（控制理论与控制工程专业论文）基于无线通信和wince的行车调度系统的研制.pdf

摘要 基于无线通信和w i n c e 的行车调度系统的研制 研究生：马晓立 导师：李奇教授 东南大学自动化研究所 摘要 本论文以工业无线通信和实时嵌入式操作系统( r t o s ) 为技术背景，以钢铁企业产销链管理与物 料输运优化调度为应用方向，完成了基于无线通信和w i n c e 的沙钢行车无线调度系统的研制开发任 务。 针对工业环境下无线通信误码率高、信号遮挡等缺陷，为多种串行接口的无线设备，设计了实时 性好、可靠性高和通用性强的串行工业无线通信协议。为提高行车终端在苛刻工业环境( 高温、震动、 灰尘和强电磁干扰) 下运行的可靠性，引入实时嵌入式操作系统( r t o s ) w i n d o 、v sc e n e t ，并 深入研究其应厢陧亭开发和b i o sb o o tl o a d e r 引导过程。在此基础上，设计并实现了沙钢板坯库板卷 库行车无线调度系统，首次解决了移动行车与地面可靠及时准确的数据通信、行车终端与主控计算之 间机数据一致性、多部行车同时并发调度和系统长时间可靠运行等问题。 板坯库板卷库行车无线调度系统，投入使用后，系统运行可靠，优化了行车调度效率，提高仓储 的管理水平。用户非常满意，并己通过有关部门的技术鉴定，受到与会专家的高度评价。目前，串行 工业无线通信协议正在积极申请技术发明专利。 关键词：钢铁厂行车调度无线通信协议工业控制网络 w i n d o w sc e n e t 实时嵌入式操作系统b o o t l o a d e r a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft r a v e l l i n gc r a n e d i s p a t c hs y s t e m b a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dw i n c e m ax i a o 1 i s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rl iq i r e s e a r c hi n s t i t u t eo f a u t o m a t i o n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dw i n d o w sc eb a s e dt r a v e l l i n g - c r a n ed i s p a t c hs y s t e m s f o ri n v e n t o r ym a n a g e m e n ti ni m n s t e e lw o r k si sc o m p l e t e d t oc o m p e n s a t et h ea d v e r s ep r o p e r t i e so fr a d i oc h a n n e l ss u c ha sq u i t eh i g he r r o rr a t e sa n db l i n da r e a , a c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rv a r i o u ss e r i a lw i r e l e s sd e v i c e ss t a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n t sf o rs t r i n g e n tt i m i 岖 c o n s t r a i n t sa n dr e l i a b i l i t yg u a r a n t e e si ni n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r k si sp r o p o s e d s i n c et h et e r m i n a ls y s t e mi s 2 4 h o u ru s ei nr o u g hi n d u s t r i a le n v i r o n m e n t , t h ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，w i n d o w sc e n e t , i s i n t r o d u c e d ，a n dt h ea p p l i c a t i o ns o r w a r ed e v e l o p m e n ta n ds t a l t u ps e q u e n c eo fb i o sb o o t l o a d e ra r es t u d i e d t h ew i r e l e s sd i s p a t c hs y s t e m sb a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dw