蔡明書，劉劍昀

(1.上海立達學院機電與信息學院，上海 201609)

(2.上海交通大學繼續(xù)教育學院，上海 200052)

現代電氣控制系統(tǒng)安裝與調試項目自2015年被正式確立為全國職業(yè)院校技能大賽(以下簡稱國賽)高職組的比賽項目至今已經有5個年頭了。該項目涵蓋了現代電氣控制應用領域所需的可編程邏輯控制器(PLC)控制技術、傳感器技術、網絡通信技術和觸摸屏組態(tài)等核心技術[1]。目前國內外主流的自動化企業(yè)紛紛推出了新款、高性能的PLC作為現代電氣控制系統(tǒng)的核心設備。該項目推薦三菱PLC(Q+FX3U)及西門子S7(300+200 smart或1500+1200)系列及匯川(AM600+H2U)系列的PLC作為比賽的選型設備。為了體現當前企業(yè)生產日趨智能化、信息化的特點，比賽要求側重于生產企業(yè)自動化電氣控制系統(tǒng)的網絡組建，以滿足復雜控制要求下不同自動化設備的通信需求。

1 三菱Q系列PLC與CC-Link通信網絡

三菱電機公司生產的PLC具有結構簡單、配置靈活和使用成本低等特點。三菱Q系列PLC是三菱公司中型機A系列PLC的升級產品，采用模塊化結構形式，產品的組成和規(guī)?？梢愿鶕刂埔箪`活組合。歷經十幾年的更新?lián)Q代，其性能領先于其他主流品牌的PLC產品，具有強大的組網功能并有很高的可靠性與兼容性。隨著網絡化控制和集散控制的發(fā)展，PLC生產企業(yè)都開發(fā)了相應的通信模塊或網絡系統(tǒng)[2]。

CC-Link是三菱電機公司開發(fā)的現場設備總線，是一種使用簡單、低成本、高性能的開放式現場總線網絡[3]。三菱PLC的網絡系統(tǒng)一般由現場設備總線網(CC-Link)、控制網(MELSECNET/H)和工廠信息網(Ethernet)構成[4]。CC-Link總線網絡底層遵循RS-485標準，性能有了大幅度提升，抗干擾能力強、通用性強，最大速率可達10 Mb/s[5]，但隨著工業(yè)網絡化的發(fā)展，其較小的通信網絡容量難以滿足現代化大中型網絡的現場設備控制需求。在集成其協(xié)議的循環(huán)通信技術基礎上，CC-Link家族新推出的CC-Link IE可以實現控制與信息網絡層間的整合[6]。Q系列PLC主要采用三菱MELSECNET/10(H)、CC-Link、串行通信等通信方式，并支持Modbus等其他廠商的網絡協(xié)議[7]。Q系列PLC通常搭配型號為QJ61BT11N的CC-Link通信模塊組成網絡主站，選用FX系列PLC作為從站時需搭配FX-CCL系列的通信模塊。

2 物流倉儲自動化系統(tǒng)的組網設計

現代物流倉儲系統(tǒng)通常由輸送設備、存儲設備與分揀設備等組成[8]。國賽現代電氣控制系統(tǒng)項目先后設立了倉庫分揀系統(tǒng)、立體倉庫系統(tǒng)和平面?zhèn)}庫系統(tǒng)等具有物流倉儲自動化特點的比賽任務[9]，各任務的電氣控制對象見表1。

表1 倉庫分揀系統(tǒng)、立體倉庫系統(tǒng)和平面?zhèn)}庫系統(tǒng)任務的電氣控制對象

本文以倉庫分揀系統(tǒng)任務為研究對象，選用CC-Link網絡對其進行通信組網設計與試驗。

2.1 倉庫分揀系統(tǒng)的控制要求

根據國賽題庫公布的倉庫分揀系統(tǒng)任務書，系統(tǒng)包括立體倉庫、倉庫分揀和平面存貨三大工作區(qū)。各工作區(qū)的主要控制要求是：立體倉庫區(qū)需實現倉庫取貨小車的水平、垂直運行控制；分揀區(qū)需完成貨物類型檢測及轉運傳送帶的控制；平面存貨區(qū)需對分揀傳送帶進行多段速變頻運行控制等。該系統(tǒng)的各工作區(qū)既要滿足獨立的控制要求，又要能實現互相協(xié)調的控制流程。圖1為倉庫分揀系統(tǒng)圖。

