载波通信在条烟自动分拣系统补货RGV上的应用

文/孙冠慧 樊泽洋 林晨骁

现代化分拣系统是分拣机械执行系统、信息系统以及管理组织系统的有机组合。其中，分拣机械执行系统主要是各种机械设备的有效组合和配置，信息系统是分拣信息和控制信息等信息流动的载体，管理组织系统负责设备、人员的调度。

通信技术是架设在机械设备和信息系统之间的桥梁，负责将执行指令传递给机械系统，驱动机械系统工作，是保证分拣系统正常运行的基础。

因此，本文以某物流中心为研究对象，研究条烟自动分拣系统补货小车通讯需求，重点分析通讯方式和调制方式，提出了一种抗干扰能力强、高传输速率、成本低、施工难度小的组网方案，以期提高信息传输效果。

一、问题分析

1.系统构成

通常全自动条烟分拣线补货RGV系统由若干小车、单台PLC控制单元、中央PLC控制系统、轨道系统及滑触线供电系统组成。滑触线供电系统安装在轨道系统的下方，通过集电器与行走小车连接。RGV在轨道上运行，通过集电器与轨道下方的滑触线接触与主控制柜进行信号传输。主控制柜相当于调度台，识别每个小车所处的工作状态，并根据预设的工作模式对其下达工作指令。

图1： RGV实物示意图

主要硬件设备如图1所示，具体为：

（1）主控器PLC一套，采用西门子S7 1500系列PLC，用于调度全部RGV任务指令；

（2）在一条轨道上配置8台RGV，每台RGV上采用西门子S7 1500系列PLC，用于对RGV的各项功能进行自主控制；

（3）RGV采用滑触线取电方式，通过两片碳刷与滑触线接线获取动力电（220V）。

2.约束条件

为上述系统设计通信方案时，要求建立一个稳定、可靠的通信功能，还应考虑成本和实施难度。具体包括：

（1）能够实时、准确地传输指令信息，应满足传输速率、传输距离、抗干扰性等要求。

（2）符合现场使用条件，应满足施工条件、空间限制、接入点数量限制。

（3）成本低，实施难度小。

二、通信方式设计

为减少现场布线难度，应尽量减少布线量。在通讯方式上，可以采用无线通讯或电力载波通讯。

无线通讯是多个节点间不经由导体或缆线传播进行的远距离传输通讯，电力载波通讯是利用电力线进行通信。考虑各RGV小车运行在固定轨道上，使用滑触线进行动力供电，可以方便地将电力通信网络延伸到移动载体控制侧，可将数据载波通过耦合电路耦合到电力线上，实现利用低压电力配电线作为信息传输媒介进行数据传输。因此，两个通讯方式均可作为备选。

根据约束条件，从传输速率、传输距离、布置、设定、抗干扰等五方面进行比较，详见表1。

经分析，电力载波通讯与无线通讯相比具有五个优势：

2.传输距离是无线通讯6倍以上；

3.无需安装额外设备，无施工难度，且节省成本；

4.安装无需任何设置，比无线组网过程方便；

5.是接触式通讯，比无线稳定，抗干扰性和安全性比无线高。

因此，选择电力载波通讯方式，充分利用电力线路和频率资源，通过补货小车的供电系统进行小车通讯。

三、调制方式设计

载波调制的基本原理是：在发送数据时，先将数据调制为高频信号，经功率放大后耦合到电力线上。由电力线路传输给接收方，接收端再通过耦合电路将高频信号接收，经过解调电路还原为数字信号。在工业环境下，重点考虑抗干扰能力和通信速率。

1.初步分析

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目前载波调制时采用的主要技术有四种：

（1）FSK(Frequency shift keying)：频移键控，利用不同的频率来表示信号的0或1。其优点为调制简单，无需复杂的锁相与载波同步，对硬件和软件资源要求较小，因此获得了广泛的应用。但缺点是对抗噪声的能力不够强，无法适应设计要求。

