一種高可靠物流控制系統的設計模式分析

文/曾學 姚正亞

物流控制系統作為物流系統的重要組成部分，主要由PLC 及各種現場電氣部件、傳感器組成，向上連接物流信息系統和設備監控SCADA系統，申報貨物分揀請求、接受貨物分揀指令，發送設備狀態信息并接受控制指令等；向下連接智能設備，實現對智能設備的控制、貨物輸送過程的檢測、安全保護措施的提供、設備狀態的采集等功能。因此，物流控制系統是否穩定、可靠，決定了整個物流系統的穩定性和可靠性。

一、系統構架

在高可靠物流控制系統中，采用一主一備PLC模式，網絡結構根據連接設備特性，劃分為Profinet、Profibus-DP、As-i等三個層次結構，如圖1。

1.Profinet網絡

Profinet是將Profibus協議捆綁到標準的TCP／IP協議上，通過網關實現以太網和現有Profibus之間路由的功能。Profinet最顯著的優點是實時性高，實時周期高達到250us，適用于中高速運動物體的控制。在物流控制系統中，Profinet網絡主要實現：

貨物的合分流控制以及現場電源總線控制；

與單機系統通訊，例如堆垛機、安檢機、LED顯示屏等。

通過多種控制網絡的配合使用，在滿足大型物流中心控制需求的同時選用高可靠性的PLC和具有良好擴展性能的從站，將增強物流控制系統的可靠性和穩定性

2.Profibus-DP網絡

Profibus-DP只使用OSI模型中的第1、2層和用戶接口，第3-7層沒有定義，直接數據鏈路映射、為用戶接口提供第2層的訪問服務。Profibus-DP主要用于現場級快速高效的數據交換。在物流控制系統中，Profinet網絡主要實現貨物的跟蹤，如連接RFID控制器（RFID標簽識讀器）、條碼掃描器等。

3.As-i網絡

AS-i總線是一種主從結構的底層網絡系統，主站和從站通過2芯電纜可以組成多種拓撲結構的雙向數字通信系統。AS-i總線系統通過它主站中的網關可以和現場總線Profinet相連接，AS-i主站可以作為Profinet的一個節點服務器，在它下面又可以連接一批從站，有效滿足了大規模物流中心的控制需求。AS-i適用于連接具有開關量特征的傳感器和執行器系統。在物流控制系統中，As-i網絡主要實現：

連接各類電機控制箱，如電機控制箱、變頻器電機控制箱等；

連接各類控制站，如按鈕控制站、鑰匙開關控制站等。

圖1：物流控制系統拓撲圖

圖2：水平分流器

圖3：貨物跟蹤

二、器件的選型

1.PLC 系統

為滿足系統容錯、高可靠性的運用需求，選擇基于SIMATIC S7-400H的冗余系統。該冗余系統具有良好的可靠性，即使控制器的某些部件由于一個或幾個故障而失效，也不會影響物流控制系統的運行。

SIMATIC S7-400H 包含了兩個分立的中央控制器UR1/UR2或一個分割為兩 個區的中央控制器UR2-H，每個中央控制器有兩個同步模板，使用光纖連接這兩個控制器。該系統具有如下特點：

冗余的中央功能；

熱備，在故障事件發生時自動地切換到備用單元。

2.RFID控制器

RFID標簽讀取系統選用西克產品，采用冗余設計，主要部件如控制器MSC800、CAN網絡、電源等，采用雙冗余設計。每個天線的數據及電源通過CAN網絡并行連接,所有天線均連接至兩個控制器從而保證任一天線出現故障時不影響其他天線的正常工作。

西克RFID標簽讀取系統內置分配算法，能夠對通道內的多種物件進行處理。具有較高的處理率。同時該系統還具有如下特點：

能對靜態標簽進行檢測和過濾；

易用，在SD卡內記錄了所有組件的運行參數；

平均故障間隔時間大于10萬個小時；

平均維修時間小于10分鐘；

能進行遠程診斷和維護。

3.I/O 系統

I/O 系統采用具有分布式I/O特性的西門子E T 2 0 0 M和西門子ET200SP。它們的等級均為IP20。ET200M使用S7-300 可編程序控制器的信號模塊、功能模塊和通訊模塊進行擴展。由于模塊的種類眾多，ET200M 尤其適用于高密度且復雜的自動化任務，而且適宜與冗余系統一起使用。ET200SP具有體積小、使用靈活、支持熱插拔、性能突出等特點。

