自动化仓库中网络系统的构建方案

自动化仓库中网络系统的构建方案摘要：本文结合自动化仓库的情况，提出了一种将PROFIBUS-DP和AS-I现场总线结合在一起的网络系统，并对这两种总线的基本概念和该网络系统的各个部分做了简单的介绍。与传统布线方法相比，在自动化仓库中使用现场总线有较好的稳定性和维护性，并易于扩展、更开放、节省布线和维护成本。关键字：现场总线，PROFIBUS，AS-I，自动化立体仓库The Scheme of Network System in AS/RSAbstract: Taking consideration of the particular condition of AS/RS, this paper proposes a network system with combination of PROFIBUS-DP and AS-I fieldbuses, and makes a brief introduction of both fieldbuses and various parts of the network. Compared with the conventional laying method of wire, the fieldbuses applied to the AS/RS can bring about better reliability and maintenance, make it easier for extension, being open, and save the cost of laying the wires and maintenance work.Keywords：Fieldbus，PROFIBUS，AS-I，AS/RS1 自动化仓库中的信号图1 自动化仓库配置的各种I/O现代物流的系统发展的标志之一就是自动化立体仓库1的发展。自动化立体仓库是一种多层存放货物的高架仓库系统，由多层高层货架、堆跺机、巷道、运送设备和管理系统等部分组成。在这些组成部分中要实现检测、驱动、识别、记录、运算、显示等众多的信号检测及处理功能，就必须在各个工位上分别配置许多的开关、驱动器、阅读器、显示界面、人机界面HMI等（见图1）。设置在传送带靠近码跺机器人的接近开关感应是否有货物准备码跺的信息；阅读器读出当前货物的条形码，以进行对不同的货物入库数量的统计；显示屏显示仓库中货物的名称、数量、位置等信息；HMI是仓库内的操作人员对仓库的操作和仓库设备运行结果的反馈。这些信号各司其职，组成了一个内容丰富的信号系统，确保了系统能够正常地按设计要求运行，并使工作人员能够及时地了解系统工作情况。然而，不同信号的差异性很大。首先是它们的物理层各不相同，如果对每个传感器/执行器一对一地进行信号的接线，连接线的数量就会大大增加，而且增大了更新升级设备的工作量；其次，这些信号有不同的协议，需要使用不同的转换组件才能使整个系统协调地运转，大大增加了系统开发和管理的难度。2 现场总线控制系统伴随着计算机、控制器、通信、显示器技术的发展，为了解决过程控制系统中类似前面提到的信号互不兼容、接线越来越复杂的问题，引入了现场总线控制系统（Fieldbus Control System）。2.1 总线技术过去每个传感器/驱动器必须和控制器一一相连，这样就产生了巨大的电缆线成本和由于复杂的结构而产生的布线成本，而且复杂的布线系统本身也增加了出故障的可能性。而总线技术只要将传感器/驱动器简单连接起来，再通过一根电缆就可以与控制器进行连接，这样就降低了连接现场设备和可编程控制器产生的巨大的电缆成本，控制柜结构也简化了，体积可以做得更小了。2.2 工业通讯的分层将复杂的控制问题分层是普遍的做法。通讯的结构见图2。图2 工业网络通讯的结构（1）监控管理级：工业通讯中的最高层。主要由厂里、厂和厂之间的管理计算机组成。数据传输通常以兆字节计，但数据的实时性要求不严格。通常采用工业以太网为传输介质。（2）生产和过程控制级：PROFIBUS（过程现场总线）是其中典型的代表。它以严格的认证规范、开放的标准、众多的厂商支持著称。（3）传感器/驱动器级：是最底层的现场级，将现场的数字信号化的传感器/驱动器连成网络。特点是数据的传输量较小，但有很高的传输速率。