2. 系统架构概览：整体技术架构图、硬件层、软件层与网络拓扑
包装作业称重校验系统是一个典型的工业物联网（IIoT）与信息化系统融合的产物。其核心目标是在包装流水线上，通过高精度称重传感器实时捕获物料重量，结合PLC进行逻辑控制与数据采集，最终由上位机（SCADA/WES）与数据库完成数据校验、追溯与业务闭环。本章从整体技术架构、硬件层、软件层及网络拓扑四个维度，拆解系统的物理与逻辑构成。
2.1 整体技术架构图
系统采用“端-边-云”三层架构，但在车间级部署中，通常简化为“现场设备层-控制层-信息层”三层模型。下图展示了包装称重校验系统的核心组件与数据流向。
架构要点： 现场设备层负责物理信号采集与动作执行；控制层完成实时逻辑判定与协议转换；信息层实现业务规则校验、数据持久化与可视化。三层之间通过工业以太网或现场总线互联，确保数据从毫秒级实时控制到秒级业务响应的平滑过渡。
2.2 硬件层：称重传感器与PLC
硬件层是系统可靠性的基石。称重传感器负责将重量转换为电信号，PLC负责逻辑运算与设备控制。两者选型与配置直接影响称重精度与系统响应速度。
2.2.1 称重传感器
- 类型： 常用电阻应变式或数字式称重传感器。数字式（如基于CANopen或RS-485接口）抗干扰能力更强，适合长距离传输。
- 量程与精度： 根据包装物料重量选择，通常为 0~60 kg，精度等级 C3（OIML R60），分度值 ≤ 5 g。
- 安装方式： 动态称重场景下，传感器需配合缓冲机构或动态补偿算法，减少振动影响。
- 接口信号： 模拟量（0~10 V / 4~20 mA）或数字量（Modbus RTU / CANopen）。
2.2.2 PLC（可编程逻辑控制器）
- 核心功能： 采集称重传感器数据、执行重量上下限判定、控制剔除气缸与报警灯、与上位机通信。
- 选型建议： 中低端场景选用西门子 S7-1200 或三菱 FX5U；高端场景选用 S7-1500 或倍福 CX系列，支持高速计数与运动控制。
- I/O 配置： 至少包含模拟量输入模块（用于称重传感器）、数字量输入（光电传感器）、数字量输出（剔除/报警）。
- 通信协议： 标配 Profinet / EtherNet/IP / Modbus TCP，用于与上位机及边缘网关交互。
| 硬件组件 | 关键参数 | 推荐型号 / 规格 | 接口方式 |
|---|---|---|---|
| 称重传感器 | 量程 30 kg，精度 C3 | 梅特勒-托利多 MTB-30 | 模拟量 4~20 mA |
| 称重变送器 | 激励电压 10 V，输出 4~20 mA | 西门子 7MH4138 | 模拟量 → PLC AI |
| PLC 主控 | CPU 1214C，AI 2×13 bit | 西门子 S7-1200 | Profinet / Modbus TCP |
| 光电传感器 | 检测距离 0~2 m，PNP | 欧姆龙 E3Z-D61 | 数字量 DI |
| 剔除气缸 | 缸径 25 mm，行程 100 mm | SMC CG系列 | 数字量 DO + 电磁阀 |
选型避坑： 称重传感器与变送器必须匹配激励电压与输出信号类型。PLC 模拟量模块的分辨率应不低于 12 bit，否则在 0~30 kg 量程下，理论分辨率可能超过 10 g，无法满足高精度校验需求。
2.3 软件层：上位机与数据库
软件层是系统的“大脑”与“记忆”。上位机负责实时监控、规则配置与操作交互；数据库负责存储称重记录、校验结果与追溯信息。
2.3.1 上位机（SCADA / WES）
- SCADA 系统： 如 WinCC、Intouch、组态王，用于实时显示称重数据、报警记录、趋势曲线。
- WES（仓库执行系统）客户端： 定制化界面，集成称重校验业务逻辑，如皮重扣除、上下限判定、批次放行。
- 接口对接： 通过 OPC UA / Modbus TCP 从 PLC 读取重量值；通过 REST API 或 ADO.NET 写入数据库。
- 业务规则引擎： 支持动态配置称重公差（如 ±5 g）、超差处理策略（报警/剔除/人工复核）。
2.3.2 数据库
- 选型： 车间级推荐 SQL Server / PostgreSQL；轻量级可选 SQLite（仅用于本地缓存）。
- 核心表结构： 称重记录表（WeighingRecord）、校验规则表（CheckRule）、耗材批次表（MaterialBatch）。
- 数据流： 上位机每完成一次称重校验，将结果（重量值、判定结果、时间戳、操作员ID）写入数据库，供后续追溯与报表分析。
- 接口方式： 上位机通过 ODBC / JDBC 或 ORM 框架（如 Entity Framework）操作数据库。
2.4 网络拓扑
网络拓扑决定了系统的通信效率与可靠性。包装称重校验场景通常采用星型或环型工业以太网拓扑，兼顾实时性与扩展性。
2.4.1 拓扑结构
- 核心层： 工业以太网交换机（如西门子 SCALANCE X系列），连接服务器、上位机与PLC。
- 接入层： 现场级交换机或集线器，连接称重变送器、光电传感器（通过PLC间接接入）。
- 网络分段： 控制层网络（Profinet RT）与信息层网络（TCP/IP）建议物理隔离或VLAN划分，避免广播风暴影响实时性。
2.4.2 关键网络参数
| 网络区域 | 协议 | 带宽要求 | 延迟要求 | 安全策略 |
|---|---|---|---|---|
| 控制层（PLC ↔ 传感器） | Profinet / EtherNet/IP | ≥ 100 Mbps | < 10 ms | MAC地址绑定 |
| 信息层（上位机 ↔ 数据库） | TCP/IP | ≥ 1 Gbps | < 100 ms | 防火墙 + 访问控制列表 |
| 远程访问（可选） | VPN / OPC UA Tunneling | ≥ 10 Mbps | < 500 ms | 加密隧道 + 双因子认证 |
网络拓扑最佳实践： 在包装线现场，建议将PLC、称重变送器与上位机置于同一工业交换机下，采用静态IP分配。数据库服务器可部署在车间机房或私有云，通过千兆光纤上联。所有网络设备应支持SNMP，便于统一监控与故障定位。
2.5 系统集成要点总结
包装作业称重校验系统的架构设计需关注以下集成要点：
- 硬件选型匹配： 称重传感器精度、PLC扫描周期、通信协议必须统一规划，避免瓶颈。
- 接口标准化： 优先采用OPC UA作为控制层与信息层的统一数据模型，降低多厂商设备集成难度。
- 数据一致性： 上位机与数据库之间的事务写入需考虑异常重试与日志补偿，防止称重记录丢失。
- 网络安全： 控制层网络禁止直接暴露在办公网或互联网，通过工业防火墙或串口服务器隔离。
- 可扩展性： 架构设计时应预留至少20%的I/O点与网络端口，支持未来产线扩容。