交叉带分拣机控制层通信系统设计与应用

李通 韩建萍 安富荣 马延贵

【摘 要】 交叉带分拣系统中，主控制器与小车滚筒驱动器之间通信有效性和可靠性是整个控制系统的关键。本文在分析现有通信方式的基础上，采用了2.4GHz射频通信与单片机分组中转控制并采用RS485总线通信的模式，给出了该通信模式下小车容量和格口容量的计算方法。项目组试制了硬件电路并编写了控制程序，经测试可达每5ms发送一组控制信息，有效辐射半径60m，适合小车数量不超过470辆的中小型交叉带分拣机。

【关键词】 自动分拣;射频通信;单片机;小车容量;格口容量

【中图分类号】 TN919.3， TN923 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）06-0096-04

近年來，电子商务和物流快递行业的快速发展，使传统的人工分拣方式被自动分拣系统快速取代，并且与自动物流存储仓库、自动物流出入库管理系统成为当代物流科技发展的三大标志。目前，交叉带式分拣机已成我国分拣机的主要机型。交叉带式分拣机示意图如图1所示。

按照典型的工厂自动化三级网络结构划分，交叉带分拣机主控系统可划分为车间信息层、控制层和现场层。其中，控制层主要包括主控系统、小车控制系统和上包控制系统，主要功能是控制分拣机环形圈的起停及恒速运行，完成上件和落件的控制，向车间信息层传递相关诊断信息，与车间信息层进行相关分拣数据的交互，对现场层的数据进行采集和处理，并给出相应的输出。在由主控系统、小车控制系统和上包控制系统组成的通信网络中，主控制器与小车滚筒驱动器之间的通信方式直接影响着分拣机的分拣速度和分拣效率。

现阶段主控制器与小车滚筒驱动器之间的通信方式有基于导轨的Profibus-DP通信方式、漏波电缆通信方式和红外通信方式。方式一需要在轨道内安装特制的导电轨道，方式二要需在轨道内铺设漏波电缆，此两种方式均使设备复杂，不便扩容。方式三是在每个小车上安装红外接收管，此方式的弊端是故障率高，维护不便。基于现状，本文采用了基于2.4GHz射频通信与单片机分组中转控制并采用RS485总线通信的通信模式。该模式能够满足实时通信的要求，并且简化了设备，节省了成本。

1交叉带分拣机小车容量及格口数量的计算

交叉带分拣机小车容量与场地大小和射频通信有效辐射半径有关。格口容量一般与包裹需要分拣的种类数量有关，本文中的格口数量主要是从分拣效率的角度考虑，是指交叉带分拣机可同时分拣的最大数量。

1.1小车容量计算

众所周知，射频通信的有效辐射范围是指以信源为中心、有效辐射距离为半径的区域。因此，区域的大小直接关系到交叉带分拣机可容纳小车的数量。假设分拣机安装场地不受限制，该无线通信系统的有效辐射距离为R，交叉带小车宽度为D，小车间隙为d，则交叉带分拣机可容纳小车的最大数量N为：

1.2格口容量计算

格口容量M是指交叉带分拣机可同时分拣的最大数量。在交叉带分拣机的M个小车上的M件包裹，它与分拣机的环线运行速度、命令发送的最小时间间隔和格口宽度有关。因为交叉带分拣系统的通信原理是当载有货物的小车快到达卸货格口时，主控PLC发送该小车的卸货命令，因此，命令必须在规定的时间内下发才可以落入规定的格口，否则分拣就会出错;如果命令未能及时下发，只能等待载有货物的小车在下一圈到达格口分拣，则会降低分拣效率。

假设无线通信系统的通信速率为B，bit/s，控制小车的字节数为N，bytes，格口的宽度为L，m，环线运行速度为V，m/s，则发送控制命令的时间Ts为：

小车经过格口的时间Tall为：

因此，格口最大数量为：

2主控制器与小车无线通信系统的组成

该系统由上位PC机、主控制器、2.4GHz射频发射板、2.4GHz射频接收板和分组中转板组成。上位机与主控制器通过Modbus TCP/IP协议进行交互，主要提供包裹与小车的绑定信息及运行信息;主控制器将小车控制命令通过RS485总线传输到2.4GHz射频发射板并发出，2.4GHz射频接收板接收到命令后转发给分组中转板1到分组中转板n，然后转发到各分组，每个分组可驱动若干个小车。主控制器与小车通信控制系统结构如2图所示。

3主控制器与小车无线通信系统的通信协议

主控制器与小车无线通信系统的通信协议采用大连某公司高速直驱永磁无刷电动滚筒的通信协议。该协议由运行参数帧、运行命令帧和应答帧构成。

运行参数设定帧由8个字节组成，第1字节为起始符85H或95H，当起始符为95H时，不返回运行参数应答帧;第2字节的bit5～bit0为小车编号，bit6为滚筒转动方向，bit7固定为0;第3字节为运行速度设定;第4字节为延迟运行时间;第5字节为运行时间低7位，第6字节为复合数据;第7字节用于设置中转分组;第8字节校验符。