这是AS-I的典型应用场合。3 一个自动化立体仓库网络系统结构设计结合自动仓库的具体情况，笔者拟定了一套依托SIEMENS的PLC和S7系统，将控制设备级和现场级集成在一起的网络。其中PROFIBUS-DP构成控制级网络，AS-I构成现场级的网络。图3显示了网络的体系结构（为了简要说明网络结构，相同类型的DP从站在图中只显示一个）。图3 网络体系结构示意图3.1 PROFIBUS-DP网络层PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）用于设备级自动控制系统与外围的设备之间的通信连接。PROFIBUS-DP协议结构符合国际标准化组织（ISO）开放系统互联（OSI）参考模型，它使用了其中的第一层、第二层及用户接口，第三到第七层未用。直接数据链路映像程序（DDLM）提供访问用户的接口2。其传输介质可以用金属双绞线或光纤，传输速率9.6k12Mbit，在不加任何中继器的情况下，一个站最多可以有32个站点。中继器可以延长网络通信的距离，允许加入网络设备，每个中继器可以另外加入32个设备。网络中最多可以使用9个中继器。图3所示的DP网络是多主多从的系统配置。在图3中，集成了DP端口的西门子PLCCPU315-2DP是该网络方案中整个PROFIBUS-DP网络部分的1类主站。它在预定时间内与其他分布的DP从站循环地交换信息，读取从站的诊断信息，还能将控制命令发送给个别从站，以实现输出数据和输入数据的同步3。CPU315-2DP本身集成有DP端口，可以利用这个端口将PLC接入DP网络。在整个DP网络中，只有主站才能主动向其他各站发出读/写要求。为了现场操作人员设置、修改和监控数据显示更简便、美观，在网络中加入2类主站：操作员面板。2类主站除了能与1类主站CPU315-2DP数据通信，还能读取DP从站的输入/输出数据。两个主站之间按设定的地址升序地循环得到令牌，得到令牌的主站能够在一定的时间内按主主关系和其他主站通信，也可按照主从关系表和相关的从站通信。DP从站是进行输入信号采集和输出信息发送的外围设备，它们只和主站交换用户数据。在CPU315-2DP下面的S7-300系列的PLC是DP网络中的一个智能从站。它们可以根据系统主站的命令实现一些功能，也可以自主的执行一些基本的控制程序。对于没有集成DP端口的S7-300系列的PLC来说有两种方法接入DP网络：使用通信模块（如图3中所示）或网络连接器。CP342-5是S7-300的DP通信模块，可以和没有集成DP端口的CPU配合使用。主站和从站之间数据交换由PLC操作系统周期性地完成，不需用户编程，但用户必须对两者的数据交换区组态4。因此主站的CPU315-2DP通过通信间接控制从站的I/O（除了智能DP从站CPU内部的输入输出地址，它们独立于任何其他DP站）。ET-200M是分布式I/O（非智能）的模块式DP从站，它由软件组态定义它的输入和输出区域，最多可以扩展8个模块。它需要一块接口模块IM153实现与主站的通信。从主站编程的角度来看，使用分布式从站的I/O和使用主站自身I/O没有什么区别。在ET-200M站机架后面的插槽放置SM信号模块。S7-200CPU不能直接接入PROFIBUS-DP网络，必须通过EM277连接到网络。EM277模块在网络中智能作为DP从站出现。EM277能够读写S7-200CPU中定义的变量数据块，它和主站的通信时就能交换任何S7-200CPU支持的数据类型。3.2 AS-I网络层AS-I（Actuator-Sensor Interface）接口网络是位于工厂自动化网络系统的最底层网络。使用规范的两芯黄色电缆连接大量的传感器/执行器。它采用绝缘穿刺技术，组装起来方便高效。AS-I网络由主站、从站、从站供电单元组成。在有中继器时电缆长度可以达到300m，每个中继器产生的网段必须有自己单独的电源模块。主站只能有一台，它轮流询问每个从站，等待从站的响应。AS-I接口技术V2.1最多允许62个从站。S7-200和S7-300的PLC均可以作为AS-I主站。图3使用了同时安装了CP343-2模块和DP通信模块的S7-200作为AS-I主站（使用CP343-2模块时必须禁止S7-200模拟量滤波）。其他的各个从站用一根电缆贯穿，连接成一个网络。