i n d o w sc e n e ta p p l i e dt o s h a - s t e e l ss t e e ls l a bw a r e h o u s ea r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt or e s o l v eq u e s t i o n so fc o m m u n i c a t i o na n d d a t ac o n s i s t e n c ya m o n gm o b i l et r a v e l l i n gc r a n e sa n df i x e dm a i nc o n t r o lc o m p u t e r ，m u l t i p l ec r a n e s s y n c h r o n m e dd i s p a t c ks y s t e mr e f i a b i l 醅，a n ds oo n t h ew i r e l e s st r a v e l l i n gc r a n ed i s p a t c hs y s t e r l l s ，d e p l o y e di nt h eh a r s hi n d u s t r i a lf i e l d so f s h a - s t e e l ss t e e l s l a b & r o l l e ds h e e tw a r e h o u s e s ，a r er u n n i n gr e l i a b l yf o rs e v e r a lm o n t h s t h es y s t e m s ，o 蚯m i z et r a v e l l i n g c r a n e sd i s p a c t hf l o w ，i m p r o v ew a r e h o u s em a n a g e m e n te f f i c i e n c ya n da r ef o l l yr e c o g n i z e db yc u s t o m e r sa n d e x p e r t s n o w t h es e r i a li n d u s t r i a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sa p p l y i n gf o rac h i n e s ep a t e n tf o r l n v e n t i o n k e yw o r d s ：i r o n s t e e lw o r k s ，t r a v e l l i n gc r a n ed i s p a t c h ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ， i n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k s ，w i n d o w sc e n e tr t o s ，b o o t l o a d e r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果a 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：墨堕墨日期： 土6 ；) o 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名： 曼堕墨导师签名：乏毖日期：瑚一壹瑚 第一章绪论 1 1 研究背景和课题来源 第一章绪论 本课题“行车无线调度系统”是“钢铁企业产销链管理与物料输运优化调度系统”的子课题，钢 铁企业产销链管理与物料输运优化调度系统是江苏省软件和集成电路专项经费资助项目“沙钢集团企 业信息化建设项目”的组成部分，也是对国家8 6 3 项目“江苏沙钢集团c i m s 应用示范工程( s g - c i m s ) ” 的延伸研究。 江苏沙钢集团系国家特大型工业企业，全国最大的民营钢铁企业，现有总资产3 2 5 亿元，主要技 术经济指标水平在全国同行中处于先进水平。十五期间，沙钢集团为实现产业结构升级投入1 5 0 多 亿新上了高技术含量、高9 f | 加值的年产6 5 0 万吨的热卷扳生产线，这就对沙钢的企业信息化水平提出 了更高的要求。也就是说要以企业信息化技术为依托，开发产销体化信息系统，实现产销联动。 为此，江苏沙钢集团计算中心和东南大学自动控制系发挥各自优势，合作开发“钢铁企业产销链 管理与物料输运优化调度系统”。该系统的研制目标在于实现一个由销售订单驱动板坯板卷生产的调度 系统。以板坯库、板卷库为调度缓冲区，结合连铸作业和热轧作业的排程信息，在面向订单的生产模 式下。对扳坯、板卷进行合理调度，实现扳坯的间接热装热送。提高扳卷的发货效率，以降 匠能耗， 节约生产成本、库存成本，提高企业的核心竞争力。 钢铁生产是高温高能耗作业，要求尽量减少中间产品的等待时间以减少温耗，节约能源。