滚筒输送线网络化控制系统研究

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(南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016)

0 引言

滚筒输送线是由电动滚筒、光电传感器、控制器和条码识别模块等设备组成的传输系统，被广泛用于物品分拣、生产线连接和物流系统集成等方面[1]。

网络化控制系统是控制技术、计算机技术和网络通信技术共同发展的成果[2]，其将分散的现场设备连接成网络，使得底层控制分散化、硬件和软件模块化、信息管理集中化、控制系统智能化，增加了系统的灵活性和扩展性[3]。

目前，滚筒输送线控制系统大多采用PLC控制，上位机选取组态软件或自行开发的定制软件。PLC编程规模大、逻辑复杂、调试工作量大、扩展与修改不便，现场安装接线工作量大、成本高，组态软件昂贵且臃肿，定制系统开发难度高、适应性差。为此，可通过对系统架构重新设计，构建滚筒输送线的网络化控制系统，实现输送线控制系统的快速搭建，降低企业的生产成本。

在此，以滚筒输送线为对象，从需求分析、总体设计、模型建立、网络搭建和协议设计等方面展开详细讨论和设计，构建网络化控制系统。

1 输送线网络化控制系统总体方案

1.1 需求分析

滚筒输送线的需求向网络化控制、模块化配置和参数化设计等方向发展，具体分析如下：

a.滚筒输送线集成商在正式部署前，首先要与用户进行方案商定，目前大多采用CAD图纸形式作为交流媒介，制图烦琐、调整不便、交流不畅，往往会导致最终部署结果与用户实际需求有差异。需要一种仿真模拟的系统作为工具，提高方案的设计效率和准确性。

b.滚筒输送线的底层控制，目前多采用大规模PLC来实现，输送线每次进行调整，都要耗费较多的精力去修改逻辑程序，牵一发而动全身。通过分散化控制，降低逻辑程序规模，让模块具有可修改、可替换和可扩展的特性，是现代控制系统的发展方向。

c.滚筒输送线最终投入使用后，通常要专门开发1套上位机系统用作监控、信息交互等。如果可以将方案设计、逻辑控制设计和调试监控构成一个有机的整体，即前期用于仿真模拟方案的成果，经过逻辑控制的接口配置后，成为可调试、可运行监控的上位机系统，那么就可降低系统开发的难度、缩短部署周期。

综上，将网络化控制系统引入滚筒输送线，解决当前输送线系统中遇到的问题，是非常必要的。滚筒输送线网络化控制系统，将众多的传感器、控制器和执行器等部件通过网络相连接，相关的信号和数据通过网络进行传输和交换，将控制器模块化，完成从拖拽式输送线体的设计、控制逻辑配置到系统应用的一体化。

1.2 分层架构设计

根据滚筒输送线网络化控制系统的研制需求，采用分层架构设计的思想，每一层都专注于自己的功能，同时为上层提供服务，结构清晰，可复用性强[4]。滚筒输送线网络化控制系统的分层架构方案设计如图1所示。

图1 滚筒输送线网络化控制系统分层架构

a.企业管理层。指企业资源管理系统，负责总体的资源调配，给输送线系统发送存取任务单，同时从获取输送线系统的任务完成状况、运行状态、故障信息等。

b.界面功能层。该层的大部分功能是直接与用户进行交互，包括输送线的搭建、参数设定、动态仿真、梯形图控制程序编写、通信配置、任务接收、调试、监控和信息显示等功能。

c.任务管理层。管理任务单，将当前任务完成状况传递给界面功能层进行显示并告知企业管理系统。新物料进入输送线，经过条码识别模块，得到输出口信息，进行路径的规划和选择，参与分布式网络化控制。

d.控制逻辑层。该层通过网络通信技术在上位机系统中构建1个虚拟控制网络，将分散的控制模块集中管理，将虚拟控制网络的各个部分与控制器实体层形成映射关系，从下层获取输入信息，经过上层处理之后，再参与下层的输出控制。

e.控制器实体层。由带有网络通信模块的标准控制器、常用PLC控制器、自定义控制器和条码识别组件等组成，通过控制逻辑层的接口配置，即可接入系统中使用。用于从输送线实体层读取输入并上传给上位机，接收上位机下载的程序及控制参与，控制输送实体层进行相应的动作，完成任务。

