烟草物流机中无线激光通信的应用

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【摘要】在成品烟丝物流输送过程中，移动式翻箱机是烟丝投料工序的关键设备。移动式翻箱机在烟丝仓库物流控制系统的调度下通过一系列机械动作完成烟箱的倾倒任务。现有移动式翻箱机与物流控制系统之间的通信方式为滑触线式，此种通信方式受环境及固有特性的局限存在诸多弊端，采用激光通信方式替代原有滑触线式通信，可以有效克服上述缺陷，并取得较好应用效果，有一定的推广和借鉴价值。

【关键词】无线激光；通信；移动式翻箱机；烟草物流

烟草物流领域所使用的翻箱机，全称为“烟丝物流移动式翻箱倒料机”，是联接箱式烟丝物流库和卷包生产线的关键设备之一。移动式翻箱机需要与上、下级控制系统、现场操作站等进行实时的数据通信；且具有运动控制复杂、设备结构精密、机械位移运动频率高、定位精度高，工作运行范围狭小的特点[1]。目前移动式翻箱机与上游调度计算机的通信，是通过装在移动式翻箱机底架上的滑触线相线集电臂与装在导线槽中的两条滑线数据线为通信渠道进行互相通信[2]。上游调度计算机通过它向移动式翻箱机传送命令，移动式翻箱机通过它向上游计算机传递自已的工作状态。导线槽中除了两条滑线数据线，还有三条交流强电线路并行排列，相线集电臂与导线槽中滑线数据线通过碳刷接触，从而实现数据的传输，如图1所示。翻箱机一旦与上游控制计算机发生通信中断，就会停止运行，直到通信恢复为止。在实际生产运行过程中，由于安装在相线集电臂上的碳刷沿着导线槽频繁往复运行，碳刷被不断磨损，且产生的粉末会吸附阻塞在导线槽中，可能对翻箱机与上位工控机的数据传输造成中断，翻箱机停止工作，严重时会引发卷包车间烟丝供料中断，造成人力物料的浪费，极大影响生产稳定性与连续性。采用无线激光通信技术作为移动式翻箱机的通信方式可以有效解决上述问题。无线激光通信是指在两个或多个终端之间,利用在空间传输的激光束作为信息载体实现通信[3]。无线激光通信不是用光纤作为传输媒介，而是以空气为媒质，通过激光或光脉冲在太赫兹（THz）光谱范围内传送信息的通信系统。无线激光通信与光纤通信相比，具有无需铺设线路、组网灵活、建设周期短等特点；与无线电通信相比，具有通信容量大、不占用无线电频谱资源、抗电磁干扰能力强等优点[4]。无线激光通信本质上也是一种无线电通信，但它与一般无线电通信相比又有区别,在无线激光通信系统中多了两个转换过程，即在发送端进行电-光的转换，在接收端进行光-电的转换。无线激光通信技术目前已在工业控制领域得到广泛应用[5,6]，本研究项目将采用目前比较成熟的红外激光传感器作为关键设备，并通过翻箱机电控系统通过有线数据线直接连接，实现上位计算机与翻箱机的通信控制。

1总体设计及选型

1.1总体设计

结合我厂目前再用的移动式翻箱机结构特点，我们采用光信号传感器分开水平固定的总体设计方案，如图2所示。移动式翻箱机沿地面导轨往复运动，将两个配对的光信号收发器分别设置在限位墩顶部与移动式翻箱机底部一侧且位于同一轴线上。根据固定光信号收发器的需要，设计并制作支架。固定于翻箱机底部的光信号收发器F2与翻箱机电控系统通过有线数据线直接连接。固定于限位墩顶部的光信号收发器F1与上位调度计算机通信直连。如图3所示。当上位调度计算机需要向翻箱机传递信息时，信息传递路径为：通信网卡CP5613－＞重发器－＞红外激光通信传感器收发端F1－＞无线红外光通路－＞红外激光通信传感器收发端F2－＞X#翻箱机电控系统PLC300；反之，当翻箱机需要向上位调度计算机报告信息时，传递路径则相反。

