自动控制技术在物流系统中的应用

随着网络技术的发展，互联网正在把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成起来，形成信息高速公路，形成公用数据网络。在此基础上，传统的工业控制领域也正经历一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展，形成了新的控制网络。控制系统的结构从最初的CCS(计算机集中控制系统)，到第二代的DCS(集散控制系统)，发展到现在流行的FCS(现场总线控制系统 )。而新一代的工业Ethernet控制系统又将引起工控领域新的变革。

一、集散控制系统取代计算机集中控制系统

上个世纪60年代，数字计算机进入控制领域，产生了第一代控制系统CCS(计算机集中控制系统)。在CCS中，数字计算机取代了传统的模拟仪表，从而能够使用更为先进的控制技术，例如，复杂控制算法和协调控制，这使自动控制发生了质的飞跃。但由于控制简单，直接面向控制对象，并未形成控制网络体系。CCS在集中控制的同时也集中了危险，系统可靠性很低。由于只有一个CPU工作，实时性差。系统越大，上述缺点越突出。

真正意义的工业控制网络体系是上个世纪70年代出现的第二代计算机控制系统：分散型控制系统DCS(也称集散控制系统)。目前所使用的DCS有环形、总线形和分级式几种，其中分级式应用最为普遍。

典型的DCS可分为操作站级、过程控制级和现场仪表三级。这种控制系统的特点是“集中管理，分散控制”。其基本控制功能在过程控制级中，工作站级的主要作用是监督管理。分散控制使得系统由于某个局部的不可靠而造成对整个系统的损害降到很低的程度，加之各种软硬件技术不断走向成熟，极大地提高了整个系统的可靠性，因而迅速成为工业自动控制系统的主流。

然而，DCS的缺点也是十分明显的。首先，其结构是多级主从关系，底层相互间进行信息传递必须经过主机，从而造成主机负荷过重，效率低下，并且主机一旦发生故障，整个系统就会“瘫痪”。其次，它是一种数字模拟混合系统，DCS的现场仪表仍然使用传统的4～20mA电流模拟信号，传输可靠性差，成本高。再有，各厂家的DCS自成标准，通讯协议封闭，极大地制约了系统的集成与应用。

二、现场总线控制网络系统

为了克服DCS系统的技术瓶颈，进一步满足现场的需要，现场总线技术应运而生，它实际上是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，也被称为现场底层设备控制网络(1NFRANET)。和Internet、Intranet等类型的信息网络不同，控制网络直接面向生产过程，因此要求很高的实时性、可靠性、资料完整性和可用性。为满足这些特性，现场总线对标准的网络协议作了简化，省略了一些中间层，只包括ISO／OSl7层模型中的三层：物理层、数据链路层和应用层。

现场总线在发展的最初，各个公司都提出自己的现场总线协议。IEC(国际电工委员会)组织于1999年12月37日投票确定了8大总线作为国际现场总线标准，其中包括CANBus、ProfiBus、InterBus、ModBus、Devicenet、Foundation Fieldbus等等。而在此基础上形成了新的现场总线控制系统(FieldbusControISystem，FCS)。它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。相应的控制网络结构也发生了较大的变化。FCS的典型结构分为三层：设备层、控制层和信息层。

虽然现场总线技术发展非常迅速，但也存在许多问题，制约其应用范围的进一步扩大。

(1)现场总线的选择。虽然目前IEC组织已达成了国际总线标准，但总线种类仍然过多，而每种现场总线都有自己最合适的应用领域，如何在实际中根据应用对象，将不同层次的现场总线组合使用，使系统的各部分都选择最合适的现场总线，对用户来说，仍然是比较棘手的问题。

(2)系统的集成问题。由于一个系统在实际应用中很可能存在不同时期、不同厂家的多种形式的现场总线，因此如何把工业控制网络与数据网络进行无缝的集成，从而使整个系统实现管控一体化，是关键环节。现场总线系统在设计网络布局时，不仅要考虑各现场节点的距离，还要考虑现场节点之间的功能关系、信息在网络上的流动情况等。由于智能化现场仪表的功能很强，因此许多仪表会有同样的功能块，组态时选哪个功能块是要仔细考虑的；要使网络上的信息流动最小化。同时通信参数的组态也很重要，要在系统的实时性与网络效率之间做好平衡。

(3)存在技术瓶颈问题。主要表现在：

a．当总线电缆截断时，整个系统有可能瘫痪。用户希望这时系统的效能可以降低，但不能崩溃，这一点目前许多现场总线不能保证。

b．防爆理论的制约。现有的防爆规定限制总线的长度和总线上负载的数量。这就是限制了现场总线节省线缆优点的发挥。目前各国都在对现场总线本质安全概念(FISCO)理论加强研究，争取有所突破。