沙钢集 团现有生产排程系统，是成套引进奥钢联的s t e e l p l a n n e r 解决方案“直接热装热送“：面向库存， 不直接考虑市场的变化，生产过程比较平稳。此方式节能效果最佳。但是在面向订单的生产方式下 产品许粪多、变化快，市场需求情况的波动直接影响到生产过程，报逢完全做到热轧袄坯的直接热装 热送，所以必须对奥钢联的s t e e l p l a n n e r 的解决方案进行技术改造，将板坯库作为板坯调度系统的缓 冲区，增加“间接热装热送”生产方式，开发一种新的面向订单生产的混合生产排程系统( 如图1 1 所示) 。这对连铸作业与热轧作业之间的中间产品熟轧板坯的调度水平提出了更高的耍求 图l - l 直接热装热送与间接热装热送 板坯库、板卷库是连铸作业与热轧作业的生产缓冲环节，是沙钢重要的物流中心。目前板坯库、 板卷库采用开环人工管理模式：1 ) 产品入库由行车工根据经验自行决定堆放位置；2 ) 计量和质检都 n 以天为单位对库存情况进行统计盘赢，确作报袭，供生产和销售部门使用；3 ) 生产和销售部门根据 莉一天的库存报表，在轮班时，比对自己的生产和销售计划，制定本班次的出库计划。显然，原有的 管理模式无法为生产排程系统和销售系统提供及时准确的库存信息，无法对生产和销售的变化进行快 速反应。另一方面，由于当前库存& 由历史库存s k - l 、当前入库i l l k 、当前出库o u t k 唯一确定，即s k = s k - t + 1 吨一o 眦n 可见现行的营理模式对库存信息的采集是重复昀，浪费了人力资嚣，增规了企业 的生产成本，企业之所以使用这种落后的人工管理模式，主要是因为：无法实现地面计算机信息管理 系统与移动的行车( 板坯板卷运输工具) 之间可靠、及时和频繁的数据通信。 东南大学硕士学位论文 所以只有实现行车的数字化调度，才有可能应用最新的计算机和数据库技术开发板坯，板卷库管 理系统，将入库，出库以及库存闭环起来，对入库出库作业进行有效的管理和调度，减少人力资源投 入。提高库存信息的准确性和实时性。从而，优化生产排程，降低能耗，加快销售作业流程，减少库 存从而达到项目韵整体目标：提高企业的信息化水平，促进企业生产的现代化总之，行车调度系 统是整个项目的难点和关键点 1 2 工业无线通信发展现状与趋势 上世纪八十年代以来，移动通信技术飞速发展，日臻完善。在人们的日常工作和生活中，无线通 信可以说无所不在，无时不有。与此同时，无线通信也日益渗入工厂。与传统的有线通信方式相比， 无线通信技术一些突出的优点”心：1 ) 无需敷设通讯电缆，能够降低安装和维护的成本，减小项目实 施周期；2 ) 系统的“柔性”增强，可以方便迅捷地替换、升级和重新布置：3 ) 不适合有线通信的苛 刻场合：腐蚀性化学环境，剧烈震动、极端高低温以及移动和旋转移动设备。这使无线网络成为工控 领域中迅速发展的热点之一，也是工业自动化产品未来的新增长点。 无线通信技术的工业应用大致可以分为三类眦：1 ) 电缆替换：使用无线传输设备在不将现有接口 方式的前提下，替换电缆。特别是针对基于r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 传统串行接口的工业设备或远程i o 模块的无线通信技术，目前已经相当成熟，应用也非常广泛。2 ) 数据传输网络：使用无线通信技术组 网传输非过程关键数据，目标是降低安装维护成本，以及在移动或旋转等无法布线的场合。现有将商 业无线通信技术，仔细选择和稍加改造就能够基本满足需求。未来将更加成熟和低廉。目前，此类应 用增长快速。3 ) i 业控制嘎络：现有大量的有线和无线通信网络协议，在数据吞吐量、可靠性和实时 性之间，更加倾向于高吞吐量；而对于工业控制网络来说，通讯的实时性( 可确定性) 和可靠性是至 关重要的。因此，需要对现有的商业无线通信技术做较大的改进。 目前，公知的工业无线通信技术主要有三种实现方式：1 ) 商用无线通信技术的“工业化”：将现 有较成熟的商用无线通信技术直接应用在工业控制场合或进行技术改造。如：b l u 税o o t h l 4 1 ( i e e e 8 0 2 1 5 1 ) 和w l a n p l ( i e e e8 0 2 ，t l a b g ) 2 ) 有线工业控制网络技术的“无线化”：通过修改网络协 议的物理层，使用无线传输替换有线电缆，实现工业无线控制网络。如各种无线现场总线技术。3 ) 将 无线通信技术和具体的工业应用相结合，设计面向某种应用类型的无线网络通信技术。如：面向无线 传感器网络的z i g a c e i o j ( i e e e8 0 2 1 5 4 ) 技术。但是，这三种方式都存在一些缺陷。就商用无线通信 技术的“工业化”而言，商业无线通信技术是针对突发性的大数据量传输设计，强调通信的带宽，而 工业通信是周期性的小数据量传输特性，重视通信的实时性。两者本质上存在较大差异，此种方式往 往无法满足工业通信的实时性要求。对于有线工业控制网络技术的“无线化”由于无线信道，与有线 相比，特别是在工业环境下，有很大的差异1 2 】：信号强度随距离星指数衰减、半双工方式、由载波同 步，位同步引起的物理层开销较大、信道误码率较高。