（控制理论与控制工程专业论文）基于无线传输的行车物料贮运与调度系统研究.pdf

b a s e f s u p e r v i s e db y p r o f l iq i s c h 0 0 1o 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 m a r c h2 0 1 0 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。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已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：蕉墅日期：垫! 里二! ：坚 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：盘熊 导师签名：日期： b o 、1 i 摘要 摘要 基于无线传输的行车物料贮运与调度系统的研究及应用，旨在打通企业生产管理信息 化的瓶颈，为企业信息化系统提供实时准确的数据来源，从而完善企业的物流管理。 本文以工业环境下的无线数据传输为技术背景，以钢铁企业物料贮运与行车调度为应 用方向，完成了基于无线传输的行车物料贮运与调度系统的研究和开发。首先，针对钢厂 工业环境下高温、震动、粉尘和电磁干扰等复杂因素对无线通信的影响，研究了无线局域 网技术的应用，设计了无线数据传输系统的网络拓扑结构，开发了高可靠的无线通信传输 协议和应用软件，并进行了现场的无线传输通信测试。然后，设计了实现行车准确定位及 智能作业判定功能关键的行车数据采集系统。开发了行车数据采集系统的串口通信协议、 p l c 及上位机数据采集软件。最后，开发了行车物料贮运与调度系统软件，包括主控计算 机、行车终端及手持终端软件，实现了行车作业调度、行车动态监控、库存实时跟踪、库 区产成品出库、入库、盘库等库存管理功能。整个系统的现场应用，极大地方便了钢厂的 生产和库区管理，为企业带来了良好的经济效益。 关键词：钢厂无线传输物料贮运行车调度数据采集库存管理 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fm a t e r i a ls t o r a g ea n dc r a n ed i s p a t c hs y s t e mb a s e do nw i r e l e s s t r a n s m i s s i o nc a ng e tt h r o u g ht h eb o t t l e n e c ko ft h ep r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n , p r o v i d ea c c u r a t er e a l t i m ed a t as o u r c ef o re n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ns y s t e m , a n di m p r o v ee n t e r p r i s e l o g i s t i c sm a n a g e m e n t t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fm a t e r i a ls t o r a g ea n dc r a n e d i s p a t c hs y s t e m ，w h i c hi sb a s e d o nw i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi ni n d u s t r i a le n v i r o n m e n t , a n da i m e da tt h ea p p l i c a t i o no f m a t e r i a ls t o r a g ea n dc r a n ed i s p a t c hi ni r o n & s t e e lf a c t o r y , i sc o m p l e t e di n t h i sp a p e r f i r s t l y , w l a ni su s e df o rt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no ft h es y s t e ma i m e da tb a de n v i r o n m e n to fh i 曲 t e m p e r a t u r e ，s t r o n gv i b r a t i o n , m u c hd u s ta n de