表1：无线通讯与电力载波通讯对比表

图2：单载波/多载波调制对比图

图3：载波通信组网方案

图4：组网流程

（2）PSK(Phase shift keying)：相移键控，采用固定的载波频率，通过改变载波的相位来传送0或1，单载波调制。其优点为具有很好的抗干扰性，在有衰落的信道中也能获得较好的通信效果。但缺点是相干解调实现复杂，而且用于载波同步的锁相环本身对噪声干扰有一定容限。

表2：故障统计表

表3：故障观察表

（3）DSSS(Direct sequence spread spectrum)：直接序列扩频，利用具有高码率的扩频码序列扩展信号的频谱和进行解码。其优点为能带来较大程度的信噪比改善，但缺点是当采用扩频体制时，为获得足够大的处理增益，系统占用带宽太大，减少了可供跳频的信道数，无法适应设计要求。

（4）OFDM (Orthogonal Frequency division multiplexing)：正交频分复用，将信道分为若干个正交子信道，将高速数据转换为并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输，多载波调制。其优点为具有较强的抗干扰能力和较高的通信速率，可利用带宽内的多个频点进行通信，但缺点是对载波频偏比较敏感。

因此，可在PSK和OFDM中进行详细必选。

2.抗干扰能力分析

3.通信速率分析

设共有N部RGV小车。对于多载波调制，每部小车占用1个子信道，若每个子信道码元持续时间为TS，每个子载波采用M进制调制，则占用的频带宽度为：

频带利用率为单位带宽传输的比特率为：

对于单载波调制的M进制码元传输，若想得到相同的传输速率，则码元持续时间应缩短为而占用带宽等于故单位带宽传输的比特率为：

因此，当小车个数超过1时，采用多载波调制比单载波调制单位带宽传输速率高将近1倍。

综上所述，OFDM方式属于多载波调制，抗干扰能力强，传输速率高，适用于设计要求。

四、组网方案

采用低压电力线宽带载波（LVPLC）通信技术实现设计目标，利用低压电力配电线（380/220V）作为信息传输媒介进行数据传输，通过OFDM调制模式，进行高速传输。把载有信息的高频信号加载于电流，利用各种等级的电力线传输，接受信息的调制解调器再把高频信号从电流中分离出来，并传送到电力线宽带用户终端（计算机、PLC）。

组网时，载波通信系统由集中器、采集器和PLC控制系统等组成，如图3。主控PLC通过PROFINET工业以太网直接与集中器通信，小车PLC通过PROFINET工业以太网与采集器通信，再通过电力线载波传输给集中器。将集中器安装在地面主控机柜内部，为单相AC220V供电，将采集器和小车PLC安装在运动的RGV内。

在集中器、采集器和PLC控制系统的设计中，载波通信模块为其中的重要部分，集中器中的主载波模块利用单相进行通信，在通信时需要对单相同时发出数据帧，由于通信采用全双工问答方式，同一时刻只有某一相上对应地址的从模块响应。

五、应用效果

1.使用情况

组网方案自2017年11月起在4条分拣线上使用。通信时，主控PLC通过集中器向RGV发出调度命令，采集器与小车PLC接收到调度命令后并执行。执行完成后通过电力线将执行结果传送给集中器，集中器进行规约解析后确认调度命令执行完成，过程如图4所示。

初期，RGV系统运行出现网络节点故障报警，故障统计情况如表2所示。

现场确认耦合器、软件均正常，判断问题很可能是由干扰引起的。通过检查接线发现，在布线时，错误地将信号线两端都接地，而接地电位差在屏蔽层内会流过电流会产生干扰。解决信号线接地后，问题彻底解决。自2018年4月起连续观察半年，AGV通信故障次数为0。

2.结果分析

若保证接线准确，本方案能够实现稳定可靠的通信效果，功能完善，通讯成功率100%，故障为0。

六、结语

本文介绍了低压电力线载波通信技术在条烟自动分拣系统补货RGV上的应用方法，给出设计过程和组网方案，并以某物流中心为试点进行使用，效果良好。经现场调试，能够保证提供稳定的通信。提出的组网方案采用通用技术和设备，适用于各类全自动条烟分拣系统，具有较高的推广价值。