这颠覆了许多有线工业控制网络协议的技术前提 条件，这使得此种方法要么无法不可行。要么性能很差。无线技术与应用集合可以在特定应用下实现 最优化，但是，技术的通用性不足。 2 第一章绪论 图l 2 是欧洲无线工控应用项目r u n e s ( r e c o n f i g u m b l eu b i q u i t o u sn e t w o r k e de m b e d d e ds y s t e m s ) 于2 0 0 5 年4 月发布的关于工业控制与自动化的技术路线图【l 】从中可以了解工业无线通信技术现状和 未来几年内发展的趋势。 图1 2r m 姬s 的工业无线技术路线图 具体而言。当前工业无线通信技术的热点有： 1 ) 射频前端技术，如何在苛刻的电磁环境下，降低无线信道的误码率，提高数据传输速率 2 ) 满足工业实时控制需求的网络通信协议 3 ) 用于工业自动化领域的无线与有线混合通信系统的集成技术 4 ) 无线传感器网络技术，低功耗、低成本和自组织能力 1 3 嵌入式操作系统的发展 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。得益于l c 设计与制造工业的快速发展， c p u 功能提升和系统硬件简化，使得嵌入式系统的需求和应用越来越广泛与此同时，系统软件和应 用逻辑的复杂度越来越高。这使得操作系统和开发工具对嵌入式系统开发显得尤其重。 w w w o m b e d d e d c o n l 网站2 0 0 5 年5 月公布的调查报告1 7 】表明只有1 9 的受访对象不使用任何嵌入式操 作系统。并且，这一比率呈持续下降趋势。合适的嵌入式操作系统，无论是在提升系统性能，增强系 统功能上，还是在降低系统的开发成本，缩短系统的开发周期、加快产品的分布速度上，都有相当大 的帮助。 从1 9 8 1 年r e a d ys y s t e m 发布了世界上第1 个商业嵌入式实时内核( v r t x 3 2 ) 。嵌入式操作系统 逐渐获得开发人员的重视，在嵌入式系统开发中扮演越来越重要的角色，也进入快速发展时期，到现 在全球差不多有8 0 多家公司，提供各种嵌入式操作系统。 商业的嵌入式操作系统可以按实时性分为两大类口l ：1 ) 非实时嵌入式操作系统，重要面向p d a 、 移动电话以及机项盒等消费类电子产品。如：e p o c ( s y m b i a n ) 、p l a t oo s ( 3 c o r n ) 等。2 ) 实时嵌 入式操作系统，面向国防军事、通信以及工业控制等领域，是嵌入式操作系统的主流，也是本文关注 的重点。主要有：v x w o r k s ( w i n dr i v e r ) 、w i n d o w sc e ( m i c r o s o f t ) 、q n x ( q n xs o f t w a r es y s t e m s ) 东南大学硕士学位论文 以及嵌入式l i n u x 等。 目前，嵌入式操作系统的发展趋势和潮流星现以下的特点： 1 ) 系统可定制化，嵌入式操作系统可根据硬件资源和应用需求，可对标准的操作系统组件进行定 制剪裁，获得满足需要的最小系统。 2 ) 跨平台，支持多种c p u ，嵌入式操作系统自身结构的设计更易于移植，以便在短时闻内支持 多种微处理。 3 ) 强大的集成开发工具，随着嵌入式系统应用的日益复杂和硬件系统的性能提升，必须采用强大 的集成开发工具和实时多任务编程技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短 开发周期。 4 ) 强大的网络功能，随着互联网和局域网的大行其道，嵌入式操作系统越来越重视自身的网络功 能，集成了大量的网络协议栈实现，便于嵌入式系统的网络应用。 5 ) 友好的人机界面，嵌入式设备之所以为用户乐于接受，重要因素之一是友好的人机交互界面， 特别是以( 3 u i 为中心的多媒体人机界面 1 4 行车调度的研究现状 行车是钢铁企业重要的生产工具。其指挥调度水平的高低，关乎企业的生产效率。目前，对行车 的调度一般是地面人员和行车工使用对讲机进行语音通讯。在类似钢铁厂板坯库板卷库这样恶劣的工 业环境下，无线对讲有很多弊端：1 ) 由于生产车间环境噪音大，声音传送不清楚，准确率差；2 ) 语 音的带宽窄，通信速率低，传输的信息量少 3 ) 调度信息是瞬时的，不能长时间保持，需要人脑记忆， 加重行车工的工作负担，容易出错；4 ) 需要人工介入，地面调度人员的工作负担大，效率低。一个调 度员一般只能调度l 2 部彳亍车此方法虽然简单、成本低，但是，在复杂和繁忙的任务情况下。无法 满足生产需要。我们采用无线数据通信技术，构建无线通信网络，使得调度指令通过两络传给行车， 并接收其反馈信息。此方法最大的优点是，组网通信，便于计算机信息系统的管理。目前，将无线通 信技术应用到钢厂行车调度中的研究在国内外并不多见，而满足工业生产各种需求，实际投入使用并 产生经济效益的实际系统目前更是屈指可数。文献【9 】给出了基于无线通信的行车数据通信系统的设计 方案。但是，其无线通信协议不够完善。