1.2硬件选型

根据总体设计思路，我们按照“性能优先兼顾成本”的原则对所需元器件进行筛选，主要元器件选择情况如表1所示。在选配元器件过程中，充分利用现有备件或者拆机件，尽量减少对外采购元器件数量，严格控制改造成本，达到企业提出的“降本增效”要求。

2方案实施

我厂目前共有5台移动式翻箱，我们将每一台移动式翻箱机拆除原有滑触线通讯系统，然后按照设计方案进行改造。

2.1支架制作及器件安装

根据选用的激光传感器的尺寸大小，设计并加工制作与之匹配的钢制支架，如图4所示。支架对激光传感器主要起到固定和保护的作用。其底部通过螺栓与限位墩垂直固定，中间“凹”处固定安装激光传感器，激光传感器探测头通过开放的一侧发射光信号。

2.2线路铺设及测试

在支架和元器件安装结束后就进入到线路铺设及测试运行。移动式翻箱机一侧的激光传感器由移动式翻箱机自身24V控制电路供电；限位墩一侧的激光传感器由比较邻近的链式输送机电控系统中的24V控制电路供电。激光传感器的采用PROFIBUS双芯屏蔽电缆与DP接头作为数据传输线路。最后，利用停产检修时间，对安装部署完成的无线激光通信系统进行测试运行。具体方法是：将翻箱机调制手动模式，通过上位调度计算机对翻箱机下达任务或指令，检测翻箱机是否能及时正确地作出相应动作。每一台翻箱机经过10次以上测试后，均能达到预期效果。

3效果分析

在对每一台移动式翻箱机测试完成后，便投入正式生产运行，并连续8周跟踪检查并做记录如表2所示。通过调取后台数据库中翻箱机报警记录，我们整理统计出2019年11月共4周时间内翻箱机通信中断类故障次数统计为472次，平均为23.6次/台/周。结合表2中数据，我们可以发现经过改造后翻箱机通信中断故障频次大幅下降，由23.6次/台/周下降为1.5次/周/台，降幅达93.6%。此外从表2中，我们还可以发现通过改造的5台移动式翻箱机通信中断故障平均值比较接近，波动小，说明无线激光通信可以与生产现场每台移动式翻箱机匹配良好，具有一定的推广价值。最后，我们对改造后的5台移动式翻箱机进行现场观察后发现，造成通信中断的主要原因是：翻箱机在翻箱过程或左右移动过程中有烟丝团掉落，遮挡了无线激光传感器的无线激光通路，造成信号传输暂时中断。但是此种情况一般只会造成瞬时（小于2秒）通信中断，中断后能迅速恢复通信，对移动式翻箱机的正常运行不会造成影响。

4总结

本次研究结合移动式翻箱机在工作时的运动特点和工况环境中的各种干扰因素，选择无线激光通信技术在移动式烟丝翻箱倒料机这一类烟草物流移动设备的集成应用；避免了因为滑触线、碳刷头或线槽等由于磨损、环境干扰原因带来的安全隐患、保养繁琐等不利条件，减少了现场安装调试、日常维护、故障排除的工作量；而且弱化了现场空间、环境等对设备的限制，提高了翻箱机在复杂工况下工作的可靠性，实现移动式翻箱机与上位调度系统的无缝对接，使翻箱机类移动设备在实际生产中更加稳定可靠，有利于制丝生产向智能化、柔性化的进一步发展。

参考文献

[1]陈建宁,田凯.IWLAN在物流翻箱机的应用研究[J].北京:科技创新导报,2014(29):74-79.

[2]李冬.移动翻箱机在烟丝物流系统中的应用与研究[D].北京工业大学,2016:10-11.

[3]王昆,桂玉屏,黎明聪.近距离无线激光通信系统的设计[J].光纤与电缆及其应用技术,2010(6):30-31.

[4]徐明.无线激光数据通信系统收发机的设计与实现[D].兰州工业大学,2019:6-7.

[5]徐明.基于以太网的光无线通信系统设计与实现[J].电子应用技术,2004,11(2):40-41.

[6]徐明.基于以太网语音和IP数据无线光通信链路设计[J].电子科技,2015,28(11):86-87.

作者：陈力 范猛士 张臻涵 崔娅娟 单位：红云红河烟草（集团）有限责任公司曲靖卷烟厂