交叉帶分揀機(jī)控制層通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李通 韓建萍 安富榮 馬延貴

【摘 要】 交叉帶分揀系統(tǒng)中，主控制器與小車滾筒驅(qū)動(dòng)器之間通信有效性和可靠性是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文在分析現(xiàn)有通信方式的基礎(chǔ)上，采用了2.4GHz射頻通信與單片機(jī)分組中轉(zhuǎn)控制并采用RS485總線通信的模式，給出了該通信模式下小車容量和格口容量的計(jì)算方法。項(xiàng)目組試制了硬件電路并編寫了控制程序，經(jīng)測(cè)試可達(dá)每5ms發(fā)送一組控制信息，有效輻射半徑60m，適合小車數(shù)量不超過470輛的中小型交叉帶分揀機(jī)。

【關(guān)鍵詞】 自動(dòng)分揀;射頻通信;單片機(jī);小車容量;格口容量

【中圖分類號(hào)】 TN919.3， TN923 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2019）06-0096-04

近年來(lái)，電子商務(wù)和物流快遞行業(yè)的快速發(fā)展，使傳統(tǒng)的人工分揀方式被自動(dòng)分揀系統(tǒng)快速取代，并且與自動(dòng)物流存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)、自動(dòng)物流出入庫(kù)管理系統(tǒng)成為當(dāng)代物流科技發(fā)展的三大標(biāo)志。目前，交叉帶式分揀機(jī)已成我國(guó)分揀機(jī)的主要機(jī)型。交叉帶式分揀機(jī)示意圖如圖1所示。

按照典型的工廠自動(dòng)化三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分，交叉帶分揀機(jī)主控系統(tǒng)可劃分為車間信息層、控制層和現(xiàn)場(chǎng)層。其中，控制層主要包括主控系統(tǒng)、小車控制系統(tǒng)和上包控制系統(tǒng)，主要功能是控制分揀機(jī)環(huán)形圈的起停及恒速運(yùn)行，完成上件和落件的控制，向車間信息層傳遞相關(guān)診斷信息，與車間信息層進(jìn)行相關(guān)分揀數(shù)據(jù)的交互，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，并給出相應(yīng)的輸出。在由主控系統(tǒng)、小車控制系統(tǒng)和上包控制系統(tǒng)組成的通信網(wǎng)絡(luò)中，主控制器與小車滾筒驅(qū)動(dòng)器之間的通信方式直接影響著分揀機(jī)的分揀速度和分揀效率。

現(xiàn)階段主控制器與小車滾筒驅(qū)動(dòng)器之間的通信方式有基于導(dǎo)軌的Profibus-DP通信方式、漏波電纜通信方式和紅外通信方式。方式一需要在軌道內(nèi)安裝特制的導(dǎo)電軌道，方式二要需在軌道內(nèi)鋪設(shè)漏波電纜，此兩種方式均使設(shè)備復(fù)雜，不便擴(kuò)容。方式三是在每個(gè)小車上安裝紅外接收管，此方式的弊端是故障率高，維護(hù)不便?；诂F(xiàn)狀，本文采用了基于2.4GHz射頻通信與單片機(jī)分組中轉(zhuǎn)控制并采用RS485總線通信的通信模式。該模式能夠滿足實(shí)時(shí)通信的要求，并且簡(jiǎn)化了設(shè)備，節(jié)省了成本。

1交叉帶分揀機(jī)小車容量及格口數(shù)量的計(jì)算

交叉帶分揀機(jī)小車容量與場(chǎng)地大小和射頻通信有效輻射半徑有關(guān)。格口容量一般與包裹需要分揀的種類數(shù)量有關(guān)，本文中的格口數(shù)量主要是從分揀效率的角度考慮，是指交叉帶分揀機(jī)可同時(shí)分揀的最大數(shù)量。

1.1小車容量計(jì)算

眾所周知，射頻通信的有效輻射范圍是指以信源為中心、有效輻射距離為半徑的區(qū)域。因此，區(qū)域的大小直接關(guān)系到交叉帶分揀機(jī)可容納小車的數(shù)量。假設(shè)分揀機(jī)安裝場(chǎng)地不受限制，該無(wú)線通信系統(tǒng)的有效輻射距離為R，交叉帶小車寬度為D，小車間隙為d，則交叉帶分揀機(jī)可容納小車的最大數(shù)量N為：

1.2格口容量計(jì)算

格口容量M是指交叉帶分揀機(jī)可同時(shí)分揀的最大數(shù)量。在交叉帶分揀機(jī)的M個(gè)小車上的M件包裹，它與分揀機(jī)的環(huán)線運(yùn)行速度、命令發(fā)送的最小時(shí)間間隔和格口寬度有關(guān)。因?yàn)榻徊鎺Х謷到y(tǒng)的通信原理是當(dāng)載有貨物的小車快到達(dá)卸貨格口時(shí)，主控PLC發(fā)送該小車的卸貨命令，因此，命令必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)下發(fā)才可以落入規(guī)定的格口，否則分揀就會(huì)出錯(cuò);如果命令未能及時(shí)下發(fā)，只能等待載有貨物的小車在下一圈到達(dá)格口分揀，則會(huì)降低分揀效率。

