无人库区多跨环境通讯系统的研发

安乐新 卢武阳

摘 要：本文主要介绍了在无人库区多跨环境通讯系统的研发。包括：通讯方式、通讯协议、硬件搭建。无人库区多跨环境通讯系统的研发，综合现场环境干扰因素，设备选择最佳安装路径，避免通讯时的干扰。制定合理的通讯方式，实现无人库区在多跨环境下无人天车系统各设备间能够稳定有效的进行实时通讯。

关键词：无人库区;多跨环境;通讯系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.028

本文著录格式：安乐新，卢武阳.无人库区多跨环境通讯系统的研发[J].软件，2021，42（02）：093-095

Research and Development of Multi Span Environment Communication System for Unmanned Reservoir Area

AN Lexin， LU Wuyang

（Tangshan Iron & Steel Group Will Automation Co.，Ltd.， Tangshan  Hebei  063000）

【Abstract】：This paper mainly introduces the research and development of communication system in unmanned reservoir area. Including： communication mode， communication protocol， hardware construction. In the research and development of multi span environment communication system in unmanned reservoir area， the best installation path of equipment is selected to avoid the interference of communication. The reasonable communication mode should be established to realize the stable and effective real-time communication between the equipments of the unmanned crane system in the multi span environment.

【Key words】：unmanned reservoir area;multi span environment;communication system

0引言

目前，随着无人天车技术的兴起，无人库区中大多利用无线通讯技术实现设备间的实时数据交换。在无人库区多跨环境下，跨间往往由钢板、硬塑料等材料遮挡，在这种遮挡下会使无线信号受到屏蔽或者干扰，从而很难达到稳定有效的通讯效果。各设备间因为无法正常地实现实时的数据交换，导致无人库区管理及天车控制功能上面临瘫痪，严重影响了产线的生产节奏和无人天车的运行效率。因此，为了实现无人库区在多跨环境下能够稳定、实时、有效地进行通讯，必须针对受到干扰的因素，搭建合理的通訊方案，研发一种无人库区多跨环境通讯系统。

1通讯方式

工业通讯方式主要包含：工业以太网、光纤、无线、Profibus_DP、RS485总线、RS422总线、RS232总线、CAN总线等。无人库区多跨环境通讯系统采用以太网、光纤、无线、Profibus_DP、RS422等通讯方式。无人库区各设备包含：无人天车PLC、过跨车PLC、地面站PLC、工程师站、操作站、车辆识别装置等[1]。

无线目前主要采用2.4G和5G两种频段，5G频段区别于生活中的5G网络，它代表的是路由器发射信号的频段。2.4G采用第四代网络信号，5G采用的是第五代网络信号，两者各有利弊。5G频段使用22个信道，2.4G仅仅使用了3个信道。因此，5G频段在传输信号时不容易发生堵塞。5G频段拥有更高的频宽，相对于2.4G频段，5G频段干扰更小，传输速率更快。5G频段相对2.4G频段拥有更高频率的同时，其波长相对较短。所以5G频段穿过障碍物的能力相对弱，从而导致信号变弱。

在无人库区多跨环境下，每一跨之间往往有塑料板、钢板等材质遮挡，这就导致如果信号过跨传输的话会产生干扰，无人库区无线通讯又需要较快的通讯效率及稳定性。因此，通过综合考虑，以图1为例，该图为无人库区平面俯视图。无人库区包含三个天车跨，分别为1跨、2跨、3跨;每个跨包含两部天车。在每一跨均安装AP箱，分别为AP1、AP2、AP3。每台天车车体上安装无线客户端，AP箱与无线客户端之间通过无线方式进行通讯，通讯频段采用5G。这种规划就能在多跨环境下避免跨间格挡的干扰，使得数据传输更加稳定。

无人天车一级与无人天车二级进行接口通讯，无人天车二级生成工单需要发送给无人天车一级，一级根据天车的当前状态去执行工单，期间会将天车的实际状态反馈给二级。因此，无人天车一、二级间的通讯必须保证稳定。如图2所示，AP1、AP2、AP3通过以太网连接到AP2交换机，AP2再通过光纤与天车电气室中的中心交换机通讯，中心交换机通过光纤与天车操作室中的操作台交换机通讯。最后，天车一级工程师站、天车二级工程师站、天车服务器通过以太网连接到中心交换机来实现地面远程访问无人天车PLC和实现无人天车一、二级间的通讯。

无人天车二级库区管理系统与工厂三级进行接口通讯，工厂三级提供线上的生产计划、线上下线产品的钢卷跟踪信息、钢卷信息、成品库中的发货资源信息、发货车辆资源信息等。工厂三级系统通过以太网连接到中心交换机来实现无人天车二级库区管理系统与工厂三级系统的通讯。

如图2所示 ，地面站PLC安装在天车电气室中，通过以太网连接到中心交换机来实现地面站PLC与无人天车一级、地面站PLC与无人天车二级的接口通讯。地面站PLC与无人天车一级通讯主要是实现将现场安全门信号、操作台急停信号实时传送给无人天车PLC。例如在无人天车运行时即将发生事故，操作员可以拍下操作台上的急停按钮，拍下后地面站PLC接收到急停信号并将信号传送给对应的无人天车PLC，无人天车PLC接收到急停信号后触发系统软急停，可以有效避免事故发生。地面PLC与天车二级通讯包括：地面站PLC向天车二级发送产线的设备状态、钢卷的规格、钢卷位置等信号;地面站PLC接收天车二级控制产线设备锁定、解锁命令以及起、放吊完成信号等[2]。

