基于工業以太網的分布式智能傳輸控制系統

孫 驁，張振華，秦旭軍，趙德權，郎 猛，李 亮

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

近年，國內工控市場規模巨大，市場長期被美國、德國、日本公司占據，國內產品市場份額較少。國外企業通過專有通信協議等限制，迫使使用方一旦使用國外主控類設備后，國內的下游產品難以再與其配套。因此，打破工控類產品專用通信協議限制意義重大。

分布式智能傳輸控制系統(以下簡稱系統)通過工業以太網與PLC通信[1]，板載控制器接收PLC指令通過RS485接口以ModBus協議控制變頻器[2-3]，帶動電機動作達到控制電機的目的。此外，系統具備手動控制、信息存儲、條碼掃描、參數配置、本地IP設置、位置信息檢測、狀態指示等輔助功能，其上游由PLC進行集中管理，系統在下游實現對電機的分布式控制。系統具有安裝成本低、施工時間短、便于維護及故障診斷、性價比高等優點，主要應用于汽車組裝生產、物流分揀、自動化倉儲、食品藥品灌裝等生產線。

1 系統架構設計

為適應國內工業上應用場景復雜、功能多樣化的特點，系統在硬件上按照功能主要分為通信板、控制板、存儲板、面板，各個板卡具有獨立的功能，可通過工業以太網進行固件升級，便于系統的擴展及維護[4]。系統在外部通過工業以太網與PLC互聯，系統內部各板卡通過CAN總線進行互聯，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

通訊板的要功能是與PLC進行通訊，解析指令后提供給主控板或存儲板。主控板的主要功能是按照PLC指令訪問變頻器[5]，通過變頻器控制電機工作并獲取狀態參數。存儲板提供了SD卡存儲、條碼掃描等輔助功能。面板上有各類數字接口、按鍵以及指示燈，為系統提供了手動控制的功能。

2 控制板

主控板作為整個系統的核心與其互連的外部設備很多，包括：通訊板、存儲板、面板、變頻器、接觸器等，主要功能框圖如圖2所示。主控板實現的主要功能包括：接收PLC指令控制變頻器帶動電機穩定運行、反饋電機狀態、接收配置參數、抱閘制動檢測、斷路器狀態檢測、監測溫度并控制風扇運行等。

圖2 主控板框圖

根據系統的應用需求、工作環境以及電子元器件歸一化原則，各板卡的控制器選用了工業設備上常用的ST公司的STM32F103芯片。該控制器功耗低、主頻高、I/O接口豐富，支持UART、SPI、CAN、SDIO、USB、FSMC、I2C等多種接口，部分GPIO可耐5 V，滿足不同外設對控制器的要求[6]。同時，選用了ADI公司的ADM811作為電源監測芯片，該芯片應用成熟、成本較低、封裝尺寸小。

由于系統內部包含高壓部分和電動機控制部分，電動機工作時會對系統內部造成很大的噪聲干擾，為了有效的防止噪聲對板級通訊的干擾，使用差分線的形式進行通訊可以有效的降低噪聲對通訊的干擾[7]。

CAN總線基于差分形式傳輸，速率可達1 Mbps，可以有效的防止工業環境下的干擾，有效的保證傳輸的正確性，并且具有錯誤處理和檢錯機制，可以保證傳輸的可靠性。本設計選用了TI公司的隔離型CAN接口芯片ISO1050，該芯片滿足ISO11898-2的要求，隔離電壓高、抗干擾能力強，具有串線、過壓和接地損耗保護功能，適用于工業自動化產品。各板卡通過CAN總線實現系統內部互聯，均使用ISO1050作為CAN接口芯片。

在變頻器控制方面，主控板采用Modbus RTU主站模式訪問變頻器[8-9]，選擇RS485作為Modbus總線的電氣接口，可直接訪問和設置變頻器參數，從而控制電機的運行及故障處理[10]。RS485接口芯片選用了ADI公司的ADM483E，該芯片具有±15 kV ESD保護、短路保護等功能，非常適合工業現場環境使用。

3 通信板

系統通過工業以太網與PLC通信，通信板位于系統的最前端，是系統重要的組成部分之一，主要由通信模塊、控制器以及CAN總線接口組成，框圖如圖3所示。

圖3 通訊板框圖

從降低開發難度及成本的角度出發，本設計采用了現有成熟的工業以太網解決方案，選用了AnyBus公司的ABCC B40作為通信模塊，將高性能實時工業以太網與現場總線網絡結合。B40模塊尺寸小、便于安裝，具有如下優點：快速的數據傳輸能力，每個方向高達1500字節的過程數據，1500字節的顯式報文；極低的過程數據延遲；基于事件的接口方式，實現在任意時刻簡單訪問輸入和輸出數據；多種操作模式：串口模式、SPI模式、8位并口、16位并口、移位寄存器模式。