且采用a b b 公司的无线m o d e m ，系统造价较高。 行车终端的研制是行车调度系统的另一重点和难点，当数字化的调度指令从地面计算机系统发送 到行车时，必须将调度指令显示在信息终端的人机界面上。使得行车工能够很容易地理解调度指令的 内容：在完成指令后，需要将处理结果输入信息终端，并回送至地面的计算机系统。同时，要求信息 终端能够在钢铁厂的恶劣工业环境下长时间可靠运行。开发上述信息终端，传统的做法是采用基于单 片机( m c u ) 的硬件系统，加上专用的控制程序此类方法在开发成本、开发速度、系统功能丰富度， 人机界面友好性、兼容性、扩张性以及可靠性等方面存在较大缺陷。我们在研制行车终端时。采用标 准的工业平板电脑，基于嵌入式操作系统w i n d o w sc e n e t 的应用程序开发方式，获得了很好的效果。 总之，基于无线通信和w m c e 的行车调度系统的应用研究，在学术研究、实际应用和新技术示范 上，都有重要的意义。 4 1 5 课题工作 为此，我的课题工作有下述几个重点； i ) 针对沙钢的应用现场。研究工业环境下无线传输的特性，自主设计一种基于串行无线设备的网 络通信协议，提高实时性、可靠性和通用性，满足行车无线调度系统对通信的需求 2 ) 针对行车终端在苛刻运行环境下高可靠性运行的要求，引入实时嵌入式操作系统( r t o s ) 一 一w i n d o w sc e n e t ，并深入研究其应用程序开发和b i o sb o o t l o a d e r 过程。 3 ) 成功地设计开发了基于无线通信和w i n c e 的行车无线调度系统，实现了板坯库和板卷库行车 的实时多部行车并发无线调度，并投入实际运行 1 6 本文结构安排 本文按以下的结构进行论述： 第一章：介绍工业无线通信技术和嵌入式操作系统技术的发展。概述课题的背景和目标，概括本人所 做的主要工作。 第二章：提出行车无线调度系统的总体设计方案，重点研究了无线通信技术，描述系统硬件的选型、 集成设计和可靠性技术。 第三章：讨论串行工业通信协议的研究背景、体系结构、应用的抽象模式、硬件抽象层定义，通信协 议层功能，应用程序层接口及在行车无线调度系统中应用。 第四章：针对行车终端的设计要求，引入嵌入式实时操作系统，比较了四种主流的实时嵌入式操作系 统的技术特点，详细叙述了w i n d o w sc e n e t 的特点和优势，并研究了w m d o w sc e n e t 的应 用程序开发和b i o sb o o t l o a d e r 。 第五章：阐述了板坯库行车无线调度系统软件的功能需求、总体架构和软件详细设计思路，并讨论了 关键技术。 第六章：在板坯库行车无线调度系统基础上。描述了板卷库行车无线调度系统软件的新需求和技术革 新点。重点阐明了该系统的技术路线。 第七章：分析了行车无线调度系统的运行效果。 5 东南大学硕士学位论文 第二章总体设计 提出行车无线调度系统的总体设计方案，重点研究了工业无线通信传输特性、设备选型、现场试 验和网络规划，并讨论了系统硬件的选型、集成设计和可靠性技术。 2 1 系统需求 沙铜行车无线调度系统的主要设备由地面主控计算机、行车终端组成。作为板坯库、板卷库管理系 统的信息显示和采集终端，沙钢行车无线调度系统主要用来将地面计算机管理系统生成自动调度指令 或指挥人员的手动调度指令，通过无线传输设备准确及时可靠地发送到各台行车上，并显示在行车终 端上。行车工执行完调度任务质。输入处理结果，并传送至地面主控计算机。主控软件接收到任务结 果信息后，更新监控界面的状态显示，并上报任务结果至板坯库、板卷库管理系统 沙钢行车无线调度系统需要研制两套独立的系统：板坯库( 1 期，2 0 d 4 年1 0 月2 0 0 5 年7 月) 和板卷库( 期，2 0 0 5 年8 月2 0 0 5 年1 1 月) 。两者在系统需求、总体结构、设备选型，软件架构和 通信协议上具有继承性和延续性。但是，两者在地形位置分布和软件具体功能上有所差异。总体来说， 板坯库无线调度系统更具研究和探索的特点，而板卷库无线调度系统在总体设计和技术先进性上更趋 完善。如图2 - l 所示，板坯库由4 个跨组成，每跨配备2 部行车，共有8 部行车的移动距离约4 0 0 m 。 板坯库设有3 0 0 多个库位，每个库位最多可堆放1 2 块板坯。板卷库也是由4 个跨组成。每跨配备2 部行车，未来扩展到3 部行车。行车的移动距离约6 0 0 m 。板坯库设有3 0 0 0 多个库位，每排库位最多 可堆放3 块层。 胆轴 援考摩 一簟替霹主挺室 一麓妪摩主控塞 曩垤枣 图2 - l 沙钢板坯库板卷库结构位置图 根据钢铁企业产销链管理与物料输运优化调度系统的总体要求，行车无线调度系统的研制目标是； 实现信息传输的及时性、准确性、可靠性；人机界面的友好性、易用性；震动、高温和灰尘的工业环 境下，系统可靠性和连续运行的能力。 遵循项目的研制目标，系统的具体要求如下： t ) 无线通信的及时性、准确性和可靠性。及时性是指无线通信系统的数据吞畦量能够保证在调度 6 第二章总体设计 最繁忙状况下的通信需求，并有一定冗余量准确性是应用程序层接收到的指令信息必须是准确无误 的，不允许存在误码现象。