l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e t h en e t w o r kt o p o l o g y o fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mi sd e s i g n e d t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n ds o f t w a r ea r e a l s od e v e l o p e d ，a n dc o m m u n i c a t i o nt e s ti s p r a c t i c e di n t h ef i e l d s e c o n d l y , t h ec r a n ed a t a c o l l e c t i o ns y s t e m ，w h i c hi st h ek e yo fc l a n el o c a t i o nt r a c ka n dt a s ki n t e l l i g e n tj u d g m e n t , i s d i s c u s s e d t h es e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t h ep l cp r o g r a m m i n ga n dh o s tc o m p u t e r s o f t w a r ea r ea l ld e s i g n e d f i n a l l y , s o f t w a r eo fm a t e r i a ls t o r a g ea n dc r a n ed i s p a t c hs y s t e mi s d e v e l o p e d ，w h i c hi n v o l v e st h r e ep a r t s ，t h em a i nc o n t r o ls o r w a r e ，t h ec r a n et e r m i n a ls o f t w a r ea n d t h eh a n d - h e l dt e r m i n a ls o a r e , a n dr e a l i z e sf u n c t i o n so fc r a n ed i s p a t c h , d y n a m i cm o n i t o r i n g , m a t e r i a lt r a c k i n ga n di n v e n t o r ym a n a g e m e n t t h a n k st ot h es y s t e m ，t h ep r o d u c t i o na n ds a l e m a n a g e m e n tb e c o m e sm o r ec o n v e n i e n t ，a n dag o o db e n e f i th a sb e e ng a i n e df o rt h ee n t e r p r i s e k e yw o r d s ：i r o n & s t e e lf a c t o r y , w i r e l e s st r a n s m i s s i o n , d a t ac o l l e c t i o n , i n v e n t o r ym a n a g e m e n t 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i e j 录i i i 第一章概论l 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 课题研究现状2 1 2 1 工业无线通信技术研究现状2 1 2 2 行车调度研究现状。2 1 3 课题研究工作3 1 4 本文结构安排4 第二章系统需求分析与总体设计6 2 1 系统需求分析6 2 1 1 钢厂库区概况6 2 1 2 系统需求7 2 2 系统架构8 2 3 系统硬件方案l0 2 3 1 无线数据传输系统1 0 2 3 2 数据库服务器1 0 2 3 3 主控计算机1 0 2 3 4 行车终端1 0 2 3 5 手持终端1 l 2 3 6 行车定位系统1 2 2 3 7 行车数据采集系统1 2 2 3 8 硬件抗干扰措施1 2 2 4 系统软件方案1 2 2 5 系统特点1 4 2 6 本章小结1 4 第三章工业环境下无线传输技术应用研究1 5 3 1 工业环境下的无线传播特性1 5 3 1 1 电磁波传播方式1 5 3 1 2 自由空间损耗1 5 3 1 3 工业环境下影响无线传播的因素1 7 3 2 工业无线通信技术发展现状与选型1 8 3 3 无线数据传输系统结构设计2 0 3 3 1 无线局域网拓扑结构。