。

由于系統(tǒng)內(nèi)部包含高壓部分和電動(dòng)機(jī)控制部分，電動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部造成很大的噪聲干擾，為了有效的防止噪聲對(duì)板級(jí)通訊的干擾，使用差分線的形式進(jìn)行通訊可以有效的降低噪聲對(duì)通訊的干擾[7]。

CAN總線基于差分形式傳輸，速率可達(dá)1 Mbps，可以有效的防止工業(yè)環(huán)境下的干擾，有效的保證傳輸?shù)恼_性，并且具有錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制，可以保證傳輸?shù)目煽啃?。本設(shè)計(jì)選用了TI公司的隔離型CAN接口芯片ISO1050，該芯片滿足ISO11898-2的要求，隔離電壓高、抗干擾能力強(qiáng)，具有串線、過壓和接地?fù)p耗保護(hù)功能，適用于工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品。各板卡通過CAN總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部互聯(lián)，均使用ISO1050作為CAN接口芯片。

在變頻器控制方面，主控板采用Modbus RTU主站模式訪問變頻器[8-9]，選擇RS485作為Modbus總線的電氣接口，可直接訪問和設(shè)置變頻器參數(shù)，從而控制電機(jī)的運(yùn)行及故障處理[10]。RS485接口芯片選用了ADI公司的ADM483E，該芯片具有±15 kV ESD保護(hù)、短路保護(hù)等功能，非常適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境使用。

3 通信板

系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC通信，通信板位于系統(tǒng)的最前端，是系統(tǒng)重要的組成部分之一，主要由通信模塊、控制器以及CAN總線接口組成，框圖如圖3所示。

圖3 通訊板框圖

從降低開發(fā)難度及成本的角度出發(fā)，本設(shè)計(jì)采用了現(xiàn)有成熟的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案，選用了AnyBus公司的ABCC B40作為通信模塊，將高性能實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合。B40模塊尺寸小、便于安裝，具有如下優(yōu)點(diǎn)：快速的數(shù)據(jù)傳輸能力，每個(gè)方向高達(dá)1500字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，1500字節(jié)的顯式報(bào)文；極低的過程數(shù)據(jù)延遲；基于事件的接口方式，實(shí)現(xiàn)在任意時(shí)刻簡(jiǎn)單訪問輸入和輸出數(shù)據(jù)；多種操作模式：串口模式、SPI模式、8位并口、16位并口、移位寄存器模式。

相比于串口模式、SPI模式，16位并口模式具有更高的通信速率，因此本設(shè)計(jì)中B40模塊采用了16位并口模式，控制器采用FSMC接口與模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、電磁干擾現(xiàn)象嚴(yán)重，為提高抗干擾能力，B40模塊的工業(yè)以太網(wǎng)側(cè)采用了氣體放電管、共模電感、TVS管等器件組成多級(jí)防護(hù)、濾波電路，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性。

4 存儲(chǔ)板

存儲(chǔ)板的主要功能是存儲(chǔ)系統(tǒng)的配置參數(shù)、運(yùn)行日志以及接收、解析、保存USB掃碼槍上傳的條碼信息。考慮到設(shè)備長(zhǎng)期工作時(shí)運(yùn)行日志以及條碼信息很多，系統(tǒng)選用了大容量SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，方便設(shè)備維護(hù)。此外，系統(tǒng)在初次安裝時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)安裝人員可使用計(jì)算機(jī)將配置信息寫入SD卡，上電后主控板通過CAN總線就可以獲取SD卡的配置信息，實(shí)現(xiàn)快速多設(shè)備組網(wǎng)，存儲(chǔ)板框圖如圖4所示。在新建工業(yè)產(chǎn)線時(shí)，可以極大地降低安裝難度，縮短施工工期。

圖4 存儲(chǔ)板框圖

存儲(chǔ)板的控制器STM32F103具有SDIO接口，可以直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)SD卡。由于SD卡在維護(hù)時(shí)有接觸人體的可能，存在產(chǎn)生靜電的風(fēng)險(xiǎn)，因此在SD卡的接口上增加了ESD保護(hù)電路，防止對(duì)內(nèi)部電路產(chǎn)生影響。