可靠性要求系统要能够长时闻正常运行能力。 2 ) 系统各组件，特别是无线通信网络，不得对近旁的无线对讲系统，称重无线传输系统的正常工 作造成干扰；同时本身功能不受外来干扰的影响。 2 ) 设备的选型和软件的设计要可靠、稳定，能适应恶劣工业现场环境( 高温、震动、灰尘和强电 磁干扰) 。 3 ) 行车终端和主控计算机具有掉电数据保持功能。 4 ) 软件功能设计合理，能满足现场生产流程的要求；同时人机界面要有足够易用性，使得行车工 能够在很少的培训后，即可正常使用行车终端 5 ) 行车终端一体化设计，便于安装、维护和拆卸。 6 ) 本着“集中管理分散控制”的原则，本系统既可以与上级管理系统联机自动运行，也要能够独 立工作 2 2 总体设计 依据系统需求，行车无线调度系统的总体结构如图2 - 2 所示。整个系统可以分为两个部分：主控 计算机和行车终端。 父公公 丫丫y 姻如如 行车1 # 幸彳车2 辩l 亍事n # 计算机胃誊 图2 - 2 沙钢行车无线调度系统结构图 为了全面实现板坯库和板卷库行车调度作业的实时管理，保证板坯板卷进出库生产节奏，车间控 制室配置了先进的工业控制计算机，八部行车操作室安装有行车终端控制箱，行车终端由工业平板电 脑、电源模块和无线设备等组成控制室的主控计算机和行车终端通过无线设备进行通讯。系统结构 图如图2 - 2 所示。 主控计算机主要负责调度任务信息载入( 从数据库中自动载入或手动录入) 、调度指令发送、处理 结果接收、任务历史数据记录、员工考勤、数据统计和员工业绩考核等工作。该系统硬件设备有研华 工控机、u p s 电源、无线通信设备等。主控软件，安装在主控计算机上，运行在w i n d o w s2 0 0 0 ) 口 操作系统平台上，应用程序开发采用v i s u a l c + + 6 0 。使用面向对象的程序设计方法。通信接口是基于 标准串口的工业无线通信协议。本地数据库采用了m i c r o s o f t a c c e s s 2 0 0 0 ，与管理系统的o r a c l e 据 库之间的接口技术采用的是a d o1 5 。 行车终端的主要功能是接收调度指令、显示指令内容、读入行车工输入、发送任务结果信息。硬 件设备有触摸式平板电脑t p c - 1 2 d o ，无线通信设备、i o 模块、直流电源等。板坯库的行车终端采用 2 0 g 移动硬盘+ w i n d o w s2 0 0 0p r o f e s s i o n a l 操作系统，软件开发工具是v i s u a lc - h - 6 0 。为了提高行车 终端的抗震性能，在板卷库的行车终端上，改用1 2 8 mc o m p a c t f l a s h + w i n d o 、v s c e j 呃t 方式，应用 软件开发工具相应为e m b e d d e dv i s u a lc - h - 4 0 。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 无线通信技术研究 2 3 1t 业环境下的无线传播 无线通信的效果( 误码率) 归根结底决定于接收信号的信噪比和失真度，这与无线电波在介质中 的传播特性有关。研究无线传播特性对无线通信设备选型、无线网络规划和通信协议设计具有指导意 义 无线电波由直线视距、反射、折射、衍射和散射五种传播方式u 珥1 1 1 】： 1 ) 对于高于3 0 m l 舷的无线信号在同一传输介质里只能按视距( l i g h to fs i g h t ，l o s ) 传输。接 收信号功率p r ( d ) = p t ( d o d ) ，其中，p t 为发射信号功率；参考距离d o 决定于天线技术：y 称 为路径损耗指数由收发天线之间传输介质的特性决定。 2 ) 当无线电波。从一个传输分质中碰到另孙一个传输介质时。一部分电波能量反射回原来的传输 介质，一部分能量折射传播到新介质中去，剩下的能量被吸收了。反射，折射和吸收的能量比例决定 于：介质属性、入射角度和无线电波的极化方式。反射引入1 s o o 的相移 3 ) 衍射是电波传输到尖锐的障碍物边缘时，产生二次波，导致电波沿障碍物弯曲，这是就是电波 能够传送到障碍物阴影区的原因。衍射波的产生由障碍物的几何现状、入射波的幅度，相位和入射角 决定。相位差由衍射波额外传输距离的大小确定。 4 ) 散射是指当遇到尺寸小于波长的障碍物时，电波沿各个方向漫射。粗糙的物体表面和墙面会发 生散射的情况。 无线电波的传输方式决定了距离传输衰减，障碍遮挡损耗和多路径效应是影响无线通信的决定性 因素。 i ) 距离传输衰减 距离传输衰减反映了无线信号随传输距离增加而衰减的特性：传输距离越远接收信号的功率越小 反而言之，获得同样的接收信噪比，通信距离远需要更大的发射功率。 2 ) 屏蔽遮挡损耗 当在电波传输的视距路线上，存在几何尺寸较大( 相对于载波波长 ) 的遮挡物体时，不仅增大 距离损耗指数，还会造成额外的信号衰减。降低接收信号的信噪比。 3 ) 多路径效应 当电波信号由不同的传输路径到达接收机时。会产生多路径效应j i l l 。