C．系统组态参数过分复杂。现场总线的组态参数很多，不容易掌握，但组态参数设定得好坏，对系统性能影响很大。

三、以太控制网络

控制网络的发展，其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯协议。上述出现的问题，根本原因在于现场总线的开放性是有条件的、不彻底的。

未来的自动化系统向我们提出了更高的要求，I／O数据、参数诊断、诊断数据“一线传输”；类似INTERBUS或PROFIBUSDP的同步传输；方便的光缆安装和光纤诊断；自动检测网络结构等。

以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。近些年来，随着网络技术的发展，以太网进入了控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展，开放的、透明的通讯协议是必然的要求。目前的现场总线由于种类繁多，互不兼容，尚不能满足这一要求。而工业以太网能同时以单一一条工业以太网缆线的解决方案满足三个自动化领域的需求，包括IT集成化领域、实时自动化领域和同步实时运动控制领域。体现了在工控领域通讯这一关键环节具有无可比拟的优势。

在自动化领域中应用比较广泛的工业以太网是以德国西门子公司的Profinet和美国罗克韦尔公司的EtherNet／IP。

下面对工业以太网的特性及目前的发展现状以Profinet为例做一说明。

1．工业环境对以太网应用的特殊要求

高可靠性；快速反映时间；高效率的网络的设备

诊断；可组态的访问保护；已核准的安全性应用；集成现有的设备；已核准的工业安装；成套装备级的工程设计等。

Profinet具有如下特性：首先，Profinet基于以太网，使用TCP／IP和IT标准，Profinet是实时的自动化通信技术，能够与现有现场总线系统PROFIBUS等无缝地集成。能连接更多的站点，可用于运动控制应用中，使用工业局域网进行无线通信，且便于扩大规模和扩大新的应用领域。

2．实时性

一般认为，传统以太网采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测(CSMA／CD)通讯方式，在实时性要求较高的场合下，因为信道竞争和碰撞，数据的传输可能会产生延滞。以太网的这种“不确定性”导致它不能满足控制系统的实时性要求。在理论上可以采取以下两种措施来解决这个问题：

采用快速以太网以加大网络带宽，限制总线上站点数目，控制网络流量等措施，使总线型网络保持在轻负载工作条件下，可以减少因竞争信道而应起的碰撞，相应的提高了实时性。

采用交换式以太网，用交换技术替代原有的总线型CSMA／CD技术，避免了由于多个站点共享并竞争信道导致发生的碰撞，减少了信道带宽的浪费，同时还可以实现全双工通信，提高信道的利用率。

近些年来出现了快速交换式以太网技术，采用全双工通信，可以完全避免CSMA／CD中的碰撞，并且可以方便地实现优先级机制，保证网络带宽的最大利用率和最好的实时性能。它完全避免了CSMA／CD、主从、令牌等可能的低效率。并且网络速度也在不断提高，从最初的10M发展到快速以太网(100M)再到1000M以太网，因此有理由相信，未来的以太网完全可以满足工控系统实时性的要求。

Profinet通信有不同的层次。对时间要求并不苛刻的参数、组态数据和互联信息通过基于TCP／UDP和P标准通道在Profinet中传输。这是满足自动化网络与其他网络连接的先决条件。被称为RealTime(RT)的实时通道在工厂生产中传输实时过程数据。该通道在基于控制器的软件中运行。对于运动控制(如包装机械，印刷机械)，使用等时同步实时技术(IRT)，可使时钟抖动小于I u s。

Profinet解决方案完全符合IEEE802．3标准。在运动控制应用中，它可以在其他自动化或肝功能运行的同时，以同步实时模式(IRT)在一毫秒内控制150个轴。

Profinet的这一系列特点可以预示了工业以太网良好的应用前景。

3．透明TCP／IP协议

TCP／IP通讯协议已是国际公用的标准，TCP／IP协议极其灵活，几乎所有的网络底层技术都可用于传输TCP／IP的通信。应用TCP／IP协议的以太网已成为最流行的分组交换局域网技术，同时也是最具开放性的网络技术。TCP／IP进入工业现场，使得工厂的管理可以深入到控制现场，是Intranet延伸到现场设备的基础，是通过Internet远程监控工业生产过程和远程系统调试、设备故障诊断的基础。具有TCP／IP接口的现场设备可以无须通过现场的计算机，直接连接Internet，达到远程监控或远程维修的功能。