圖1 倉庫分揀系統(tǒng)圖

2.2 系統(tǒng)組網的硬件設計

依據倉庫分揀系統(tǒng)任務的控制要求，選用三菱Q系列的Q00UCPU搭配QJ61BT11N通信模塊作為CC-Link網絡的主站，倉庫分揀區(qū)和平面存貨區(qū)選用FX3U系列MR(繼電器輸出型)PLC作為網絡中從站1(遠程設備站)，立體倉庫區(qū)選用FX3U系列MT(晶體管輸出型)PLC作為網絡中從站2(遠程設備站)，并分別搭配FX2N-32CCL通信模塊和屏蔽電纜與主站組網。為減少設備終端的信號反射，整個系統(tǒng)組網的電纜兩端還需分別并聯(lián)1只110 Ω的終端電阻，每只電阻跨接在兩端站點通信模塊的DA和DB端子之間[4]。

組網中人機交互界面采用觸摸屏(HMI)控制主站及對各工作區(qū)從站進行統(tǒng)一的網絡監(jiān)控。選用昆侖通態(tài)公司的觸摸屏(TPC7062系列)，并通過型號為TPC-Q的RS-232接口電纜與主站PLC實現串行通信。倉庫分揀系統(tǒng)任務的組網設計連接圖如圖2所示。

圖2 倉庫分揀系統(tǒng)的組網設計連接圖

倉庫分揀系統(tǒng)的CC-Link組網一般包括系統(tǒng)組網的通信數據規(guī)劃、主站網絡參數設置、通信模塊參數設置、通信組網程序設計和觸摸屏的設置。

2.3 系統(tǒng)組網的通信數據規(guī)劃

根據組網系統(tǒng)的規(guī)模，從站可以設置成占用1到4個邏輯站，每個占用的邏輯站有32個遠程輸入/輸出點、4個遠程讀/寫寄存器。倉庫分揀系統(tǒng)的組網采用兩個從站各占用1個邏輯站的設置，具體規(guī)劃如下。

從站1：通過M0～M31、D0～D3讀取主站的通信數據，通過M64～M95、D10～D13共享給主站通信數據。

從站2：通過M32～M63、D4～D7讀取主站的通信數據，通過M96～M127、D14～D17共享給主站通信數據。

主站的遠程輸入/輸出點選用M元件，遠程讀/寫寄存器選用D元件。遠程輸出點(RY)為M0～M63，遠程輸入點(RX)為M64～M127。遠程輸入/輸出點按順序依次分配給從站1、從站2各32個輸入/輸出點。由于最終邏輯站的最后兩位輸入/輸出點被系統(tǒng)占用，不能用于主站與從站之間的通信[10]，因此每個從站可使用30個遠程輸入/輸出點。

2.4 系統(tǒng)組網的主站網絡參數設置

在CC-Link網絡中主站起到主管從站的作用，在整個CC-Link網絡中僅需要在主站中規(guī)劃通信數據并設置CC-Link網絡參數。在編程軟件GX Works2中新建“工程項目”，并進行CC-link主站參數設置。設置界面中，“模塊塊數”為“1”，“起始I/O”通過其端口分配設置中“PLC數據讀取”獲得，由主站的通信模塊安裝在基板中的插槽位置決定，本系統(tǒng)為“0000”；“類型”設置為“主站”，“模式設置”選擇“遠程網絡(Ver.1模式)”；“總連接臺數”依據網絡中從站的個數，設置為“2”；“遠程輸入(RX)、輸出(RY)點”依據上述M元件地址的分配設置為“M64”和“M0”?！斑h程讀寄存器(RWr)、寫寄存器(RWw)”依據上述D元件地址的分配設置為“D10”和“D0”。在網絡發(fā)生通信錯誤時系統(tǒng)將進行重試，重試次數系統(tǒng)默認設置為“3”；“自動恢復臺數”是從站因斷電等原因從數據鏈接中斷開后再次恢復鏈接時每次鏈接掃描能夠恢復的臺數，設置為“1”。

CC-Link網絡還需要在“站信息”中對從站進行參數設置，兩個從站的參數設置相同，“站類型”設置為“遠程設備站”，“占用站數”設置為“1”；系統(tǒng)中“保留/無效站”選項，設置為“無”。

