載波通信在條煙自動分揀系統補貨RGV上的應用

文/孫冠慧 樊澤洋 林晨驍

現代化分揀系統是分揀機械執行系統、信息系統以及管理組織系統的有機組合。其中，分揀機械執行系統主要是各種機械設備的有效組合和配置，信息系統是分揀信息和控制信息等信息流動的載體，管理組織系統負責設備、人員的調度。

通信技術是架設在機械設備和信息系統之間的橋梁，負責將執行指令傳遞給機械系統，驅動機械系統工作，是保證分揀系統正常運行的基礎。

因此，本文以某物流中心為研究對象，研究條煙自動分揀系統補貨小車通訊需求，重點分析通訊方式和調制方式，提出了一種抗干擾能力強、高傳輸速率、成本低、施工難度小的組網方案，以期提高信息傳輸效果。

一、問題分析

1.系統構成

通常全自動條煙分揀線補貨RGV系統由若干小車、單臺PLC控制單元、中央PLC控制系統、軌道系統及滑觸線供電系統組成。滑觸線供電系統安裝在軌道系統的下方，通過集電器與行走小車連接。RGV在軌道上運行，通過集電器與軌道下方的滑觸線接觸與主控制柜進行信號傳輸。主控制柜相當于調度臺，識別每個小車所處的工作狀態，并根據預設的工作模式對其下達工作指令。

圖1： RGV實物示意圖

主要硬件設備如圖1所示，具體為：

（1）主控器PLC一套，采用西門子S7 1500系列PLC，用于調度全部RGV任務指令；

（2）在一條軌道上配置8臺RGV，每臺RGV上采用西門子S7 1500系列PLC，用于對RGV的各項功能進行自主控制；

（3）RGV采用滑觸線取電方式，通過兩片碳刷與滑觸線接線獲取動力電（220V）。

2.約束條件

為上述系統設計通信方案時，要求建立一個穩定、可靠的通信功能，還應考慮成本和實施難度。具體包括：

（1）能夠實時、準確地傳輸指令信息，應滿足傳輸速率、傳輸距離、抗干擾性等要求。

（2）符合現場使用條件，應滿足施工條件、空間限制、接入點數量限制。

（3）成本低，實施難度小。

二、通信方式設計

為減少現場布線難度，應盡量減少布線量。在通訊方式上，可以采用無線通訊或電力載波通訊。

無線通訊是多個節點間不經由導體或纜線傳播進行的遠距離傳輸通訊，電力載波通訊是利用電力線進行通信。考慮各RGV小車運行在固定軌道上，使用滑觸線進行動力供電，可以方便地將電力通信網絡延伸到移動載體控制側，可將數據載波通過耦合電路耦合到電力線上，實現利用低壓電力配電線作為信息傳輸媒介進行數據傳輸。因此，兩個通訊方式均可作為備選。

根據約束條件，從傳輸速率、傳輸距離、布置、設定、抗干擾等五方面進行比較，詳見表1。

經分析，電力載波通訊與無線通訊相比具有五個優勢：

2.傳輸距離是無線通訊6倍以上；

3.無需安裝額外設備，無施工難度，且節省成本；

4.安裝無需任何設置，比無線組網過程方便；

5.是接觸式通訊，比無線穩定，抗干擾性和安全性比無線高。

因此，選擇電力載波通訊方式，充分利用電力線路和頻率資源，通過補貨小車的供電系統進行小車通訊。

三、調制方式設計

載波調制的基本原理是：在發送數據時，先將數據調制為高頻信號，經功率放大后耦合到電力線上。由電力線路傳輸給接收方，接收端再通過耦合電路將高頻信號接收，經過解調電路還原為數字信號。在工業環境下，重點考慮抗干擾能力和通信速率。

1.初步分析

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目前載波調制時采用的主要技術有四種：

（1）FSK(Frequency shift keying)：頻移鍵控，利用不同的頻率來表示信號的0或1。其優點為調制簡單，無需復雜的鎖相與載波同步，對硬件和軟件資源要求較小，因此獲得了廣泛的應用。但缺點是對抗噪聲的能力不夠強，無法適應設計要求。