在无人库区中，过跨车运行为无人模式，用于实现产品的多跨间运输。过跨车控制箱安装于过跨车本体，过跨车PLC柜安装于地面，CPU设置于过跨车PLC柜。过跨车PLC柜与过跨车本体之间通过自研发的远程无线数据传输系统，实现DI/DO数据采集发送，保证过跨车自动运行稳定可靠，位置信息准确反馈。如图1所示，过跨车PLC通过光纤连接到天车电气室中的中心交换机，实现地面远程访问过跨车。

2通讯协议

目前，工业自动化当中常用的通讯协议由Profibus_、TCP/IP、UDP、OPC、RS-485、RS-422、西门子S7通讯协议等。

Profibus协议： Profibus协议不限于设备生产商，属于一种国际化、标准化、开放式的一种协议，广泛应用于工业自动化控制。其通讯速率可在9.6kB/S～12MB/S间选择，速率选择越高，对应的传输距离越短，最大传输距离为1200米，最小传输距离为100米。无人天车PLC与传动变频器通过Profibus_DP总线方式通讯，通讯协议采用Profibus协议。

TCP协议：工业以太网（IE），由ISO/OSI模型的第一层至第七层构成，分别为：物理层、数据链接层、网络层、传输层、会话层、表达层、应用层。TCP在第四层传输层，TCP为面向连接的通讯，发送方与接收方通信时，必须首先建立连接。TCP传输形式为数据流，没有传输长度及信息帧的起始、结束信息。其利用滑动窗口提供流量控制传输，告知对方它能够接收数据的字节数。TCP适合中等到大量的数据，不高于32K字节。例如在西门子PLC中建立TCP通讯，通讯最大报文长度为1460字节。TCP传输数据前，双方必须对通讯进行初始化，并得到对方的认可，期间经过三次握手。无人库区中，天车上的无线客户端与无人天车PLC通讯，无线客户端与AP通讯，无人天车一级与天车二级通讯、过跨车PLC与地面站PLC通讯、无人天车一级与地面站PLC通讯、车辆识别装置与无人天车二级通讯等通讯协议均采用TCP。

RS422协议：RS422/RS485为非标准接口，一般为15针串行接口，每个设备的引脚均有定义。RS422为4线制，全双工模式，不允许产生多个发送方，但是可以存在多个接收方。最大传输速率为10Mb/S，传输速率越高其传输距离越短，最大传输距离为1219米。无人天车上的夹钳PLC与无人天车PLC通过一条双胶屏蔽线连接，串行接口只需接4根线，必要时需要接上屏蔽线。无人天车PLC与夹钳PLC通讯协议为RS422。

3硬件搭建

无人库区多跨环境通讯系统硬件构成包含：无人天车PLC、地面站PLC、过跨车PLC、车辆识别装置、AP箱、无线客户端、SCALANCE W734-1 RJ45模块、SCALANCE

W774-1 RJ45模块、天线装置、计算机、AP2交换机、中心交换机、服务器等。无人天车PLC和地面站PLC中用于实现通讯的主要模块包含：电源模块、CPU、CP343-1等。

如图1所示，无人库区包含三个天车跨，分别为1跨、2跨、3跨。每个跨包含两部天车，分别为1#天车、2#天车、3#天车、4#天车、5#天车、6#天车，天车PLC安装在天车的电气室中。每一个天车的车体上安装无线客户端，客户端包含SCALANCE W734-1模块及配套天线装置，天线装置一端连接到SCALANCE W734-1

模块，另一端引出到无线客户端外部较高位置;在天车平台对应每一跨的位置安装3组AP箱，分别为AP1、AP2、AP3，每一个AP箱中均安装SCALANCE W774-1模块及配套天线装置，天线装置一端连接到SCALANCE W774-1模块，另一端引出到AP箱外部较高位置，用于稳定接收来自天车的无线信号。在AP2中安装AP2交换机，AP1、AP2、AP3中的SCALANCE W774-1模块通过以太网连接到AP2交换机。SRS1、SRS2、SRS3为三个车辆识别装置，安装在每一跨对应的库区地面。过跨车贯穿于三跨，用于满足库区钢卷的过跨运输功能，过跨车PLC安装在过跨车周边位置。电气室中安装天车一级工程师站、天车二级工程师站、服务器、中心交换机和地面PLC等设备。操作电脑、操作台交换机安装在地面操作室，用于操作工在画面上操作和观看。

4结语

无人库区多跨环境通讯系统研发，通过考虑现场干扰因素、比较各种通讯方式的利弊，从而在各设备间制定合理的通讯方式及通讯协议。加上现场通讯设备合理布置，最終能够实现无人库区中各设备间能够有效稳定的进行信息交互。

参考文献

[1] 周志敏，纪爱华.西门子PLC通信网络解决方案及工程应用实例[M].北京：机械工业出版社，2014.

[2] 向晓汉.西门子PLC工业通信完全精通教程[M].北京：化学工业出版社，2013.