从地址分配效果看，AS-I从站是主站PLC的分布式输入输出模块，每个模块最多可以连接四个数字化的传感器/驱动器，可以是数字量、模拟量或气动模块。如果是集成了AS-I芯片的智能AS-I从站，也可以是隔膜键盘、电机启动器等。在图3的网络系统中，AS-I要连到更高一级的PROFIBUS总线系统上，每个S7-200站在所在AS-I网络上是一个主站，同时这些AS-I主站又都是PROFIBUS-DP网络的一个从站，因此这些站的作用相当于网关。4 具体实施时的一些问题4.1用户程序控制通信的途径（1）直接使用I/O映射：在对PLC组态时就已经把从站存到主站内。对于用户来说，这类远程I/O在编程时就和本地的I/O一样，只不过远程I/O是依靠网络周期性更新，而本地I/O靠自身CPU刷新。这种情况包括AS-I主站S7-200对从站控制，DP主站对分布式从站I/O和智能型从站的非CPU集成的I/O。（2）输入输出缓冲区：在S7-300主站和 S7-200从站通信时，EM277接受从主站送来数据，并把输入数据送给主站，而这些输入输出缓冲区就驻留在S7-200CPU的变量V存储区。（3）用系统功能连续传输：当有大量的连续输入输出时，可以用S7-300的SFC14（读标准从站）和SFC15（写标准从站）来访问连续的数据区域，这对指令要在主、从站成对使用。数据传送是同步的，可以传送的数据和CPU的型号有关。4.2 危险集中在从站里如果有一个元器件损坏了，系统能够诊断并剔除有问题的从站，系统仍能运转。但是主站一旦故障了，整个系统的“大脑”就会失去指挥的作用，系统随之瘫痪，所以主站成为系统的“弱点”，称为危险集中。为了克服这个缺点可以在主站和一些重要的从站采用两套相同的装置，这种做法称为“冗余”。比如图3中使用两个带有冗余设计的，用光纤连接的S7-400H系列CPU替换CPU315-2DP作为DP主站；而在分布式I/O从站的机架上可以紧挨着放置两个ET200M远程I/O模块和IM153接口模块。4.3 今后的扩展总线的使用给系统将来的改进和扩展提供了方便。比如，在PROFIBUS-DP网络上可以再加更高层的管理层网络工业Ethernet5、做无线通信设备的扩展67、在DP网络上增加带网卡的经WINCC组态软件编程的PC，当作监控站等。4.4 现场总线对成本的影响使用各个现场总线的模块初始成本较高，但现场总线用一条串行总线或双绞线取代常规的并列布线技术，节省了电缆成本和布线成本，而且简单的布线系统还可以减少安装故障和降低维护的难度。5 结束语在自动化仓库中使用现场总线可以使系统拥有：（a）较好的维护性，PROFIBUS和AS-I使用总线方式替代一对一接线，减少接点过多造成的故障，一只损坏的从站可以非常方便地被新从站置换；（b）开放性和扩展性：由于使用了PROFIBUS技术，不同厂家的产品，只要采用同一总线标准，就具有互操作性和互换性。还具有即插即用的特点，增加或删除一两个节点不会影响整个系统的工作，根据需要可以灵活方便地对总线系统进行扩展；（c）良好的经济性：因系统采用了现场总线技术形成首次模块投资费用增大，但省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设和后期维护的工程费用。参考文献1 刘昌祺、董良.自动化立体仓库设计.北京：机械工业出版社，20042 邬宽明.现场总线技术应用选编1（下），P337P347.北京：航空航天出版社，20043 高鸿斌、孔美静、赫孟合.西门子PLC与工业控制网络应用.北京：电子工业出版社，20064 西门子S7-300-400PLC编程软件使用PDF文档。西门子公司5 DP-Ethernet: the Profibus DP protocol implemented on Ethernet. S.Vitturi. Computer Communications, Volume 26, Issue 10, 20 June 2003, Pages 1095-11046 A wireless extension of Profibus DP based on the Bluetooth radio system. Daniele Miorandi, Stefano Vittu