运行命令帧由8字节组成，第1字节为起始符8AH，第2字节为组内1～7号小车运行控制位，第3字节为9～15号小车运行控制位，第4字节为17～23号小车运行控制位，第5字节为25～31号小车运行控制位，第6字节为8、16、24号小车运行控制位，第7字节为中转分组号，第8字节为2～7字节异或校验符。

应答帧由4个字节组成，第1字节为应答起始符;第2字节为应答小车编号;第3字节为应答内容，电机动作及保护情况，正常为全0，有错或有保护则相应位置1;第4字节为2、3字节异或校验符。

4无线通信系统制作

4.1无线通信系统硬件制作

根据图2所示结构图，项目组设计制作了2.4GHz射频收发板、分组中转板、电路板如图3所示。图中①为射频收发板;②为24V电源接口;③为组内RS485接口1;④为组内RS485接口2;⑤为RS485总线串接口1;⑥为RS485总线串接口2;⑦～⑩为4路射频接收板的接口，目的是增加冗余设备，提高接收的可靠性。其中③和④每组可带31辆小车;⑤和⑥用来串接其他分组板，用以形成RS485总线。

射频收发板主要功能是实现小车控制数据的无线发射和接收。它采用隔离式RS485芯片ADM2587E，无线收发芯片NRFD24LE1E和功率放大器RFX2401C，外接20dB天线。分组中转板主要功能是将射频接收板收到的数据与本地地址比较，若地址相同则转发至本分组中;若地址不同则放弃数据。实际电路中为了增加通信的可靠性，设计了4路射频接收板，分别安装于4个分组中转板中;为了增加系统的小车容量，每个分组板可驱动两个小组，每组31辆小车，共62个小车。它采用STM32F4系列单片机作为数据处理器，有6路串口，其中4路用作数据接收，2路用作组内数据转发;RS485芯片采用周立功公司的RSM3485模块，每个模块有两路485转换电路;板上设有拨码开关，用于设定分组中转板的地址。

4.2无线通信系统软件的实现

4.2.1小车控制信息的发送

上位机将小车的控制参数发送给主控制器，主控制器按照运行参数设定帧和运行命令帧生成两帧数据依次通过2.4GHz射频发射板发出。

4.2.2小车控制信息的接收

射频接收板的接收流程是首先接收运行参数帧的帧头（85H或95H），然后依次接收15个字节并存储，然后计算第2至第7字节的异或和并判断是否与第8字节相等，若相等则进一步判断第9字节是否等于运行命令帧的帧头（8AH），若相等，则计算第10至第15字节的异或和并判断是否等于第16字节，若相等则将16字节通过RS485总线转发到所有的中转板上。中转分组板始终处于等待接收状态，一旦总线上有数据帧，就立即接收，若第7字节与其地址相同就转发至组内小车，小车接收到参数帧和命令帧后，控制小车转动同时回复运行参数应答帧，否则就丢弃该数据帧。小车控制信息接收流程图如图4所示。

5通信系统测试

5.1通信系统距离测试

通信系统发射半径的测试是在公司的生产车间进行的，射频发射板悬挂2m空中，射频接收板与射频发射板直线距离如表1所示。編写了发射数据包程序，并对数据字节进行统计，接收端采用串口助手显示接收数据及数量统计。根据分拣机设计要求，通信系统的字节丢失率需≤0.05%。由表1可知：该通信系统的有效发射半径为60m左右。根据参考文献3，我国目前生产的交叉带小车规格尺寸分为650mm、750mm、800mm、1000mm四种。常用的小车尺寸为0.8m，因此，由公式1可得小车的最大容量N为471个。

图5中交叉分拣机的通信参数为波特率38400bit/s，1位停止位，8位数据位，无奇偶校验位，帧校验，控制小车的字节数为16字节，格口宽度为0.75m，环线运行速度为2m/s，因此，由公式2～公式4，可得格口最大数量为75个，能够满足大部分应用场景。

5.2交叉带分拣机实测

通信系统的测试是在公司现有交叉带分拣机上进行的，如图5所示。图中所示的交叉带分拣机共有78辆小车，占地面积约80m2，环线长度约62.4m。主控制器与射频接收设备最大距离约16m，因此，测试效果良好，未发现漏包现象。

6结语

本文设计了基于分组中转的无线射频通信模式的系统结构，给出了通信系统的小车容量和格口数量的计算方法，完成了电路制作、软件协议设计并在公司交叉带分拣机上进行测试，测试结果表明该方法具有很高的实用价值。不足之处在于由于受场地限制，还未在更大的交叉带分拣机上测试。

【参考文献】

[1]史建平，李渊，李晓伟，等.基于通信中转的交叉带分拣机小车实时系统设计[J].常州工学院学报，2017，30（4-5）：19-22

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[3]刘张.物流分拣线的智能控制系统设计[D].淮南：安徽理工大学，2016.

[4]冯子陵，俞建新.RS485总线通信协议的设计与实现[J].计算机工程，2012，38（20）：215-218.

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