一种新式自动称量配料系统的无线控制网络方案介绍
2014-10-11沈克涛
摘要：借助于SCALANCE W无线移动通讯技术和Profinet工业以太网技术强大的兼容性与可靠性，称量配料控制系统的核心PLC与上位机、AGV无线运输车、机械手系统、称量给料系统、无线AP、无线称重仪表等30多个网络节点实现稳定的、高速的、可靠的数据交换，大大提高了整个控制系统运行的效率与可靠性，在设备布线方面也为客户提供了更为经济的选择方案。
关键词：上位机；AGV无线运输车；机械手系统；称量给料系统；无线AP；无线称重仪表
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）31-0012-03
传统的自动称量配料系统目前已经大规模应用于橡胶化工行业、食品行业、建筑材料制造行业等。借助于现代高科技公司的现场网络总线技术，如西门子的Profibus-DP、三菱的CC-link、罗克韦尔公司的ControlNet和DeviceNet等，均已经实现了高效可靠的网络控制方案的应用，大大提高了自动称量配料系统的运行效率和称量精确性。
1 自动称量配料系统结构介绍
自动称量配料系统通常由四大系统组成：
1.1 储存物料的罐体
主要是数量不等的4～20立方米大小不同的铁质罐体，用于储存即将称量的物料，如粉料、颗粒、油料等。
1.2 称量给料机构
主要包含螺旋给料称量机构、震动给料称量机构、皮带称量给料机构、气动截止阀等。根据不同工位罐体所存物料特性分别配置不同的称量给料机构。
1.3 料仓输送线
一般是工业电机驱动的链条输送线或者轨道输送带结构。实现称量料罐的输送驱动、停止定位的机构，主要实现称量罐体在各个不同储存罐体称量给料机构工位的转移和定位。所有的称量料罐按先后顺序经由输送线输送至各个不同储存料罐工位经由称量给料机构实现称量配料。
1.4 上下线系统
主要是机械手系统或者人工搬运系统。用于实现称量料罐在料仓输送线的上线、下线的搬运，是整个自动称量配料系统的产品生产线的入口和出口。
这四大系统通过现场网络总线与控制系统的核心PLC连接，根据控制系统PLC的配方指令实现同时大批量输送不同称量料罐至不同存储料罐下，再以称量给料机构实现不同物料的定量的和精确的称量配料，这样就实现了大批量配方类罐装产品的称量配料生产。
2 无线式自动称量配料系统结构介绍
无线式自动称量配料系统是最近几年随着无线WLAN技术的发展而创新研究的一种新式自动称量配料系统，它与传统自动称量配料系统的结构特点相比，具有生产效率高、操作简便、输送线可靠性高、设备易维护等
优点。
无线式自动称量配料系统与传统自动称量配料系统的结构在储存物料的罐体和称量给料机构基本上都是一致的。两者的差异主要表现在输送线结构的不同。无线式自动称量配料系统的输送线为单个装载蓄电池供电驱动的无线输送车辆，简称AGV无线运输车。
无线式自动称量配料系统的工作流程：在控制系统的PLC下达配方指令后，各个AGV无线运输车在机械手系统的帮助下实现称量料罐上线任务后，通过无线通讯技术与控制系统PLC相连接，在控制系统的调度下车载各个称量料罐至各个目标储存罐工位称量配料，各个目标储存罐的称量任务完成后AGV无线运输车自动抵达机械手下线工位，由机械手系统将称好物料的称量料罐
搬运下线。整个称量配料过程结束。
3 无线自动称量配料系统控制网络方案介绍
前面介绍的传统自动称量配料系统大规模应用的控制网络：西门子的Profibus-DP、三菱的CC-link、罗克韦尔公司的ControlNet和DeviceNet等总线通讯技术，在与控制系统核心PLC通讯时，需要借助通讯电缆、驱动供电电缆等物理连接介质来实现。而无线式自动称量配料系统的输送线为AGV无线运输车，单个AGV无线运输车实现车载蓄电池自我供电。但是AGV无线运输车上的无线称量系统却无法通过物理介质与控制系统PLC相连接。否则AGV无线运输车在物理电缆的束缚下活动输送范围将大受影响，在车辆行进中，拖曳的电缆随着使用时间推移也会造成不可逆转的磨损乃至损坏。这就要求我们寻求一种无线通讯网络方案，将AGV无线运输车辆的称量数据可靠而迅速地无线传至控制系统PLC。而控制系统又能够畅通无误地发送相应指令至各个AGV运输车辆，调度其执行输送运行任务。
经过多方比较，我们论证并推出和应用了如下图的无线控制网络方案：
如图2所示，称量配料的各个子系统均通过Profinet工业以太网与以太网交换机相连接，称量配料PLC通过它与各个子系统实现高速的可靠的数据交互。AGV运输车上的称重仪表则通过IWLAN/PB无线通讯终端与无线AP实现无线数据通讯交互，实现称重仪表与称量配料PLC的数据传输交互。
3.1 西门子Profinet网络介绍