f.输送线实体层。由电动滚筒、滚筒驱动器和光电传感器等部件构成的输送线实体，是滚筒输送线系统的执行层。

1.3 系统搭建流程

滚筒输送线网络化控制系统搭建流程如图2所示。通常，在上位机软件系统的模块库中包含了常用的控制器模块、滚筒输送线模块等，用户也可以将自定义模块加入模块库中。因此，在方案设计时，只需要从模块库中添加需要的资源，对控制器模块、滚筒输送线模块等进行属性设置，用拖拽及拼接的方式建立滚筒输送线模块之间的连接，构建控制表。控制表作为配置文件，主要描述了控制器模块与滚筒输送线模块之间的控制对应关系。然后需要设计各控制器的梯形图控制逻辑程序，对于模块库中的标准模块，均有对应的程序可直接选择添加，而特色化的功能，用户可以直接在本系统添加、编辑梯形图，这样就形成了输送线系统初步方案，经过仿真、对接评估和反馈调整等，最后确定最终方案，生成CAD图、接线图等文件。进入现场施工阶段，安装滚筒输送线并接线，采用交换机或路由器构建局域网，连接各控制器模块，从上位机下载对应的梯形图逻辑控制程序到各控制器模块，进行调试改进，完成搭建。

图2 滚筒输送线网络化控制系统搭建流程

2 控制系统方案设计

2.1 滚筒输送线模型建立

滚筒输送线实体是由很多模块连接而成，主要包括入料模块、传输模块、移载模块、升降模块和出料模块等。上位机软件设计时，采用面向对象的思想，所有模块有共同的属性，如模块类型、长度、宽度、包含滚筒数量、滚筒转动速度和传感器安装位置等；各个模块也有自己的属性特征，如移载模块有2个及以上的运动方向等。

模块之间需要建立一定的连接关系，才能形成完整的输送线，完成相应的功能。本文采用有向图的数据结构来构建输送线复杂连接，用邻接矩阵作为其储存结构的实现方式。假定输送线有n个模块，构成图G=(V,E)的n个顶点，即V={v0,v1,…,vn-1},则表示G中各顶点之间的关系用1个n×n的矩阵A，且矩阵的元素为：

A[i][j]等于1，表示模块i和模块j之间有连接，且连接方向为从模块i指向模块j；A[i][j]等于0，则表示模块i和模块j无任何方向的连接。

输送线的图形结构及关系建立完成之后，进行多次深度优先遍历，来确定从多入口到多出口的路径，供上位机参与控制。如果从某入口到某出口的路径有多条，则需要对输送线方案进行调整来保证路径唯一，或者人为从检索到的多条路径中选择1条作为最优路径，防止上位机遇到路径决策障碍。

2.2 控制网络建立

滚筒输送线的网络化采用标准以太网作为通信媒介[5]，1台PC机作为主站，各个控制器作为从站，用交换机或路由器进行连接[6]，形成控制网络。每个控制器从主站PC下载逻辑控制程序，独自控制多段输送线模块；如果某控制器需要进行路径选择，上位机作为总控，远程参与控制；当在物料到达该控制段时，主站会预先告知该控制段的路径选择策略[7]。控制网络结构如图3所示。

图3 控制网络结构

2.3 通信协议设计

网络化控制系统中，通信协议作为各个主从机之间的信息交换约定，起着非常重要的作用。本文的通信协议实现是建立在TCP/IP协议层之上，充分利用TCP/IP协议栈的连接、校验和重传等机制，较为方便地自定义应用层的通信协议[8]。通信协议消息构成如图4所示，消息各字段说明如表1所示。

起始位字节长度设备目标地址设备源地址功能码数据区停止位

图4 通信协议消息构成

表1 通信协议消息字段说明

消息解析算法流程如图5所示。用起始位、结束位和字节长度来拆分出一个完整的通信消息，用目标地址来判断消息是否属于本设备，再根据功能码来执行相应的操作。

图5 通信协议消息解析流程

3 结束语

采用分层设计的思想重新建立了滚筒输送线网络化控制系统的架构，并明确了各层的功能，提高了系统的可复用性，方便扩展；同时，又分析了系统搭建的流程，得出该方案可满足实际需求。滚筒输送线网络化控制系统的实现，还涉及到很多细节。在此，首先建立了输送线模块实体模型，采用图的数据结构来存储模块之间的关系，以邻接矩阵作为存储结构的实现方法，通过多次深度优先遍历得到多入口到多出口的路径，作为上位机参与路径选择控制的依据。然后，明确了控制器网络构建的具体方法，提出了各主从站之间的通信协议消息格式和消息解析的软件实现流程。该设计方案可以快速灵活地搭建较为复杂的滚筒输送线系统，具有很好的借鉴意义。

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[3] 邢江，关治洪.网络化控制系统的研究现状与展望[J].控制工程,2006,13(4):294-297.

[4] 魏衡华，方伟，张哲铭.网络化控制实验平台的构建[J].仪表技术,2010(9):45-48.

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[7] 张雁忠,喇孝东.SCADA 的系统结构与主站的设计[J].华北电力技术，2000(11):42-46.

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