在这种情况下，传输信号并 非通过单一的直接路径到达接收器，两是经过了多个不丽路径，信号从发射器到接收器所经过的每条 路径长度都不同，因此每个信号的延迟都有所不同。最终接收到的信号实际上是个多次迭加而产生的 信号，每个迭加信号都在不同时刻到达接收器，每个迭加信号的幅度和相位均不相同。 假设最初与第i 到达接收器的两个信号之问的延迟为t i ( 称为支路延迟) ，最大支路延迟为l 。， 并假设在每个时间间隔t 内发送器发送一个符号玛。 当t 。t 时，这些支路信号，因为相位和幅度不同，且里时变特性，导致合成接收信号幅值出现 抖动，降低信噪比，称为深度衰减( d e e pf a d e ) ，会引起平均误码率升高。当t pf 时，接收到的符号 码可能与其它的符号码混迭了多次，造成严重的信号失真，称为码间千扰( i s i ，i n l e t s y m b o l i n t e r f e r e n c e ) ，产生突发的连续误码。多路径效应引起是一种环境效应，引起的码间干扰无法通过接收 器来改变，唯一的方法便是增加传输符号码的间隔时间t ，但这样会降低传输速率。 工业场所，与办公和住宅环境相比。无线传播特性有很大的差异。目前。对工业环境下无线传输 特性的研究。也相当成熟，综合文献 2 】【1 2 1 3 】对工业环境下无线传输的研究结果，有如下结论： 1 ) 工业环境下，由于存在大量金属表面的生产设备和产品。多径效应比较严重。工厂室内场所的 加权平均支路延时一般为2 0 0 n s ，最大支路延时可能会达到t 0 0 0 m 。面办公和住宅环境在6 0 n s l o o n s 之间。这决定针对办公和住宅环境设计的商业无线通信技术在工业环境下，通信误码率升高，性能下 降，甚至不可用。 2 ) 障碍物遮挡，与视距传输相比，不但会增加接收信号的衰减，降低信噪比；而且，会加剧多路 客 第二章总体设计 径效应引起的深度衰减和码同干扰。而视距传输，由于存在直线路径信号分量在幅度占有决定性优势， 在解调接收信号时，起主导作用，会抑止深度衰减和码间干扰造成误码现象。 3 ) 可以通过优化收发天线的位置，加大发射信号功率等手段，有效较低无线设备的通信误码率， 但不太可能实现物理设备的无差错通信，需要引入上层通信协议来补偿无线设备的误码缺陷 2 3 2 无线设备选型 经过我们市场调研，现有的工业无线通讯解决方案主要有三大类； 1 ) 引u e b d 0 t l l ( i e e e8 0 2 1 5 1 ) ，z i g b e e l 6 1 ( i e e e8 0 2 1 4 5 ) 和w l a n n ( i e e e 8 0 2 1 1 a p o l g ) 为代 表的无线通信技术。目前，上述三种技术是工业无线通信研究领域的热点，针对不同应用背景而设计， 各自都有技术上的特点。w l a n 适合高速大容量数据传输，z j g b e e 则更适合数据传输速率要求低，但 是对低功耗和低成本要求高的场合。b j u e t o o t h 介于两者之间，传输速率较z i g s 高，功耗和成本较 w l a n 低。三者的技术比较参见表2 - l 。 表2 - 1b l u e t o o t h 、z i g b e e 和w l a n 技术比较 b l u e t o o t h z i g b e ew l a n i e e e8 0 2 1 5 1i e e e8 0 2 1 5 4i e e e8 0 2 i la b g 传输距离 1 0 m ，5 0 1 0 0 m1 0 m5 0 1 0 0 m 传输带宽 l m b s2 5 0 k b s 1 5 4 m b s 最大吞吐量 7 2 3 k b s 1 2 5 k b ，s 3 0 6 m b s ( e t h e m e t ) ，2 6 m b s ( 6 0 b y t c s ) 功耗低极低中等 电池寿命0 5 5 日1 0 0 t 1 0 0 0 日+1 7 日 最大节点数76 5 5 3 6 许多 周期性数据( 轮询机制) d c f ：，p c f ：4 ( 存在抖动) ，h c f ：4 重传机制 f e c 功能可选 但是，从传输距离来看，上面三种技术属于短距离无线通信技术，最大传输距离在l o o m 左右， 不能满足板坯库，板卷库行车无线调度系统对通信距离的要求。另一方面。在市场上较难获得采用上述 技术的工业级产品，且设备成本较高。 2 ) 基于移动通信网络的手机通信模块，如g s m g p r s c d m a 2 0 0 0 1 x 等手机短信或上网模块。此 类设备的特点是，借助商业移动通信网络，没有作用距离和地域的限制，只要能使用手机的地方都可 以通信，适合远距离无线通信应用。缺点是运行的成本较高，需要为通信流量缴纳定的费用：手机 短信模块的通信速率和带宽很低。由于沙钢行车无线调度系统通信的数据量较大且频率较高，选用此 类设备会导致运行成本过高。 3 ) 无线m o d e m 和数传电台。优势在于：技术成熟，种类繁多。价格便宜；可以根据现场情况选 择或定制发射功率和天线。