西门子的Profinet网络功能强大，具有很强的兼容性，不但能够支持CPU与CPU之间的系统级网络通讯，也能够支持CPU与众多现场级设备的通讯，尤其还是能够与第三方支持Profinet通讯协议的设备通讯。在与SCALANCE W无线网络通讯技术的无线通讯设备配合下，可以实现CPU与子系统的高速的可靠的无线数据交互。Profinet网络协议支持以下三种以太网通讯方式：
3.1.1 TCP/IP标准通讯：Profinet基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准。这个标准是IT领域关于通信协议方面通用的标准，其响应时间大概在100ms以内，对于工厂控制级层的实时性相应要求不高的普通生产设备和应用环境来说基本上能够满足。
3.1.2 实时（RT）通讯：这种通讯协议是Profinet提供的一个优化过的、基于以太网第二层（Layer2）的实时通讯通道，通过该实时通道，极大地减少了数据在通讯栈中的处理时间，相应时间大约5～10ms。这层协议标准能够满足比较对系统相应时间要求比较严格的工业设备。而一般现代工业通讯标准认为响应时间50ms以内就可以认为满足近乎“实时”的标准，因此，Profinet获得了等同，甚至超过传统现场总线系统的实时性能，满足了一般的称量给料系统响应时间少于100ms以内的需求。因此自动称量配料控制网络方案可以采用Profinet的实时通讯技术协议。
3.1.3 同步实时（IRT）通讯：这是Profinet的同步实时（Isochronous Real-Time，IRT）技术协议标准，它可以满足运动控制的高速通讯需求，在使用此协议标准时，结合下文的西门子SCALANCE W无线通讯应用时，无线通讯连接点最多不能超过4个，而自动称量配料系统的AGV运输车辆节点在同一时间段内可多达10个，因此自动称量配料控制网络方案不适合采取Profinet的同步实时通讯技术协议。
3.2 西门子SCALANCE W无线通讯技术介绍
SCALANCE W通讯技术同时遵循现有的4种国际通行的无线以太网标准，具有很好的兼容性。兼容的标准有802.11a、802.11b、802.11g、802.11h。可以使用2.4G和5G两个免授权射频频段。SCALANCE W移动通讯解决方案的组成可以分为三个子部分：
3.2.1 无线接入点设备：无线接入点设备用来辐射一个无线信号区域用于移动的无线客户端接入，它就像一个无线的基站一样。在物理连接上它像红外线一样是无线连接的，但要比红外射线在做数据传输上有更好的表现，它对有些障碍物具有一定的穿透性，在一个规则的物理空间内具有很好的反射效果，这样可以实现非直视数据传输，可靠性可以在一定程度上得以提高。
通常的无线接入点当面对多个无线客户端通讯时处于一种通讯资源被竞争利用的角色，这样系统就无法保证每个客户端通讯的确定性和实时性。SCALANCE W700系列接入点独有的iPCF功能可以保证每个接入客户端有固定的通讯资源用于数据传输，从而保证通讯数据的确定性和实时性得以实现，这样就能保证其可以满足于自动称量配料系统对网络响应要求较高的需求。
3.2.2 天馈线系统：顾名思义，无线通讯设备需要无线接入点设备与客户端设备都配备有良好的发送天线
和接受天线。它是无线电波传输的必需的直接物理介质。
3.2.3 客户端设备：用来安装在移动的AGV运输车辆上将移动的控制器接入到无线接入点覆盖的无线网络中，达到移动设备通讯联网的目的。SCALANCE W系列客户端产品有两种，一种是将以太网接口的控制设备接入到无线以太网的模块；另一种是将标准的Profibus-DP从站设备接入到无线以太网的模块，即IWLAN/PB模块，这个模块本身作为一个DP主站与DP从站以主从方式通讯，同时与上位系统以Profinet I/O方式通讯。无线式自动称量配料系统的AGV运输车辆上的Profibus接口的无线称重仪表就是通过WLAN/PB模块来实现与无线接入点设备即无线AP的通讯，借此将AGV车辆上称量料罐的重量无线传送至称量配料PLC。
在本例称量配料PLC控制系统中包含众多现场网络总线类型的设备，西门子Profinet通讯技术和SCALANCE W无线通讯技术相配合所实现的强大的兼容性与可扩展性得到了充分的体现。其中称量给料机构与无线称重仪表在称量给料过程中要求近乎“实时”的动作响应性，否则不能保证称量过程的效率与系统称量精确性的要求。根据实验测试自动称量配料系统的系统响应延迟需在100ms以内才能满足工艺指标需求，图例中的无线式自动称量配料控制网络的架构中，称量配料PLC通过Profinet与SCALANCE W无线通讯技术相配合实现了与图中所有各个子系统设备进行实时的、高速的、可靠的数据交换。充分保证了整个称量配料控制系统稳定可靠的运行。
参考文献
[1] SCALANCE工业无线移动通讯产品样本[S].