假設(shè)無(wú)線通信系統(tǒng)的通信速率為B，bit/s，控制小車的字節(jié)數(shù)為N，bytes，格口的寬度為L(zhǎng)，m，環(huán)線運(yùn)行速度為V，m/s，則發(fā)送控制命令的時(shí)間Ts為：

小車經(jīng)過格口的時(shí)間Tall為：

因此，格口最大數(shù)量為：

2主控制器與小車無(wú)線通信系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)由上位PC機(jī)、主控制器、2.4GHz射頻發(fā)射板、2.4GHz射頻接收板和分組中轉(zhuǎn)板組成。上位機(jī)與主控制器通過Modbus TCP/IP協(xié)議進(jìn)行交互，主要提供包裹與小車的綁定信息及運(yùn)行信息;主控制器將小車控制命令通過RS485總線傳輸?shù)?.4GHz射頻發(fā)射板并發(fā)出，2.4GHz射頻接收板接收到命令后轉(zhuǎn)發(fā)給分組中轉(zhuǎn)板1到分組中轉(zhuǎn)板n，然后轉(zhuǎn)發(fā)到各分組，每個(gè)分組可驅(qū)動(dòng)若干個(gè)小車。主控制器與小車通信控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如2圖所示。

3主控制器與小車無(wú)線通信系統(tǒng)的通信協(xié)議

主控制器與小車無(wú)線通信系統(tǒng)的通信協(xié)議采用大連某公司高速直驅(qū)永磁無(wú)刷電動(dòng)滾筒的通信協(xié)議。該協(xié)議由運(yùn)行參數(shù)幀、運(yùn)行命令幀和應(yīng)答幀構(gòu)成。

運(yùn)行參數(shù)設(shè)定幀由8個(gè)字節(jié)組成，第1字節(jié)為起始符85H或95H，當(dāng)起始符為95H時(shí)，不返回運(yùn)行參數(shù)應(yīng)答幀;第2字節(jié)的bit5～bit0為小車編號(hào)，bit6為滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)方向，bit7固定為0;第3字節(jié)為運(yùn)行速度設(shè)定;第4字節(jié)為延遲運(yùn)行時(shí)間;第5字節(jié)為運(yùn)行時(shí)間低7位，第6字節(jié)為復(fù)合數(shù)據(jù);第7字節(jié)用于設(shè)置中轉(zhuǎn)分組;第8字節(jié)校驗(yàn)符。

運(yùn)行命令幀由8字節(jié)組成，第1字節(jié)為起始符8AH，第2字節(jié)為組內(nèi)1～7號(hào)小車運(yùn)行控制位，第3字節(jié)為9～15號(hào)小車運(yùn)行控制位，第4字節(jié)為17～23號(hào)小車運(yùn)行控制位，第5字節(jié)為25～31號(hào)小車運(yùn)行控制位，第6字節(jié)為8、16、24號(hào)小車運(yùn)行控制位，第7字節(jié)為中轉(zhuǎn)分組號(hào)，第8字節(jié)為2～7字節(jié)異或校驗(yàn)符。

應(yīng)答幀由4個(gè)字節(jié)組成，第1字節(jié)為應(yīng)答起始符;第2字節(jié)為應(yīng)答小車編號(hào);第3字節(jié)為應(yīng)答內(nèi)容，電機(jī)動(dòng)作及保護(hù)情況，正常為全0，有錯(cuò)或有保護(hù)則相應(yīng)位置1;第4字節(jié)為2、3字節(jié)異或校驗(yàn)符。

4無(wú)線通信系統(tǒng)制作

4.1無(wú)線通信系統(tǒng)硬件制作

根據(jù)圖2所示結(jié)構(gòu)圖，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)制作了2.4GHz射頻收發(fā)板、分組中轉(zhuǎn)板、電路板如圖3所示。圖中①為射頻收發(fā)板;②為24V電源接口;③為組內(nèi)RS485接口1;④為組內(nèi)RS485接口2;⑤為RS485總線串接口1;⑥為RS485總線串接口2;⑦～⑩為4路射頻接收板的接口，目的是增加冗余設(shè)備，提高接收的可靠性。其中③和④每組可帶31輛小車;⑤和⑥用來(lái)串接其他分組板，用以形成RS485總線。