三、控制邏輯與控制技術

1.“窗口預約”導入控制技術

物流控制系統中將貨物注入到主輸送機時采用的一個關鍵技術叫做窗口預約控制技術，提供了一個先進的貨物組織方式，使得來自不同輸送點的貨物在主輸送機上按照一定間隙進行輸送。

窗口預約的實現是將主輸送機劃分成若干用于接收注入貨物的視窗（window，也稱作虛擬段），當貨物到達導入輸送點末端的光電開關時，控制系統將為此貨物在輸送機上申請保留一個窗口。通過PLC從主輸送機的上游開始查找未分配的窗口，找到窗口后將其分配給此貨物并跟蹤這個窗口的運行，當這個窗口鄰近主輸送機時，此貨物被注入至主輸送機的視窗內。

主輸送機皮帶非驅動輥上安裝星型輪，當皮帶運行時，星型輪旋轉，檢測開關的檢測輪片向PLC發出脈沖信號，由PLC對脈沖進行計數以實現對皮帶運行的跟蹤，實現主輸送機上視窗的跟蹤。

2.水平分流技術

物流控制系統中將貨物從主輸送機移出的技術叫做水平分流技術。此技術主要通過水平分流器(如圖2)實現。

(1)水平分流器

水平分流器用于將貨物分流到一個或者兩個出口。分流器在與輸送機垂直的分流臂上安裝有皮帶，分流器配有控制分流臂動作的電機，分流臂可以停在打出位置或者是初始位置。當分流器位于初始位置，分流臂皮帶回縮到輸送機側板后方，貨物直接通過；當貨物需要分流時，分流臂轉動，分流臂皮帶將用比輸送機更快的速度將貨物快速轉移到接收輸送機。

(2)水平分流器操作

圖2顯示了一般水平分流器操作過程，貨物通過輸送機1，就進入分流區域。當貨物到達輸送機2的光電開關B時，PLC將根據跟蹤貨物的信息判斷貨物是繼續直行還是需要打出分流。如果繼續直行，當圖中所示的分流區沒有貨物時，PLC將位于輸送機2上的貨物放行，輸送機3上安裝有接近開關用于貨物跟蹤，PLC可依據此判斷貨物是否已經離開分流區。如果需要分流，當圖中所示的分流區和輸送機4上沒有貨物時，PLC將位于輸送機2上的貨物打出分流。PLC判斷輸送機4上光電開關C是否遮擋，判斷貨物是否已經離開分流區。

在需要分流的情況下，若輸送機4上已經有一件貨物并且下一件貨物到達光電開關B的位置，將導致上游輸送機進入暫停模式，只有當輸送機4上的貨物被移除后，下一件需分流貨物才能放行。

3.貨物的跟蹤技術

貨物的跟蹤是通過物流控制系統PLC內的軟件程序實現的。該軟件覆蓋輸送機段之間的安檢區域、貨物注入區域、貨物分揀等區域，如圖3。

軟件實現采用一段連續的數據字進行貨物跟蹤，每個數據字對應50mm的輸送機長度（輸送機跟蹤數據字DB的長度可以根據設備長度進行設置），根據貨物進入輸送機時的入口指針位置將貨物的ID（條碼）寫入相應的字中，已經存在的指針值總是大于入口指針的值。

PLC接收來自星型輪的信號，入口指針在到達輸送機長度前逐漸加大，到達輸送機長度之后指針重新返回到輸送機的起始位置。當指針指到輸送機出口指針時貨物ID信息將被清除，之后將裝載到下一臺輸送機入口指針指向的字中。

可以這樣理解，在PLC內存中有包含貨物ID的一個流動表，可以記錄與之對應的真實貨物的移位或運動。若移位的誤差（可調）處于可接受的范圍，這些小的錯誤可以通過到達光電開關時對數據在表中的移動進行糾正。若移位的誤差超過了可接受的范圍，貨物將被標識為剔除狀態，目標地址變更，貨物將被剔除。

四、結束語

通過多種控制網絡的配合使用，在滿足大型物流中心控制需求的同時選用高可靠性的PLC和具有良好擴展性能的從站，將增強物流控制系統的可靠性和穩定性；在此基礎上，輔以合理準確的控制邏輯和控制技術，將確保物流系統的準確、可靠、不間斷運行。