[2] 西门子工业无线移动通讯[S].
[3] 西门子Profinet概述[S].
作者简介：沈克涛（1982-），男，青岛科技大学自动化与电子工程学院在职研究生，自动化工程师，研究方向：西门子大型控制系统方案制作及程序开发、控制调试。
3.1.3 同步实时（IRT）通讯：这是Profinet的同步实时（Isochronous Real-Time，IRT）技术协议标准，它可以满足运动控制的高速通讯需求，在使用此协议标准时，结合下文的西门子SCALANCE W无线通讯应用时，无线通讯连接点最多不能超过4个，而自动称量配料系统的AGV运输车辆节点在同一时间段内可多达10个，因此自动称量配料控制网络方案不适合采取Profinet的同步实时通讯技术协议。
3.2 西门子SCALANCE W无线通讯技术介绍
SCALANCE W通讯技术同时遵循现有的4种国际通行的无线以太网标准，具有很好的兼容性。兼容的标准有802.11a、802.11b、802.11g、802.11h。可以使用2.4G和5G两个免授权射频频段。SCALANCE W移动通讯解决方案的组成可以分为三个子部分：
3.2.1 无线接入点设备：无线接入点设备用来辐射一个无线信号区域用于移动的无线客户端接入，它就像一个无线的基站一样。在物理连接上它像红外线一样是无线连接的，但要比红外射线在做数据传输上有更好的表现，它对有些障碍物具有一定的穿透性，在一个规则的物理空间内具有很好的反射效果，这样可以实现非直视数据传输，可靠性可以在一定程度上得以提高。
通常的无线接入点当面对多个无线客户端通讯时处于一种通讯资源被竞争利用的角色，这样系统就无法保证每个客户端通讯的确定性和实时性。SCALANCE W700系列接入点独有的iPCF功能可以保证每个接入客户端有固定的通讯资源用于数据传输，从而保证通讯数据的确定性和实时性得以实现，这样就能保证其可以满足于自动称量配料系统对网络响应要求较高的需求。
3.2.2 天馈线系统：顾名思义，无线通讯设备需要无线接入点设备与客户端设备都配备有良好的发送天线
和接受天线。它是无线电波传输的必需的直接物理介质。
3.2.3 客户端设备：用来安装在移动的AGV运输车辆上将移动的控制器接入到无线接入点覆盖的无线网络中，达到移动设备通讯联网的目的。SCALANCE W系列客户端产品有两种，一种是将以太网接口的控制设备接入到无线以太网的模块；另一种是将标准的Profibus-DP从站设备接入到无线以太网的模块，即IWLAN/PB模块，这个模块本身作为一个DP主站与DP从站以主从方式通讯，同时与上位系统以Profinet I/O方式通讯。无线式自动称量配料系统的AGV运输车辆上的Profibus接口的无线称重仪表就是通过WLAN/PB模块来实现与无线接入点设备即无线AP的通讯，借此将AGV车辆上称量料罐的重量无线传送至称量配料PLC。
在本例称量配料PLC控制系统中包含众多现场网络总线类型的设备，西门子Profinet通讯技术和SCALANCE W无线通讯技术相配合所实现的强大的兼容性与可扩展性得到了充分的体现。其中称量给料机构与无线称重仪表在称量给料过程中要求近乎“实时”的动作响应性，否则不能保证称量过程的效率与系统称量精确性的要求。根据实验测试自动称量配料系统的系统响应延迟需在100ms以内才能满足工艺指标需求，图例中的无线式自动称量配料控制网络的架构中，称量配料PLC通过Profinet与SCALANCE W无线通讯技术相配合实现了与图中所有各个子系统设备进行实时的、高速的、可靠的数据交换。充分保证了整个称量配料控制系统稳定可靠的运行。
参考文献
[1] SCALANCE工业无线移动通讯产品样本[S].
