安樂新 盧武陽

摘 要：本文主要介紹了在無人庫區(qū)多跨環(huán)境通訊系統(tǒng)的研發(fā)。包括：通訊方式、通訊協(xié)議、硬件搭建。無人庫區(qū)多跨環(huán)境通訊系統(tǒng)的研發(fā)，綜合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾因素，設(shè)備選擇最佳安裝路徑，避免通訊時(shí)的干擾。制定合理的通訊方式，實(shí)現(xiàn)無人庫區(qū)在多跨環(huán)境下無人天車系統(tǒng)各設(shè)備間能夠穩(wěn)定有效的進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。

關(guān)鍵詞：無人庫區(qū);多跨環(huán)境;通訊系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.028

本文著錄格式：安樂新，盧武陽.無人庫區(qū)多跨環(huán)境通訊系統(tǒng)的研發(fā)[J].軟件，2021，42（02）：093-095

Research and Development of Multi Span Environment Communication System for Unmanned Reservoir Area

AN Lexin， LU Wuyang

（Tangshan Iron & Steel Group Will Automation Co.，Ltd.， Tangshan? Hebei? 063000）

【Abstract】：This paper mainly introduces the research and development of communication system in unmanned reservoir area. Including： communication mode， communication protocol， hardware construction. In the research and development of multi span environment communication system in unmanned reservoir area， the best installation path of equipment is selected to avoid the interference of communication. The reasonable communication mode should be established to realize the stable and effective real-time communication between the equipments of the unmanned crane system in the multi span environment.

【Key words】：unmanned reservoir area;multi span environment;communication system

0引言

目前，隨著無人天車技術(shù)的興起，無人庫區(qū)中大多利用無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。在無人庫區(qū)多跨環(huán)境下，跨間往往由鋼板、硬塑料等材料遮擋，在這種遮擋下會(huì)使無線信號(hào)受到屏蔽或者干擾，從而很難達(dá)到穩(wěn)定有效的通訊效果。各設(shè)備間因?yàn)闊o法正常地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換，導(dǎo)致無人庫區(qū)管理及天車控制功能上面臨癱瘓，嚴(yán)重影響了產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)奏和無人天車的運(yùn)行效率。因此，為了實(shí)現(xiàn)無人庫區(qū)在多跨環(huán)境下能夠穩(wěn)定、實(shí)時(shí)、有效地進(jìn)行通訊，必須針對(duì)受到干擾的因素，搭建合理的通訊方案，研發(fā)一種無人庫區(qū)多跨環(huán)境通訊系統(tǒng)。

1通訊方式

工業(yè)通訊方式主要包含：工業(yè)以太網(wǎng)、光纖、無線、Profibus_DP、RS485總線、RS422總線、RS232總線、CAN總線等。無人庫區(qū)多跨環(huán)境通訊系統(tǒng)采用以太網(wǎng)、光纖、無線、Profibus_DP、RS422等通訊方式。無人庫區(qū)各設(shè)備包含：無人天車PLC、過跨車PLC、地面站PLC、工程師站、操作站、車輛識(shí)別裝置等[1]。

無線目前主要采用2.4G和5G兩種頻段，5G頻段區(qū)別于生活中的5G網(wǎng)絡(luò)，它代表的是路由器發(fā)射信號(hào)的頻段。2.4G采用第四代網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，5G采用的是第五代網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，兩者各有利弊。5G頻段使用22個(gè)信道，2.4G僅僅使用了3個(gè)信道。因此，5G頻段在傳輸信號(hào)時(shí)不容易發(fā)生堵塞。5G頻段擁有更高的頻寬，相對(duì)于2.4G頻段，5G頻段干擾更小，傳輸速率更快。5G頻段相對(duì)2.4G頻段擁有更高頻率的同時(shí)，其波長相對(duì)較短。所以5G頻段穿過障礙物的能力相對(duì)弱，從而導(dǎo)致信號(hào)變?nèi)酢?/p>

在無人庫區(qū)多跨環(huán)境下，每一跨之間往往有塑料板、鋼板等材質(zhì)遮擋，這就導(dǎo)致如果信號(hào)過跨傳輸?shù)脑挄?huì)產(chǎn)生干擾，無人庫區(qū)無線通訊又需要較快的通訊效率及穩(wěn)定性。因此，通過綜合考慮，以圖1為例，該圖為無人庫區(qū)平面俯視圖。無人庫區(qū)包含三個(gè)天車跨，分別為1跨、2跨、3跨;每個(gè)跨包含兩部天車。在每一跨均安裝AP箱，分別為AP1、AP2、AP3。每臺(tái)天車車體上安裝無線客戶端，AP箱與無線客戶端之間通過無線方式進(jìn)行通訊，通訊頻段采用5G。這種規(guī)劃就能在多跨環(huán)境下避免跨間格擋的干擾，使得數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定。

