煙草物流機(jī)中無(wú)線激光通信的應(yīng)用

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【摘要】在成品煙絲物流輸送過(guò)程中，移動(dòng)式翻箱機(jī)是煙絲投料工序的關(guān)鍵設(shè)備。移動(dòng)式翻箱機(jī)在煙絲倉(cāng)庫(kù)物流控制系統(tǒng)的調(diào)度下通過(guò)一系列機(jī)械動(dòng)作完成煙箱的傾倒任務(wù)。現(xiàn)有移動(dòng)式翻箱機(jī)與物流控制系統(tǒng)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(yīng)用效果，有一定的推廣和借鑒價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線激光；通信；移動(dòng)式翻箱機(jī)；煙草物流

煙草物流領(lǐng)域所使用的翻箱機(jī)，全稱為“煙絲物流移動(dòng)式翻箱倒料機(jī)”，是聯(lián)接箱式煙絲物流庫(kù)和卷包生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備之一。移動(dòng)式翻箱機(jī)需要與上、下級(jí)控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)操作站等進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通信；且具有運(yùn)動(dòng)控制復(fù)雜、設(shè)備結(jié)構(gòu)精密、機(jī)械位移運(yùn)動(dòng)頻率高、定位精度高，工作運(yùn)行范圍狹小的特點(diǎn)[1]。目前移動(dòng)式翻箱機(jī)與上游調(diào)度計(jì)算機(jī)的通信，是通過(guò)裝在移動(dòng)式翻箱機(jī)底架上的滑觸線相線集電臂與裝在導(dǎo)線槽中的兩條滑線數(shù)據(jù)線為通信渠道進(jìn)行互相通信[2]。上游調(diào)度計(jì)算機(jī)通過(guò)它向移動(dòng)式翻箱機(jī)傳送命令，移動(dòng)式翻箱機(jī)通過(guò)它向上游計(jì)算機(jī)傳遞自已的工作狀態(tài)。導(dǎo)線槽中除了兩條滑線數(shù)據(jù)線，還有三條交流強(qiáng)電線路并行排列，相線集電臂與導(dǎo)線槽中滑線數(shù)據(jù)線通過(guò)碳刷接觸，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，如圖1所示。翻箱機(jī)一旦與上游控制計(jì)算機(jī)發(fā)生通信中斷，就會(huì)停止運(yùn)行，直到通信恢復(fù)為止。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，由于安裝在相線集電臂上的碳刷沿著導(dǎo)線槽頻繁往復(fù)運(yùn)行，碳刷被不斷磨損，且產(chǎn)生的粉末會(huì)吸附阻塞在導(dǎo)線槽中，可能對(duì)翻箱機(jī)與上位工控機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸造成中斷，翻箱機(jī)停止工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)卷包車間煙絲供料中斷，造成人力物料的浪費(fèi)，極大影響生產(chǎn)穩(wěn)定性與連續(xù)性。采用無(wú)線激光通信技術(shù)作為移動(dòng)式翻箱機(jī)的通信方式可以有效解決上述問(wèn)題。無(wú)線激光通信是指在兩個(gè)或多個(gè)終端之間,利用在空間傳輸?shù)募す馐鳛樾畔⑤d體實(shí)現(xiàn)通信[3]。無(wú)線激光通信不是用光纖作為傳輸媒介，而是以空氣為媒質(zhì)，通過(guò)激光或光脈沖在太赫茲（THz）光譜范圍內(nèi)傳送信息的通信系統(tǒng)。無(wú)線激光通信與光纖通信相比，具有無(wú)需鋪設(shè)線路、組網(wǎng)靈活、建設(shè)周期短等特點(diǎn)；與無(wú)線電通信相比，具有通信容量大、不占用無(wú)線電頻譜資源、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]。無(wú)線激光通信本質(zhì)上也是一種無(wú)線電通信，但它與一般無(wú)線電通信相比又有區(qū)別,在無(wú)線激光通信系統(tǒng)中多了兩個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程，即在發(fā)送端進(jìn)行電-光的轉(zhuǎn)換，在接收端進(jìn)行光-電的轉(zhuǎn)換。無(wú)線激光通信技術(shù)目前已在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5,6]，本研究項(xiàng)目將采用目前比較成熟的紅外激光傳感器作為關(guān)鍵設(shè)備，并通過(guò)翻箱機(jī)電控系統(tǒng)通過(guò)有線數(shù)據(jù)線直接連接，實(shí)現(xiàn)上位計(jì)算機(jī)與翻箱機(jī)的通信控制。

1總體設(shè)計(jì)及選型

1.1總體設(shè)計(jì)

結(jié)合我廠目前再用的移動(dòng)式翻箱機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們采用光信號(hào)傳感器分開(kāi)水平固定的總體設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。移動(dòng)式翻箱機(jī)沿地面導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將兩個(gè)配對(duì)的光信號(hào)收發(fā)器分別設(shè)置在限位墩頂部與移動(dòng)式翻箱機(jī)底部一側(cè)且位于同一軸線上。根據(jù)固定光信號(hào)收發(fā)器的需要，設(shè)計(jì)并制作支架。固定于翻箱機(jī)底部的光信號(hào)收發(fā)器F2與翻箱機(jī)電控系統(tǒng)通過(guò)有線數(shù)據(jù)線直接連接。固定于限位墩頂部的光信號(hào)收發(fā)器F1與上位調(diào)度計(jì)算機(jī)通信直連。如圖3所示。當(dāng)上位調(diào)度計(jì)算機(jī)需要向翻箱機(jī)傳遞信息時(shí)，信息傳遞路徑為：通信網(wǎng)卡CP5613－＞重發(fā)器－＞紅外激光通信傳感器收發(fā)端F1－＞無(wú)線紅外光通路－＞紅外激光通信傳感器收發(fā)端F2－＞X#翻箱機(jī)電控系統(tǒng)PLC300；反之，當(dāng)翻箱機(jī)需要向上位調(diào)度計(jì)算機(jī)報(bào)告信息時(shí)，傳遞路徑則相反。

