煙草物流機中無線激光通信的應用

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【摘要】在成品煙絲物流輸送過程中，移動式翻箱機是煙絲投料工序的關鍵設備。移動式翻箱機在煙絲倉庫物流控制系統的調度下通過一系列機械動作完成煙箱的傾倒任務?，F有移動式翻箱機與物流控制系統之間的通信方式為滑觸線式，此種通信方式受環(huán)境及固有特性的局限存在諸多弊端，采用激光通信方式替代原有滑觸線式通信，可以有效克服上述缺陷，并取得較好應用效果，有一定的推廣和借鑒價值。

【關鍵詞】無線激光；通信；移動式翻箱機；煙草物流

煙草物流領域所使用的翻箱機，全稱為“煙絲物流移動式翻箱倒料機”，是聯接箱式煙絲物流庫和卷包生產線的關鍵設備之一。移動式翻箱機需要與上、下級控制系統、現場操作站等進行實時的數據通信；且具有運動控制復雜、設備結構精密、機械位移運動頻率高、定位精度高，工作運行范圍狹小的特點[1]。目前移動式翻箱機與上游調度計算機的通信，是通過裝在移動式翻箱機底架上的滑觸線相線集電臂與裝在導線槽中的兩條滑線數據線為通信渠道進行互相通信[2]。上游調度計算機通過它向移動式翻箱機傳送命令，移動式翻箱機通過它向上游計算機傳遞自已的工作狀態(tài)。導線槽中除了兩條滑線數據線，還有三條交流強電線路并行排列，相線集電臂與導線槽中滑線數據線通過碳刷接觸，從而實現數據的傳輸，如圖1所示。翻箱機一旦與上游控制計算機發(fā)生通信中斷，就會停止運行，直到通信恢復為止。在實際生產運行過程中，由于安裝在相線集電臂上的碳刷沿著導線槽頻繁往復運行，碳刷被不斷磨損，且產生的粉末會吸附阻塞在導線槽中，可能對翻箱機與上位工控機的數據傳輸造成中斷，翻箱機停止工作，嚴重時會引發(fā)卷包車間煙絲供料中斷，造成人力物料的浪費，極大影響生產穩(wěn)定性與連續(xù)性。采用無線激光通信技術作為移動式翻箱機的通信方式可以有效解決上述問題。無線激光通信是指在兩個或多個終端之間,利用在空間傳輸的激光束作為信息載體實現通信[3]。無線激光通信不是用光纖作為傳輸媒介，而是以空氣為媒質，通過激光或光脈沖在太赫茲（THz）光譜范圍內傳送信息的通信系統。無線激光通信與光纖通信相比，具有無需鋪設線路、組網靈活、建設周期短等特點；與無線電通信相比，具有通信容量大、不占用無線電頻譜資源、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點[4]。無線激光通信本質上也是一種無線電通信，但它與一般無線電通信相比又有區(qū)別,在無線激光通信系統中多了兩個轉換過程，即在發(fā)送端進行電-光的轉換，在接收端進行光-電的轉換。無線激光通信技術目前已在工業(yè)控制領域得到廣泛應用[5,6]，本研究項目將采用目前比較成熟的紅外激光傳感器作為關鍵設備，并通過翻箱機電控系統通過有線數據線直接連接，實現上位計算機與翻箱機的通信控制。

1總體設計及選型

1.1總體設計

結合我廠目前再用的移動式翻箱機結構特點，我們采用光信號傳感器分開水平固定的總體設計方案，如圖2所示。移動式翻箱機沿地面導軌往復運動，將兩個配對的光信號收發(fā)器分別設置在限位墩頂部與移動式翻箱機底部一側且位于同一軸線上。根據固定光信號收發(fā)器的需要，設計并制作支架。固定于翻箱機底部的光信號收發(fā)器F2與翻箱機電控系統通過有線數據線直接連接。固定于限位墩頂部的光信號收發(fā)器F1與上位調度計算機通信直連。如圖3所示。當上位調度計算機需要向翻箱機傳遞信息時，信息傳遞路徑為：通信網卡CP5613－＞重發(fā)器－＞紅外激光通信傳感器收發(fā)端F1－＞無線紅外光通路－＞紅外激光通信傳感器收發(fā)端F2－＞X#翻箱機電控系統PLC300；反之，當翻箱機需要向上位調度計算機報告信息時，傳遞路徑則相反。