PROFIBUS国际组织推出的基于以太网的Profinet自动化解决方案，为用户提供了一套完整高性能可伸缩的升级至工业以太网平台的解决方案。它不仅能为PROFIBUS，而且能为其他现场总线网络系统提供与以太网的有机连接。Profinet以PROFIBUS的经验为基础，能够满足向分布式自动化系统发展的潮流趋势，为日趋全球化和因特网日益普及的世界提供了一种灵活而且面向未来的自动化途径。Profinet融合了大量基于IT标准的功能，并通过不断创新的硬件平台构成一个灵活的解决方案。对于用户而言，Profinet可以使工程与组态、试运行、操作和维护更为便捷。

4．资源共享

目前采用特定的FielddBus作为现场自动化的网络架构，所有的硬件采购，布线施工、软件开发、维护等等都受制于此架构，若要利用其他公司的产品，则系统的集成又将成为难点。采用TCP／IPEthernet架构，则无论是cable、connector、switchingHUB，网络接口至软件开发环境皆与主流市场相同，很容易达到资源共享。

Profinet的一个重要特点是，可以把其他现场总线如PROFIBUSDP无缝集成到Profinet上，从而极大保护了设备制造商、成套装置或机器制造商和终端用户的投资。

但是，从目前趋势来看，工业以太网进入现场控制级毋庸置疑。但至少现在看来，它还难以完全取代现场总线，作为实时控制通信的单一标准。已有的现场总线仍将继续存在，最有可能的是发展一种混合式控制系统。

其配置图见上图：

四、昆船公司在物流自动化技术方面的应用

自1996年进入物流行业以来，昆船物流公司一直致力于物流系统自动化技术的开发研制和技术创新工作，公司凭借雄厚的自动化物流系统规划设计、系统集成及设备研发制造能力，迄今为止，已在国内烟草、家电、军队、医药、商业、航空等行业，成功实施了40多项大型综合自动化物流系统工程，实现了物流系统控制技术的跨越式发展，从颐中集团青岛卷烟厂成品库的DCS控制技术到海尔集团自动化物流系统的现场总线控制技术，再到红塔集团自动化物流系统的“INTERBUS+ETHERNET”的控制技术，其自动化物流系统的控制技术始终保持着国内领先、国际先进的水平。

案例一：玉溪卷烟厂现场总线应用实例

本系统的控制网络采用德国的菲尼克斯公司的INTERBUS现场总线。INTERBUS现场总线具备强大的故障诊断功能；采用双绞线无中继器传输距离长达12．8公里；单主站可连接最多达255个从站；扫描4096l／O点的时间仅为7．8毫秒(500Kbps)。是一种非常成熟的现场总线技术(见上图所示)。

1)控制系统组成

输送线控制系统电控柜(菲尼克斯公司带以太网接口的ILC350)；

变频控制器(菲尼克斯公司IBS系列，带有BUSI／O模块)；

电机启动器(菲尼克斯公司IBS系列电机启动器，带有BUSI／O模块)；

操作台(菲尼克斯公司工控机)；

条码识别装置(P+F公司扫描器、适配器等共5套)。

2)控制系统简介

物料输送线控制系统主要实现原料出入库输送、原料抽检等输送功能。设备主要包括输送机、往复式穿梭车、环型穿梭车、外形检测站、条码识别器、巷道堆垛机控制接口等相关设备。作为设备级控制系统，物料输送线控制系统接收上位系统的命令，检测输送设备状态及运载货物信息控制输送设备的运行，跟踪监视烟箱、托盘工作轨迹，并将设备状态及货物信息送到上位系统。

案例二：将军集团徐州卷烟厂PROFINET应用实例

1)控制系统组成(见下图所示)

输送线控制PLC(西门子公司S7400)；

操作台(菲尼克斯公司工控机)；

条码识别装置(SICK公司扫描器、适配器)；

中心机架以太网模块(西门子公司CP443—1Advanced)；

工业以太网交换机(西门子公司SCALANCEX)；

无线局域网部件(西门子公司SCALANCEW)：

2)控制系统简介

物料输送线控制系统主要实现物料出入库输送、物料抽检等输送功能。设备主要包括输送机、往复式穿梭车、环型穿梭车、外形检测站、条码识别器、巷道堆垛机控制接口等相关设备。

使用了PROFINET，使调度控制层和设备执行层使用了相同的网络和协议，减少了网络层次，增加了信息获取的开放性，使得信息管理层能直接获取设备执行层的实时生产信息。

系统中IE／PBLinkPNIO完成PROFIBUS转PROFINET功能，使一些只具有PROFIBUSDP分布式网络设备(条码、RFID系统和第三方IO模块等)连接到PROFINET网络上，有效地将以前项目中使用的PROFIBUS网络部件整合到新系统中，节约了投资成本。