2.5 系統(tǒng)組網的通信模塊參數設置

完成軟件中參數設置后，還要根據所設參數在CC-Link模塊上進行站數、站號和通信速率的設置。

從站的站數設置：將從站通信模塊的“OCCUPY STATION”旋轉開關設置為“0”，表示占用1個站(即占用1個邏輯站地址)。通過增加占用的站數可增加網絡系統(tǒng)中通信點數量[11]。

站號設置：主站、從站1和從站2通信模塊的“STATION NO×10”都設置為“0”，“STATION NO×1”分別設置為“0”“1”“2”。

通信速率的設置：根據CC-link網絡的工作環(huán)境可設置156 kb/s～10 Mb/s不同的傳輸速率。由于試驗環(huán)境較為理想，通信速率設為10 Mb/s，通信模塊上的“B RATE”設置成“4”。如果各個模塊的傳輸速率不一致，則通信錯誤燈“LERR”亮，此時各站之間無法進行數據傳輸。

2.6 系統(tǒng)組網的通信程序設計

CC-Link網絡主要采用廣播-輪詢通信方式[5]，通信過程中主站通過鏈接掃描方式與從站的通信模塊進行數據交換，從站使用FROM或TO指令讀寫緩沖存儲器BMF中的數據。從站1通過FROM指令從通信模塊的緩沖存儲器BMF讀取M0～M31和D0～D3的數據，用TO指令把M64～M95和D10～D13的數據傳到通信模塊的緩沖存儲器BMF中；從站2通過FROM指令讀取M32～M63和D4～D7的數據，用TO指令把M96～M127和D14～D17的數據傳到通信模塊的緩沖存儲器BMF中。圖3所示為從站1的通信程序。

圖3 從站1的通信程序

2.7 系統(tǒng)組網觸摸屏的設置

根據系統(tǒng)任務的控制要求，必須先在觸摸屏的配套組態(tài)軟件(MCGS)中設計控制界面并正確下載到設備。組網設計中觸摸屏與主站采用串行通信的方式。為實現觸摸屏與主站的正常通信，在觸摸屏組態(tài)軟件中建立Q系列工程串口，“編程接口類型”選項中選擇主站的型號，通信數據格式與主站設置一致。如果組態(tài)軟件的“編程接口類型”選項中沒有Q00UCPU，可選用同系列的Q02UCPU。

3 試驗與測試

基于上述倉庫分揀系統(tǒng)的通信組網設計，搭建了試驗的硬件平臺。該平臺主要由供電電源、控制設備、控制載體等組成。通信組網的測試區(qū)如圖4所示。

圖4 試驗平臺組網測試區(qū)

倉庫分揀系統(tǒng)的通信組網測試分為3個步驟。

第1步，CC-Link參數診斷。使用三菱編程軟件GX Work2對主站進行CC-Link診斷，查看通信模塊參數及網絡參數設置是否正確。CC-Link系統(tǒng)診斷測試界面如圖5所示。

圖5 CC-Link系統(tǒng)診斷測試界面

第2步，主站與各工作區(qū)從站的PLC通信測試。在主站、各從站的外部連接按鈕開關和指示燈，對各站網絡通信情況進行監(jiān)測。在設計的各站通信程序控制下，通過主站的外接按鈕開關逐步檢測各從站之間的通信情況，觀察外接指示燈的狀態(tài)是否正常，以此確定CC-Link網絡設計中的各項參數設置是否正確。

第3步，觸摸屏與主站、各工作區(qū)從站的PLC通信測試。在組態(tài)軟件中根據倉庫分揀系統(tǒng)的控制要求，設計了各站的組網測試界面。觸摸屏顯示的組網測試界面中“觸摸屏與主站通信燈”為通信狀態(tài)變量，通信狀態(tài)燈點亮表示觸摸屏與主站的通信參數設置正確。按下組網測試界面中的通信測試按鈕，從觸摸屏的通信顯示區(qū)中的指示燈狀態(tài)觀察各站的通信情況。倉庫分揀系統(tǒng)的通信組網測試界面如圖6所示。

圖6 倉庫分揀系統(tǒng)的通信組網測試界面

4 結束語

本文采用三菱系列PLC的CC-Link組網設計可以滿足國賽現代電氣控制系統(tǒng)安裝與調試項目倉庫分揀系統(tǒng)任務的通信控制要求，實現了各站之間的通信和有效控制。同時驗證了自行設計的試驗平臺能滿足該項目的國賽技術規(guī)范要求，為國賽的其他比賽任務提供了有益的借鑒。