無人天車一級(jí)與無人天車二級(jí)進(jìn)行接口通訊，無人天車二級(jí)生成工單需要發(fā)送給無人天車一級(jí)，一級(jí)根據(jù)天車的當(dāng)前狀態(tài)去執(zhí)行工單，期間會(huì)將天車的實(shí)際狀態(tài)反饋給二級(jí)。因此，無人天車一、二級(jí)間的通訊必須保證穩(wěn)定。如圖2所示，AP1、AP2、AP3通過以太網(wǎng)連接到AP2交換機(jī)，AP2再通過光纖與天車電氣室中的中心交換機(jī)通訊，中心交換機(jī)通過光纖與天車操作室中的操作臺(tái)交換機(jī)通訊。最后，天車一級(jí)工程師站、天車二級(jí)工程師站、天車服務(wù)器通過以太網(wǎng)連接到中心交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程訪問無人天車PLC和實(shí)現(xiàn)無人天車一、二級(jí)間的通訊。

無人天車二級(jí)庫區(qū)管理系統(tǒng)與工廠三級(jí)進(jìn)行接口通訊，工廠三級(jí)提供線上的生產(chǎn)計(jì)劃、線上下線產(chǎn)品的鋼卷跟蹤信息、鋼卷信息、成品庫中的發(fā)貨資源信息、發(fā)貨車輛資源信息等。工廠三級(jí)系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接到中心交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)無人天車二級(jí)庫區(qū)管理系統(tǒng)與工廠三級(jí)系統(tǒng)的通訊。

如圖2所示 ，地面站PLC安裝在天車電氣室中，通過以太網(wǎng)連接到中心交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)地面站PLC與無人天車一級(jí)、地面站PLC與無人天車二級(jí)的接口通訊。地面站PLC與無人天車一級(jí)通訊主要是實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)場(chǎng)安全門信號(hào)、操作臺(tái)急停信號(hào)實(shí)時(shí)傳送給無人天車PLC。例如在無人天車運(yùn)行時(shí)即將發(fā)生事故，操作員可以拍下操作臺(tái)上的急停按鈕，拍下后地面站PLC接收到急停信號(hào)并將信號(hào)傳送給對(duì)應(yīng)的無人天車PLC，無人天車PLC接收到急停信號(hào)后觸發(fā)系統(tǒng)軟急停，可以有效避免事故發(fā)生。地面PLC與天車二級(jí)通訊包括：地面站PLC向天車二級(jí)發(fā)送產(chǎn)線的設(shè)備狀態(tài)、鋼卷的規(guī)格、鋼卷位置等信號(hào);地面站PLC接收天車二級(jí)控制產(chǎn)線設(shè)備鎖定、解鎖命令以及起、放吊完成信號(hào)等[2]。

在無人庫區(qū)中，過跨車運(yùn)行為無人模式，用于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多跨間運(yùn)輸。過跨車控制箱安裝于過跨車本體，過跨車PLC柜安裝于地面，CPU設(shè)置于過跨車PLC柜。過跨車PLC柜與過跨車本體之間通過自研發(fā)的遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)DI/DO數(shù)據(jù)采集發(fā)送，保證過跨車自動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，位置信息準(zhǔn)確反饋。如圖1所示，過跨車PLC通過光纖連接到天車電氣室中的中心交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程訪問過跨車。

2通訊協(xié)議

目前，工業(yè)自動(dòng)化當(dāng)中常用的通訊協(xié)議由Profibus_、TCP/IP、UDP、OPC、RS-485、RS-422、西門子S7通訊協(xié)議等。

Profibus協(xié)議： Profibus協(xié)議不限于設(shè)備生產(chǎn)商，屬于一種國際化、標(biāo)準(zhǔn)化、開放式的一種協(xié)議，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制。其通訊速率可在9.6kB/S～12MB/S間選擇，速率選擇越高，對(duì)應(yīng)的傳輸距離越短，最大傳輸距離為1200米，最小傳輸距離為100米。無人天車PLC與傳動(dòng)變頻器通過Profibus_DP總線方式通訊，通訊協(xié)議采用Profibus協(xié)議。