射頻收發(fā)板主要功能是實(shí)現(xiàn)小車控制數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)射和接收。它采用隔離式RS485芯片ADM2587E，無(wú)線收發(fā)芯片NRFD24LE1E和功率放大器RFX2401C，外接20dB天線。分組中轉(zhuǎn)板主要功能是將射頻接收板收到的數(shù)據(jù)與本地地址比較，若地址相同則轉(zhuǎn)發(fā)至本分組中;若地址不同則放棄數(shù)據(jù)。實(shí)際電路中為了增加通信的可靠性，設(shè)計(jì)了4路射頻接收板，分別安裝于4個(gè)分組中轉(zhuǎn)板中;為了增加系統(tǒng)的小車容量，每個(gè)分組板可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)小組，每組31輛小車，共62個(gè)小車。它采用STM32F4系列單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理器，有6路串口，其中4路用作數(shù)據(jù)接收，2路用作組內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā);RS485芯片采用周立功公司的RSM3485模塊，每個(gè)模塊有兩路485轉(zhuǎn)換電路;板上設(shè)有撥碼開關(guān)，用于設(shè)定分組中轉(zhuǎn)板的地址。

4.2無(wú)線通信系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

4.2.1小車控制信息的發(fā)送

上位機(jī)將小車的控制參數(shù)發(fā)送給主控制器，主控制器按照運(yùn)行參數(shù)設(shè)定幀和運(yùn)行命令幀生成兩幀數(shù)據(jù)依次通過2.4GHz射頻發(fā)射板發(fā)出。

4.2.2小車控制信息的接收

射頻接收板的接收流程是首先接收運(yùn)行參數(shù)幀的幀頭（85H或95H），然后依次接收15個(gè)字節(jié)并存儲(chǔ)，然后計(jì)算第2至第7字節(jié)的異或和并判斷是否與第8字節(jié)相等，若相等則進(jìn)一步判斷第9字節(jié)是否等于運(yùn)行命令幀的幀頭（8AH），若相等，則計(jì)算第10至第15字節(jié)的異或和并判斷是否等于第16字節(jié)，若相等則將16字節(jié)通過RS485總線轉(zhuǎn)發(fā)到所有的中轉(zhuǎn)板上。中轉(zhuǎn)分組板始終處于等待接收狀態(tài)，一旦總線上有數(shù)據(jù)幀，就立即接收，若第7字節(jié)與其地址相同就轉(zhuǎn)發(fā)至組內(nèi)小車，小車接收到參數(shù)幀和命令幀后，控制小車轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)回復(fù)運(yùn)行參數(shù)應(yīng)答幀，否則就丟棄該數(shù)據(jù)幀。小車控制信息接收流程圖如圖4所示。

5通信系統(tǒng)測(cè)試

5.1通信系統(tǒng)距離測(cè)試

通信系統(tǒng)發(fā)射半徑的測(cè)試是在公司的生產(chǎn)車間進(jìn)行的，射頻發(fā)射板懸掛2m空中，射頻接收板與射頻發(fā)射板直線距離如表1所示。編寫了發(fā)射數(shù)據(jù)包程序，并對(duì)數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，接收端采用串口助手顯示接收數(shù)據(jù)及數(shù)量統(tǒng)計(jì)。根據(jù)分揀機(jī)設(shè)計(jì)要求，通信系統(tǒng)的字節(jié)丟失率需≤0.05%。由表1可知：該通信系統(tǒng)的有效發(fā)射半徑為60m左右。根據(jù)參考文獻(xiàn)3，我國(guó)目前生產(chǎn)的交叉帶小車規(guī)格尺寸分為650mm、750mm、800mm、1000mm四種。常用的小車尺寸為0.8m，因此，由公式1可得小車的最大容量N為471個(gè)。

圖5中交叉分揀機(jī)的通信參數(shù)為波特率38400bit/s，1位停止位，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，幀校驗(yàn)，控制小車的字節(jié)數(shù)為16字節(jié)，格口寬度為0.75m，環(huán)線運(yùn)行速度為2m/s，因此，由公式2～公式4，可得格口最大數(shù)量為75個(gè)，能夠滿足大部分應(yīng)用場(chǎng)景。

5.2交叉帶分揀機(jī)實(shí)測(cè)

通信系統(tǒng)的測(cè)試是在公司現(xiàn)有交叉帶分揀機(jī)上進(jìn)行的，如圖5所示。圖中所示的交叉帶分揀機(jī)共有78輛小車，占地面積約80m2，環(huán)線長(zhǎng)度約62.4m。主控制器與射頻接收設(shè)備最大距離約16m，因此，測(cè)試效果良好，未發(fā)現(xiàn)漏包現(xiàn)象。

6結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于分組中轉(zhuǎn)的無(wú)線射頻通信模式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給出了通信系統(tǒng)的小車容量和格口數(shù)量的計(jì)算方法，完成了電路制作、軟件協(xié)議設(shè)計(jì)并在公司交叉帶分揀機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該方法具有很高的實(shí)用價(jià)值。不足之處在于由于受場(chǎng)地限制，還未在更大的交叉帶分揀機(jī)上測(cè)試。

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