2 0 3 3 2 系统网络规划2 l 3 3 3 系统可靠性措施2 2 3 4 无线数据传输系统软件设计2 3 3 4 1 关键技术2 3 3 4 2 无线通信数据包格式及类型2 5 3 4 3 无线通信消息类型2 6 i 目录 3 4 4 无线通信状态监测2 7 3 5 无线局域网通信测试2 8 3 5 1 测试对象2 8 3 5 2 测试软件2 8 3 5 3 测试内容2 9 3 5 4 测试结果分析3 2 3 6 本章小结3 2 第四章行车数据采集系统设计一3 3 4 1 行车数据采集系统总体设计3 3 4 1 1 行车数据采集系统结构3 3 4 1 2 行车数据采集系统工作原理3 4 4 1 3 行车数据采集系统特点3 5 4 1 4 行车数据采集系统抗干扰措施3 5 4 2 行车数据采集系统软件设计3 6 4 2 1r f i d 读写器串口通信协议3 6 4 2 2p l c 与上位机串口通信协议3 6 4 2 3p l c 软件设计3 7 4 2 4 上位机软件设计3 8 4 3 本章小结3 9 第五章行车物料贮运与调度系统软件开发4 0 5 1 需求分析4 0 5 1 1 主控软件需求分析4 0 5 1 2 行车终端软件需求分析4 l 5 1 3 手持终端软件需求分析4 l 5 2 主控软件设计4 2 5 2 1 主控软件结构4 2 5 2 2 主控软件功能实现4 7 5 2 3 主控软件关键技术5 0 5 2 4 主控软件流程5 3 5 2 5 主控软件界面5 4 5 3 行车终端软件设计5 7 5 3 1 行车终端软件结构5 7 5 3 2 行车终端软件功能实现5 9 5 3 3 行车终端软件流程6 0 5 3 4 行车终端软件界面6 2 5 4 手持终端软件设计6 3 5 4 1 手持终端软件结构“ 5 4 2 手持终端软件功能实现6 4 5 5 软件可靠性措施6 7 5 6 本章小结6 7 第六章总结与展望6 8 6 1 课题总结6 8 6 2 课题进一步研究方向6 8 j 【谢6 9 参考文献7 0 i v 目录 附录：在学期间已发表的论文7 2 v 第一章概论 1 1 课题研究背景和意义 第一章概论 本课题来源于江苏省软件和集成电路专项经费资助项目“钢铁企业物料跟踪与优化调 度系统 。物料跟踪和优化调度系统旨在打通企业信息化的瓶颈，完善企业物流管理，为企 业信息化系统提供实时准确的数据来源。 本课题以江苏沙钢集团二炼轧生产线为应用背景而展开。沙钢集团是江苏省重点企业 集团、国家特大型工业企业，全国最大的民营钢铁企业，是目前国内最大的电炉钢和优特 钢生产基地。目前沙钢集团拥有总资产1 3 0 0 亿元，职工3 5 0 0 0 余名。年生产能力炼铁2 7 0 0 万吨、炼钢3 1 0 0 万吨、轧材3 0 0 0 万吨。规模的不断扩大对于沙钢的企业信息化水平提出 了更高的要求，必须以企业信息化技术为依托，开发产销一体化信息系统，实现产销联动。 为了满足企业信息化的要求，沙钢集团制造执行系统( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ， m e s ) u 于2 0 0 9 年正式投入运行。m e s 是企业c i m s 信息集成的纽带，覆盖了企业生产的 全过程，包括订单管理、生产管理、仓库管理、销售发货管理及质量管理等功能模块。而 所有这些模块都需要与现场制造工艺及生产过程紧密结合，获得实时的反馈信息，才能在 生产管理中发挥作用。如钢铁企业仓库管理的目标是对钢铁在制品库、成品库进行科学动 态管理，通过入库、出库和倒垛等作业精细化管理，实时反应库存最新状况，保证合理的 库存结构和上下工序有效衔接。而如何实现入库、出库和倒垛等作业准确、合理的调度管 理，能够实时跟踪和指导作业的执行情况，并将作业执行结果及产成品出入库情况上报给 m e s ，使m e s 获得实时的反馈信息，从而更大程度的提高生产管理的自动化水平，打通企 业生产管理信息化的瓶颈，这是很多从事自动化的工程技术人员在系统开发中遇到的问题。 行车在生产企业中担负着物料的运输及产品的出入库任务。由于其具有在轨道上移动 作业的特点，往往成为管理中的自动化孤岛。在钢铁企业，行车更是必不可少的生产工具， 随着信息化水平的提高，要实现高效的库存管理，必须对行车位置和吊装情况进行实时跟 踪，进而实现物料的精确跟踪。因此，企业管理信息系统的投入运行对基础自动化和库存 管理提出了更高的要求。 沙钢在已有制造执行系统的情况下，由于缺少对行车位置和吊装情况的实时跟踪，导 致无法实现物料的精确跟踪和库存的实时管理。m e s 系统覆盖生产的全过程，需要与生产 及贮运调度紧密结合，获得实时物料信息，这些都要求将行车的作业执行、位置等状态信 息及时准确无误的上传至m e s 系统。