1.2硬件選型

根據總體設計思路，我們按照“性能優(yōu)先兼顧成本”的原則對所需元器件進行篩選，主要元器件選擇情況如表1所示。在選配元器件過程中，充分利用現有備件或者拆機件，盡量減少對外采購元器件數量，嚴格控制改造成本，達到企業(yè)提出的“降本增效”要求。

2方案實施

我廠目前共有5臺移動式翻箱，我們將每一臺移動式翻箱機拆除原有滑觸線通訊系統，然后按照設計方案進行改造。

2.1支架制作及器件安裝

根據選用的激光傳感器的尺寸大小，設計并加工制作與之匹配的鋼制支架，如圖4所示。支架對激光傳感器主要起到固定和保護的作用。其底部通過螺栓與限位墩垂直固定，中間“凹”處固定安裝激光傳感器，激光傳感器探測頭通過開放的一側發(fā)射光信號。

2.2線路鋪設及測試

在支架和元器件安裝結束后就進入到線路鋪設及測試運行。移動式翻箱機一側的激光傳感器由移動式翻箱機自身24V控制電路供電；限位墩一側的激光傳感器由比較鄰近的鏈式輸送機電控系統中的24V控制電路供電。激光傳感器的采用PROFIBUS雙芯屏蔽電纜與DP接頭作為數據傳輸線路。最后，利用停產檢修時間，對安裝部署完成的無線激光通信系統進行測試運行。具體方法是：將翻箱機調制手動模式，通過上位調度計算機對翻箱機下達任務或指令，檢測翻箱機是否能及時正確地作出相應動作。每一臺翻箱機經過10次以上測試后，均能達到預期效果。

3效果分析

在對每一臺移動式翻箱機測試完成后，便投入正式生產運行，并連續(xù)8周跟蹤檢查并做記錄如表2所示。通過調取后臺數據庫中翻箱機報警記錄，我們整理統計出2019年11月共4周時間內翻箱機通信中斷類故障次數統計為472次，平均為23.6次/臺/周。結合表2中數據，我們可以發(fā)現經過改造后翻箱機通信中斷故障頻次大幅下降，由23.6次/臺/周下降為1.5次/周/臺，降幅達93.6%。此外從表2中，我們還可以發(fā)現通過改造的5臺移動式翻箱機通信中斷故障平均值比較接近，波動小，說明無線激光通信可以與生產現場每臺移動式翻箱機匹配良好，具有一定的推廣價值。最后，我們對改造后的5臺移動式翻箱機進行現場觀察后發(fā)現，造成通信中斷的主要原因是：翻箱機在翻箱過程或左右移動過程中有煙絲團掉落，遮擋了無線激光傳感器的無線激光通路，造成信號傳輸暫時中斷。但是此種情況一般只會造成瞬時（小于2秒）通信中斷，中斷后能迅速恢復通信，對移動式翻箱機的正常運行不會造成影響。

4總結

本次研究結合移動式翻箱機在工作時的運動特點和工況環(huán)境中的各種干擾因素，選擇無線激光通信技術在移動式煙絲翻箱倒料機這一類煙草物流移動設備的集成應用；避免了因為滑觸線、碳刷頭或線槽等由于磨損、環(huán)境干擾原因帶來的安全隱患、保養(yǎng)繁瑣等不利條件，減少了現場安裝調試、日常維護、故障排除的工作量；而且弱化了現場空間、環(huán)境等對設備的限制，提高了翻箱機在復雜工況下工作的可靠性，實現移動式翻箱機與上位調度系統的無縫對接，使翻箱機類移動設備在實際生產中更加穩(wěn)定可靠，有利于制絲生產向智能化、柔性化的進一步發(fā)展。

參考文獻

[1]陳建寧,田凱.IWLAN在物流翻箱機的應用研究[J].北京:科技創(chuàng)新導報,2014(29):74-79.

[2]李冬.移動翻箱機在煙絲物流系統中的應用與研究[D].北京工業(yè)大學,2016:10-11.

[3]王昆,桂玉屏,黎明聰.近距離無線激光通信系統的設計[J].光纖與電纜及其應用技術,2010(6):30-31.

[4]徐明.無線激光數據通信系統收發(fā)機的設計與實現[D].蘭州工業(yè)大學,2019:6-7.

[5]徐明.基于以太網的光無線通信系統設計與實現[J].電子應用技術,2004,11(2):40-41.

[6]徐明.基于以太網語音和IP數據無線光通信鏈路設計[J].電子科技,2015,28(11):86-87.

作者：陳力 范猛士 張臻涵 崔婭娟 單位：紅云紅河煙草（集團）有限責任公司曲靖卷煙廠