[2] 西门子工业无线移动通讯[S].
[3] 西门子Profinet概述[S].
作者简介：沈克涛（1982-），男，青岛科技大学自动化与电子工程学院在职研究生，自动化工程师，研究方向：西门子大型控制系统方案制作及程序开发、控制调试。
3.1.3 同步实时（IRT）通讯：这是Profinet的同步实时（Isochronous Real-Time，IRT）技术协议标准，它可以满足运动控制的高速通讯需求，在使用此协议标准时，结合下文的西门子SCALANCE W无线通讯应用时，无线通讯连接点最多不能超过4个，而自动称量配料系统的AGV运输车辆节点在同一时间段内可多达10个，因此自动称量配料控制网络方案不适合采取Profinet的同步实时通讯技术协议。
3.2 西门子SCALANCE W无线通讯技术介绍
SCALANCE W通讯技术同时遵循现有的4种国际通行的无线以太网标准，具有很好的兼容性。兼容的标准有802.11a、802.11b、802.11g、802.11h。可以使用2.4G和5G两个免授权射频频段。SCALANCE W移动通讯解决方案的组成可以分为三个子部分：
3.2.1 无线接入点设备：无线接入点设备用来辐射一个无线信号区域用于移动的无线客户端接入，它就像一个无线的基站一样。在物理连接上它像红外线一样是无线连接的，但要比红外射线在做数据传输上有更好的表现，它对有些障碍物具有一定的穿透性，在一个规则的物理空间内具有很好的反射效果，这样可以实现非直视数据传输，可靠性可以在一定程度上得以提高。
通常的无线接入点当面对多个无线客户端通讯时处于一种通讯资源被竞争利用的角色，这样系统就无法保证每个客户端通讯的确定性和实时性。SCALANCE W700系列接入点独有的iPCF功能可以保证每个接入客户端有固定的通讯资源用于数据传输，从而保证通讯数据的确定性和实时性得以实现，这样就能保证其可以满足于自动称量配料系统对网络响应要求较高的需求。
3.2.2 天馈线系统：顾名思义，无线通讯设备需要无线接入点设备与客户端设备都配备有良好的发送天线
和接受天线。它是无线电波传输的必需的直接物理介质。
3.2.3 客户端设备：用来安装在移动的AGV运输车辆上将移动的控制器接入到无线接入点覆盖的无线网络中，达到移动设备通讯联网的目的。SCALANCE W系列客户端产品有两种，一种是将以太网接口的控制设备接入到无线以太网的模块；另一种是将标准的Profibus-DP从站设备接入到无线以太网的模块，即IWLAN/PB模块，这个模块本身作为一个DP主站与DP从站以主从方式通讯，同时与上位系统以Profinet I/O方式通讯。无线式自动称量配料系统的AGV运输车辆上的Profibus接口的无线称重仪表就是通过WLAN/PB模块来实现与无线接入点设备即无线AP的通讯，借此将AGV车辆上称量料罐的重量无线传送至称量配料PLC。
在本例称量配料PLC控制系统中包含众多现场网络总线类型的设备，西门子Profinet通讯技术和SCALANCE W无线通讯技术相配合所实现的强大的兼容性与可扩展性得到了充分的体现。其中称量给料机构与无线称重仪表在称量给料过程中要求近乎“实时”的动作响应性，否则不能保证称量过程的效率与系统称量精确性的要求。根据实验测试自动称量配料系统的系统响应延迟需在100ms以内才能满足工艺指标需求，图例中的无线式自动称量配料控制网络的架构中，称量配料PLC通过Profinet与SCALANCE W无线通讯技术相配合实现了与图中所有各个子系统设备进行实时的、高速的、可靠的数据交换。充分保证了整个称量配料控制系统稳定可靠的运行。
参考文献
[1] SCALANCE工业无线移动通讯产品样本[S].
[2] 西门子工业无线移动通讯[S].
[3] 西门子Profinet概述[S].
作者简介：沈克涛（1982-），男，青岛科技大学自动化与电子工程学院在职研究生，自动化工程师，研究方向：西门子大型控制系统方案制作及程序开发、控制调试。