缺点是：此类设备主要用来替换传统r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 5 5 串行通信电缆， 属于点对点通信范畴，仅仅是实现物理层( o s i 模型) 功能的硬设备，缺乏完整的网络协议栈支持。 组网开发的难度较大。 在研究沙钢板坯庠和板卷库的地形和电磁环境，并仔细分析比较后，我们选用了低成本的无线 m o d e m 和数传电台方案。虽然，缺乏完整成熟的通讯协议栈支持，开发的难度较大。但是，反而有利 于我们自主设计开发针对现场环境特点和应用逻辑优化的通用无线通讯协议。 在板坯库中，我们选用泓格s s t - 2 4 5 0 ( 基于r s 2 3 2 瓜s - 4 8 5 接口无线m o d e m 模块) 。该设备使用 2 4 g h z 的i s m 颓段，无需频率申请；数据通信速率较高，最高可达5 7 6 0 0 b p s 。但是，测试发现通信 误码率较高。在板卷库中，直线通信距离达到6 0 0 m ，采用数传电台f c - 2 0 1 b 。传输距离远，通信误 码率低。但数据通信速率低。只有2 4 0 0 b p s 。 9 东南人学顾上学位论文 2 3 3 现场通信试验 在无线设备选型后，我们在沙钢板坯库和板卷库进行了相应的无线通信试验。由于仪器设备和试 验条件的限制。测试的方法相对简单：对两种类型的无线传输设备进行点对点通信，澳0 试行车与地 面以及行车之间的通信状况。无线m o d e ms s t - 2 4 5 0 使用增益1 2 d b i 的全向天线，数传电台f c - - 2 0 1 b 使用增益8 d b i 的全向天线。 试验获得如下结论： 1 ) 视距传输( l o s ) 比非视距传输( n l o s ) 锯透信效果好，特鄹是无线m o d e m ，在视距传输方 式下，平均误码率约为l o 一；而在非视距传输方式下，误码率lo - 。井出现数据多收、少收和收不 到的情况。数传电台两者差异不是特别大，但视距传输也是比非视距传输通信效果更好。 2 ) 数传电台比无线m o d e m 的表现更好，表现在：数传电台的传输距离更远、能够绕过障碍物、 误码率更低。视距传输的无线m o d e m 平均误码率约为l o 一。而数传电台在1 0 1 左右这主要是数传 电台的载频低、发射功率大以及使用窄带通信技术的原因。但是，无线m o d e m 在数据传输速率上更 胜一筹，为5 7 6 0 0 b p s ，是数传电台2 4 0 0 b p s 的2 4 倍。 3 ) 无线设备的通信误码率因收发天线空间位置的改变而变化，同时是表现出时变的特性 2 3 4 无线网络规划 工业环境下无线传播特性的分析和板坯库板卷库的现场试验，表明：在无线通信的网络规划中， 无遮挡的视距传输( l o s ) 是至关重要的。同时，应尽可能在传输视线上，可反射无线电波的杂物尽 可能少。 图2 - 3 是扳坯库a 跨的现场照片，可以发现现场是钢榘结构厂房，跨与跨之问的行车孰道和支捧 柱、行车上的小车顶部以及大型钢铁生产设备等会阻挡行车到控制室的视线现场存在大量金属表面 的反射体，多路径效应比较明显。 圈2 - 3 沙钢板坯库a 跨现场 遵循这样的原则，经过大量的现场调查和试验，最终我们发现在行车顶部高2 米以上的水平空间 上t 在行车移动时，遮挡相对较少。并将无线设备的天线安装在行车驾驶室的最上方入口处，主节点 的无线设备和天线也安装在跨间轨道的同样垂直高度上，同通过r s 4 8 5 按口连接到主控计算机上。由 于跨间轨道韵支撑柱对通信视线阻挡比较严重。主节点采厢一台无线设备。误码率较高，且通信盲区 时有出现。于是采用主节点多收发器机制，在通信协议中使用“交叉发送同时接收”方法，降低误码 率，减少通信盲区的出现概率。系统中主节点的采用两套无线设备，一套安装在a 跨和b 跨之间，优 先与a b 跨上的四台行车通信，另一套安装在c 跨和d 跨之间，优先与其它四台行车通信。如图2 - 4 l o 第二章总体设计 所示 主控室 r 5 4 8 5 h 丫 ￥； r a 0 0 3 丫 ii e 锨l 1 5 b 0 0 6 i ， t r ll 丫 l t r 2 丫 葚o o 喜； 丫 4 丫 d o l 3 e o l o 磅 b 跨 c 靖d 跨 哆。图2 - 4 板坯库无线通信网络规划图 妨 a ) 俯视图，b ) 侧视图 由于数传电台f c - 2 0 i b 的载频较低( 2 2 0 m i - i z 2 4 0 m h z ) ，发射功率较大( 5 w ) ，通信的误码率 较低，穿透薄障碍物的能力较强，板卷库无线调度系统的网络规划相对比较简单，如图2 5 所示。八 部行车和主控室内各放置一只数传电台和一根使用8 d b i 的全向吸盘天线。 2 4 硬件设备选型与设计 图2 - 5 板卷库无线通信网络规划图 2 3 1 板坯库无线调度系统硬件 沙钢板坯库无线调度系统的主要硬件设备由主控计算机和行车终端两部分组成。主控计算机系统 一套，位于车间控制机房。行车终端系统八套，分别放置于沙钢板坯库的八部行车上：行车c 0 0 4 ( a 东) 、行车c 0 0 3 ( a 西) 、行车c 0 0 5 ( b 东) ，行车c 0 0 6 ( b 西) 、行车c 0 1 0 (