1.2硬件選型

根據(jù)總體設(shè)計(jì)思路，我們按照“性能優(yōu)先兼顧成本”的原則對(duì)所需元器件進(jìn)行篩選，主要元器件選擇情況如表1所示。在選配元器件過(guò)程中，充分利用現(xiàn)有備件或者拆機(jī)件，盡量減少對(duì)外采購(gòu)元器件數(shù)量，嚴(yán)格控制改造成本，達(dá)到企業(yè)提出的“降本增效”要求。

2方案實(shí)施

我廠目前共有5臺(tái)移動(dòng)式翻箱，我們將每一臺(tái)移動(dòng)式翻箱機(jī)拆除原有滑觸線通訊系統(tǒng)，然后按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改造。

2.1支架制作及器件安裝

根據(jù)選用的激光傳感器的尺寸大小，設(shè)計(jì)并加工制作與之匹配的鋼制支架，如圖4所示。支架對(duì)激光傳感器主要起到固定和保護(hù)的作用。其底部通過(guò)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(cè)頭通過(guò)開(kāi)放的一側(cè)發(fā)射光信號(hào)。

2.2線路鋪設(shè)及測(cè)試

在支架和元器件安裝結(jié)束后就進(jìn)入到線路鋪設(shè)及測(cè)試運(yùn)行。移動(dòng)式翻箱機(jī)一側(cè)的激光傳感器由移動(dòng)式翻箱機(jī)自身24V控制電路供電；限位墩一側(cè)的激光傳感器由比較鄰近的鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)電控系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸線路。最后，利用停產(chǎn)檢修時(shí)間，對(duì)安裝部署完成的無(wú)線激光通信系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試運(yùn)行。具體方法是：將翻箱機(jī)調(diào)制手動(dòng)模式，通過(guò)上位調(diào)度計(jì)算機(jī)對(duì)翻箱機(jī)下達(dá)任務(wù)或指令，檢測(cè)翻箱機(jī)是否能及時(shí)正確地作出相應(yīng)動(dòng)作。每一臺(tái)翻箱機(jī)經(jīng)過(guò)10次以上測(cè)試后，均能達(dá)到預(yù)期效果。

3效果分析

在對(duì)每一臺(tái)移動(dòng)式翻箱機(jī)測(cè)試完成后，便投入正式生產(chǎn)運(yùn)行，并連續(xù)8周跟蹤檢查并做記錄如表2所示。通過(guò)調(diào)取后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中翻箱機(jī)報(bào)警記錄，我們整理統(tǒng)計(jì)出2019年11月共4周時(shí)間內(nèi)翻箱機(jī)通信中斷類故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)為472次，平均為23.6次/臺(tái)/周。結(jié)合表2中數(shù)據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)改造后翻箱機(jī)通信中斷故障頻次大幅下降，由23.6次/臺(tái)/周下降為1.5次/周/臺(tái)，降幅達(dá)93.6%。此外從表2中，我們還可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)改造的5臺(tái)移動(dòng)式翻箱機(jī)通信中斷故障平均值比較接近，波動(dòng)小，說(shuō)明無(wú)線激光通信可以與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)每臺(tái)移動(dòng)式翻箱機(jī)匹配良好，具有一定的推廣價(jià)值。最后，我們對(duì)改造后的5臺(tái)移動(dòng)式翻箱機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察后發(fā)現(xiàn)，造成通信中斷的主要原因是：翻箱機(jī)在翻箱過(guò)程或左右移動(dòng)過(guò)程中有煙絲團(tuán)掉落，遮擋了無(wú)線激光傳感器的無(wú)線激光通路，造成信號(hào)傳輸暫時(shí)中斷。但是此種情況一般只會(huì)造成瞬時(shí)（小于2秒）通信中斷，中斷后能迅速恢復(fù)通信，對(duì)移動(dòng)式翻箱機(jī)的正常運(yùn)行不會(huì)造成影響。

4總結(jié)

本次研究結(jié)合移動(dòng)式翻箱機(jī)在工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和工況環(huán)境中的各種干擾因素，選擇無(wú)線激光通信技術(shù)在移動(dòng)式煙絲翻箱倒料機(jī)這一類煙草物流移動(dòng)設(shè)備的集成應(yīng)用；避免了因?yàn)榛|線、碳刷頭或線槽等由于磨損、環(huán)境干擾原因帶來(lái)的安全隱患、保養(yǎng)繁瑣等不利條件，減少了現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試、日常維護(hù)、故障排除的工作量；而且弱化了現(xiàn)場(chǎng)空間、環(huán)境等對(duì)設(shè)備的限制，提高了翻箱機(jī)在復(fù)雜工況下工作的可靠性，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式翻箱機(jī)與上位調(diào)度系統(tǒng)的無(wú)縫對(duì)接，使翻箱機(jī)類移動(dòng)設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)中更加穩(wěn)定可靠，有利于制絲生產(chǎn)向智能化、柔性化的進(jìn)一步發(fā)展。

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