相比于串口模式、SPI模式，16位并口模式具有更高的通信速率，因此本設計中B40模塊采用了16位并口模式，控制器采用FSMC接口與模塊進行數據交互。由于工業現場環境復雜、電磁干擾現象嚴重，為提高抗干擾能力，B40模塊的工業以太網側采用了氣體放電管、共模電感、TVS管等器件組成多級防護、濾波電路，提高系統穩定性及可靠性。

4 存儲板

存儲板的主要功能是存儲系統的配置參數、運行日志以及接收、解析、保存USB掃碼槍上傳的條碼信息?？紤]到設備長期工作時運行日志以及條碼信息很多，系統選用了大容量SD卡作為存儲介質，方便設備維護。此外，系統在初次安裝時，現場安裝人員可使用計算機將配置信息寫入SD卡，上電后主控板通過CAN總線就可以獲取SD卡的配置信息，實現快速多設備組網，存儲板框圖如圖4所示。在新建工業產線時，可以極大地降低安裝難度，縮短施工工期。

圖4 存儲板框圖

存儲板的控制器STM32F103具有SDIO接口，可以直接用來驅動SD卡。由于SD卡在維護時有接觸人體的可能，存在產生靜電的風險，因此在SD卡的接口上增加了ESD保護電路，防止對內部電路產生影響。

在快遞、貨運、倉儲等行業需要使用USB掃碼槍對貨物的條形碼進行識別及存儲，因此存儲板增加了條碼掃描功能[11]。系統選用CH9350L作為USB接口芯片，STM32F103通過UART接口以中斷的方式接收CH9350L的數據，接收數據后控制器將數據進行解析然后存儲在SD卡。條碼掃描時，CH9350L作為USB主機接收作為HID子設備的USB掃碼槍數據，CH9350L的作用可以視為將USB接口轉接成了UART接口，減少了開發者對USB協議的研究時間[12]。

5 面板

本設計中面板分為兩部分：一塊接口面板帶有8路數字I/O量的輸入、4路數字I/O量的輸出以及2路工業以太網接口，數字I/O量主要用于各類傳感器的檢測。另一塊是薄膜面板，帶有按鍵以及狀態指示燈用于手動控制，這在系統需要微調及維護時尤其重要。通過薄膜面板上的按鍵可以實現手動控制電機正轉、反轉、點動、關閉等操作，同時主控板會控制相應的指示燈狀態。

6 典型應用及測試

該文以系統眾多應用場景之一的物流分揀為例，闡述系統的應用方法及主要作用。在該場景下，本系統主要實現了貨物信息獲取、傳送帶控制以及貨物分揀等功能。貨物在裝配時貼有唯一的二維碼或條形碼，在裝配流水線最前端的操作員用系統的USB掃碼槍對貨物進行條碼掃描獲取詳細信息，包括貨物名稱、地址、聯系方式等。系統會將這些信息存儲于本地的SD卡中，同時通過工業以太網傳送給上位機，上位機根據貨物信息進行后續的流水線控制。獲取條碼后，系統通過控制電機帶動傳送帶運行，配合后續的自動打包設備對貨物進行裝箱操作。最后，上位機根據地址信息控制電機將貨物分配到不同省份的分支流水線上，實現分揀的目的。

為驗證系統的可靠性及穩定性，對系統進行了連續72小時運行測試，主要考核項包括：工業以太網通信、條碼掃描、SD卡存儲、I/O量檢測以及電機運行。硬件測試平臺由本系統、傳送帶、上位機、光電式位置傳感器組成。

位置傳感器安裝在傳送帶的兩側，其輸出信號接在系統的I/O量接口上。測試時，系統控制傳送帶工作，貨物在傳送帶上向一側運動，觸發位置傳感器后系統控制電機反轉，測試人員對貨物進行條碼掃描，貨物在兩個位置傳感器之間往復運動。72小時的連續運行后，對測試數據進行了分析，工業以太網的通信、條形的掃描以及電機的運行均正常無誤。

7 結束語

該文通過對分布式智能傳輸控制系統的研究與設計，實現了將PLC的部分功能下放到分布式控制環境中的應用，為國內其他下游工控類產品與國外系統相兼容提供了具有實際意義的解決方案，并且針對物流分揀領域的應用進行了連續運行測試，證實了系統的可靠性及穩定性。