表1：無線通訊與電力載波通訊對比表

圖2：單載波/多載波調制對比圖

圖3：載波通信組網方案

圖4：組網流程

（2）PSK(Phase shift keying)：相移鍵控，采用固定的載波頻率，通過改變載波的相位來傳送0或1，單載波調制。其優點為具有很好的抗干擾性，在有衰落的信道中也能獲得較好的通信效果。但缺點是相干解調實現復雜，而且用于載波同步的鎖相環本身對噪聲干擾有一定容限。

表2：故障統計表

表3：故障觀察表

（3）DSSS(Direct sequence spread spectrum)：直接序列擴頻，利用具有高碼率的擴頻碼序列擴展信號的頻譜和進行解碼。其優點為能帶來較大程度的信噪比改善，但缺點是當采用擴頻體制時，為獲得足夠大的處理增益，系統占用帶寬太大，減少了可供跳頻的信道數，無法適應設計要求。

（4）OFDM (Orthogonal Frequency division multiplexing)：正交頻分復用，將信道分為若干個正交子信道，將高速數據轉換為并行的低速子數據流，調制到每個子信道上進行傳輸，多載波調制。其優點為具有較強的抗干擾能力和較高的通信速率，可利用帶寬內的多個頻點進行通信，但缺點是對載波頻偏比較敏感。

因此，可在PSK和OFDM中進行詳細必選。

2.抗干擾能力分析

3.通信速率分析

設共有N部RGV小車。對于多載波調制，每部小車占用1個子信道，若每個子信道碼元持續時間為TS，每個子載波采用M進制調制，則占用的頻帶寬度為：

頻帶利用率為單位帶寬傳輸的比特率為：

對于單載波調制的M進制碼元傳輸，若想得到相同的傳輸速率，則碼元持續時間應縮短為而占用帶寬等于故單位帶寬傳輸的比特率為：

因此，當小車個數超過1時，采用多載波調制比單載波調制單位帶寬傳輸速率高將近1倍。

綜上所述，OFDM方式屬于多載波調制，抗干擾能力強，傳輸速率高，適用于設計要求。

四、組網方案

采用低壓電力線寬帶載波（LVPLC）通信技術實現設計目標，利用低壓電力配電線（380/220V）作為信息傳輸媒介進行數據傳輸，通過OFDM調制模式，進行高速傳輸。把載有信息的高頻信號加載于電流，利用各種等級的電力線傳輸，接受信息的調制解調器再把高頻信號從電流中分離出來，并傳送到電力線寬帶用戶終端（計算機、PLC）。

組網時，載波通信系統由集中器、采集器和PLC控制系統等組成，如圖3。主控PLC通過PROFINET工業以太網直接與集中器通信，小車PLC通過PROFINET工業以太網與采集器通信，再通過電力線載波傳輸給集中器。將集中器安裝在地面主控機柜內部，為單相AC220V供電，將采集器和小車PLC安裝在運動的RGV內。

在集中器、采集器和PLC控制系統的設計中，載波通信模塊為其中的重要部分，集中器中的主載波模塊利用單相進行通信，在通信時需要對單相同時發出數據幀，由于通信采用全雙工問答方式，同一時刻只有某一相上對應地址的從模塊響應。

五、應用效果

1.使用情況

組網方案自2017年11月起在4條分揀線上使用。通信時，主控PLC通過集中器向RGV發出調度命令，采集器與小車PLC接收到調度命令后并執行。執行完成后通過電力線將執行結果傳送給集中器，集中器進行規約解析后確認調度命令執行完成，過程如圖4所示。

初期，RGV系統運行出現網絡節點故障報警，故障統計情況如表2所示。

現場確認耦合器、軟件均正常，判斷問題很可能是由干擾引起的。通過檢查接線發現，在布線時，錯誤地將信號線兩端都接地，而接地電位差在屏蔽層內會流過電流會產生干擾。解決信號線接地后，問題徹底解決。自2018年4月起連續觀察半年，AGV通信故障次數為0。

2.結果分析

若保證接線準確，本方案能夠實現穩定可靠的通信效果，功能完善，通訊成功率100%，故障為0。

六、結語

本文介紹了低壓電力線載波通信技術在條煙自動分揀系統補貨RGV上的應用方法，給出設計過程和組網方案，并以某物流中心為試點進行使用，效果良好。經現場調試，能夠保證提供穩定的通信。提出的組網方案采用通用技術和設備，適用于各類全自動條煙分揀系統，具有較高的推廣價值。