在快遞、貨運(yùn)、倉(cāng)儲(chǔ)等行業(yè)需要使用USB掃碼槍對(duì)貨物的條形碼進(jìn)行識(shí)別及存儲(chǔ)，因此存儲(chǔ)板增加了條碼掃描功能[11]。系統(tǒng)選用CH9350L作為USB接口芯片，STM32F103通過UART接口以中斷的方式接收CH9350L的數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)后控制器將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析然后存儲(chǔ)在SD卡。條碼掃描時(shí)，CH9350L作為USB主機(jī)接收作為HID子設(shè)備的USB掃碼槍數(shù)據(jù)，CH9350L的作用可以視為將USB接口轉(zhuǎn)接成了UART接口，減少了開發(fā)者對(duì)USB協(xié)議的研究時(shí)間[12]。

5 面板

本設(shè)計(jì)中面板分為兩部分：一塊接口面板帶有8路數(shù)字I/O量的輸入、4路數(shù)字I/O量的輸出以及2路工業(yè)以太網(wǎng)接口，數(shù)字I/O量主要用于各類傳感器的檢測(cè)。另一塊是薄膜面板，帶有按鍵以及狀態(tài)指示燈用于手動(dòng)控制，這在系統(tǒng)需要微調(diào)及維護(hù)時(shí)尤其重要。通過薄膜面板上的按鍵可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)、關(guān)閉等操作，同時(shí)主控板會(huì)控制相應(yīng)的指示燈狀態(tài)。

6 典型應(yīng)用及測(cè)試

該文以系統(tǒng)眾多應(yīng)用場(chǎng)景之一的物流分揀為例，闡述系統(tǒng)的應(yīng)用方法及主要作用。在該場(chǎng)景下，本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了貨物信息獲取、傳送帶控制以及貨物分揀等功能。貨物在裝配時(shí)貼有唯一的二維碼或條形碼，在裝配流水線最前端的操作員用系統(tǒng)的USB掃碼槍對(duì)貨物進(jìn)行條碼掃描獲取詳細(xì)信息，包括貨物名稱、地址、聯(lián)系方式等。系統(tǒng)會(huì)將這些信息存儲(chǔ)于本地的SD卡中，同時(shí)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)貨物信息進(jìn)行后續(xù)的流水線控制。獲取條碼后，系統(tǒng)通過控制電機(jī)帶動(dòng)傳送帶運(yùn)行，配合后續(xù)的自動(dòng)打包設(shè)備對(duì)貨物進(jìn)行裝箱操作。最后，上位機(jī)根據(jù)地址信息控制電機(jī)將貨物分配到不同省份的分支流水線上，實(shí)現(xiàn)分揀的目的。

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了連續(xù)72小時(shí)運(yùn)行測(cè)試，主要考核項(xiàng)包括：工業(yè)以太網(wǎng)通信、條碼掃描、SD卡存儲(chǔ)、I/O量檢測(cè)以及電機(jī)運(yùn)行。硬件測(cè)試平臺(tái)由本系統(tǒng)、傳送帶、上位機(jī)、光電式位置傳感器組成。

位置傳感器安裝在傳送帶的兩側(cè)，其輸出信號(hào)接在系統(tǒng)的I/O量接口上。測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)控制傳送帶工作，貨物在傳送帶上向一側(cè)運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)位置傳感器后系統(tǒng)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，測(cè)試人員對(duì)貨物進(jìn)行條碼掃描，貨物在兩個(gè)位置傳感器之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)。72小時(shí)的連續(xù)運(yùn)行后，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，工業(yè)以太網(wǎng)的通信、條形的掃描以及電機(jī)的運(yùn)行均正常無(wú)誤。

7 結(jié)束語(yǔ)

該文通過對(duì)分布式智能傳輸控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了將PLC的部分功能下放到分布式控制環(huán)境中的應(yīng)用，為國(guó)內(nèi)其他下游工控類產(chǎn)品與國(guó)外系統(tǒng)相兼容提供了具有實(shí)際意義的解決方案，并且針對(duì)物流分揀領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了連續(xù)運(yùn)行測(cè)試，證實(shí)了系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。