TCP協(xié)議：工業(yè)以太網(wǎng)（IE），由ISO/OSI模型的第一層至第七層構(gòu)成，分別為：物理層、數(shù)據(jù)鏈接層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表達(dá)層、應(yīng)用層。TCP在第四層傳輸層，TCP為面向連接的通訊，發(fā)送方與接收方通信時(shí)，必須首先建立連接。TCP傳輸形式為數(shù)據(jù)流，沒有傳輸長度及信息幀的起始、結(jié)束信息。其利用滑動(dòng)窗口提供流量控制傳輸，告知對(duì)方它能夠接收數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。TCP適合中等到大量的數(shù)據(jù)，不高于32K字節(jié)。例如在西門子PLC中建立TCP通訊，通訊最大報(bào)文長度為1460字節(jié)。TCP傳輸數(shù)據(jù)前，雙方必須對(duì)通訊進(jìn)行初始化，并得到對(duì)方的認(rèn)可，期間經(jīng)過三次握手。無人庫區(qū)中，天車上的無線客戶端與無人天車PLC通訊，無線客戶端與AP通訊，無人天車一級(jí)與天車二級(jí)通訊、過跨車PLC與地面站PLC通訊、無人天車一級(jí)與地面站PLC通訊、車輛識(shí)別裝置與無人天車二級(jí)通訊等通訊協(xié)議均采用TCP。

RS422協(xié)議：RS422/RS485為非標(biāo)準(zhǔn)接口，一般為15針串行接口，每個(gè)設(shè)備的引腳均有定義。RS422為4線制，全雙工模式，不允許產(chǎn)生多個(gè)發(fā)送方，但是可以存在多個(gè)接收方。最大傳輸速率為10Mb/S，傳輸速率越高其傳輸距離越短，最大傳輸距離為1219米。無人天車上的夾鉗PLC與無人天車PLC通過一條雙膠屏蔽線連接，串行接口只需接4根線，必要時(shí)需要接上屏蔽線。無人天車PLC與夾鉗PLC通訊協(xié)議為RS422。

3硬件搭建

無人庫區(qū)多跨環(huán)境通訊系統(tǒng)硬件構(gòu)成包含：無人天車PLC、地面站PLC、過跨車PLC、車輛識(shí)別裝置、AP箱、無線客戶端、SCALANCE W734-1 RJ45模塊、SCALANCE

W774-1 RJ45模塊、天線裝置、計(jì)算機(jī)、AP2交換機(jī)、中心交換機(jī)、服務(wù)器等。無人天車PLC和地面站PLC中用于實(shí)現(xiàn)通訊的主要模塊包含：電源模塊、CPU、CP343-1等。

如圖1所示，無人庫區(qū)包含三個(gè)天車跨，分別為1跨、2跨、3跨。每個(gè)跨包含兩部天車，分別為1#天車、2#天車、3#天車、4#天車、5#天車、6#天車，天車PLC安裝在天車的電氣室中。每一個(gè)天車的車體上安裝無線客戶端，客戶端包含SCALANCE W734-1模塊及配套天線裝置，天線裝置一端連接到SCALANCE W734-1

模塊，另一端引出到無線客戶端外部較高位置;在天車平臺(tái)對(duì)應(yīng)每一跨的位置安裝3組AP箱，分別為AP1、AP2、AP3，每一個(gè)AP箱中均安裝SCALANCE W774-1模塊及配套天線裝置，天線裝置一端連接到SCALANCE W774-1模塊，另一端引出到AP箱外部較高位置，用于穩(wěn)定接收來自天車的無線信號(hào)。在AP2中安裝AP2交換機(jī)，AP1、AP2、AP3中的SCALANCE W774-1模塊通過以太網(wǎng)連接到AP2交換機(jī)。SRS1、SRS2、SRS3為三個(gè)車輛識(shí)別裝置，安裝在每一跨對(duì)應(yīng)的庫區(qū)地面。過跨車貫穿于三跨，用于滿足庫區(qū)鋼卷的過跨運(yùn)輸功能，過跨車PLC安裝在過跨車周邊位置。電氣室中安裝天車一級(jí)工程師站、天車二級(jí)工程師站、服務(wù)器、中心交換機(jī)和地面PLC等設(shè)備。操作電腦、操作臺(tái)交換機(jī)安裝在地面操作室，用于操作工在畫面上操作和觀看。

4結(jié)語

無人庫區(qū)多跨環(huán)境通訊系統(tǒng)研發(fā)，通過考慮現(xiàn)場(chǎng)干擾因素、比較各種通訊方式的利弊，從而在各設(shè)備間制定合理的通訊方式及通訊協(xié)議。加上現(xiàn)場(chǎng)通訊設(shè)備合理布置，最終能夠?qū)崿F(xiàn)無人庫區(qū)中各設(shè)備間能夠有效穩(wěn)定的進(jìn)行信息交互。

參考文獻(xiàn)

[1] 周志敏，紀(jì)愛華.西門子PLC通信網(wǎng)絡(luò)解決方案及工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2] 向曉漢.西門子PLC工業(yè)通信完全精通教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.