而在此之前，钢板厂的行车调度作业完全采用语音对 讲和人工现场指挥的形式下发，由于现场噪音大等恶劣的工业环境，这种方式存在着明显 的弊端，无法保证信息传送及时和准确无误，在物料吊装过程中行车工有时也会错误地识 别起始垛位，并且在物料吊装完成之后，由于吊装结果采取人工记录上传，所以无法及时 将结果返回至管理系统，导致库存信息严重滞后，影响管理效率。 东南大学缺上学位论文 为此，江苏沙钢集团计算机中心和东南大学自动化学院发挥各自优势，合作开发“基 于无线传输的行车物料贮运与调度系统”。该系统旨在打通企业生产管理信息化的瓶颈，实 现对钢厂库存进行合理调度，节约生产成本，提高管理效率，通过现场实际的生产应用， 进一步提高企业产销链管理、物料贮运调度及库存管理的自动化程度，从而增强企业的核 心竞争力。 1 2 课题研究现状 1 2 1 工业无线通信技术研究现状 工业无线通信技术是一种新兴的面向设备间信息交互的无线通信技术，其特点是抗干 扰能力强、能耗低、通信实时性好等，适合在恶劣的工业现场环境使用。随着计算机网络 技术、无线技术以及智能化传感器的发展，这种基于工业无线通信技术的网络化智能传感 器，使得工业现场的数据能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种 自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环 境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能。 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 e t o o t h ( i e e e8 0 2 1 5 1 ) 坦、w l a n ( i e e e8 0 2 1l a b g ) 1 。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 b e e ( i e e e8 0 2 1 5 4 ) 4 】技术。在 这些工业无线通信技术中，b l u e t o o t h 传输距离最大为l o o m ，可以作为短距离无线通信技术 应用。z i g b e e 的优点在于低功耗、低成本和高安全性更适合数据传输速率要求低，通信 量小，但对低功耗和低成本要求高的场合。w l a n 无线局域网技术目前在工业控制网络中 发挥越来越大的作用，它具有安装便捷、使用灵活、经济节约、易于扩展的特点，更适合 工业网络应用。它组网灵活，可以将网络延伸到线缆无法连接的地方，并可方便地增减， 移动和修改设备。主要应用在远程视频传输、生产设备联网自动化、电信光纤网络监控、 工业流程联网控管等领域。利用无线局域网组建工业自动化网络，在工业无线通信技术中 具有十分突出的优势。 1 2 2 行车调度研究现状 行车是钢铁企业重要的生产工具。行车调度水平的高低，直接关系到企业的生产效率。 传统的行车调度方法是地面调度人员和行车工使用对讲机进行语音通讯。这种方法在现场 恶劣的工业环境下，存在很大弊端。首先，由于钢厂生产车间内噪音很大，声音传送不清 楚，准确率差；其次，需要大量人员介入，由于库区行车数量较多，地面调度人员工作负 担大，效率低；再次，语音传输是瞬时的，不能长时间保持，需要人脑记忆，加重了行车 工的工作负担，容易导致调度出错；另外，语音带宽窄，通信速率低，而且同一时间只能 第一苹概论 由一个调度员向一台行车下达指令，信息传输量少。因此，这种方法虽然简单且成本较低， 但是在现场任务繁忙的情况下，容易产生调度出错或滞后等问题，影响生产和销售。 近几年，一些钢厂引入了行车无线调度系统，其功能是通过无线通信将企业管理信息 系统中的行车调度作业发送至行车，并在行车吊运完成后将作业结果进行反馈，以使管理 信息系统能够快速根据作业实绩更新物流信息，达到对物流的同步跟踪。该系统由地面主 控计算机、行车终端以及无线通信设备构成，地面主控计算机通过无线通信设备将调度指 令发送到行车终端，行车终端接收指令并显示于人机界面，行车工根据指令去执行，完成 后通过触摸屏或键盘将处理结果输入行车终端，并按下完成按钮将信息反馈至地面主控。 由于在这一过程中行车作业的执行结果信息是由行车操作工进行手工确认和发送，所以必 然会降低工作效率，有时还难免出现数据错误，破坏整个钢厂信息系统的数据流，甚至影 响到生产和销售。 目前，一种带有行车定位装置的无线调度系统已经开始在国内冶金行业中得到了的普 及和应用。随着信息化程度的逐渐提高，越来越多的钢铁企业已经认识到行车无线调度系 统的重要性，纷纷考虑进行升级改造。如今随着钢铁企业信息化层次的逐渐提高，贮运工 作节奏的加快，管理日趋精细化，作业要求更为苛刻，作业实绩不许出错，作业安全万无 一失，这样行车无线调度系统在库区管理方面的应用更为广泛。近几年来，宝钢、鞍钢、 本钢、重钢、武钢等大型钢铁企业均在大力推行这种带行车定位装置的无线调度系统，使 得行车无线调度系统得到了广泛的发展。 1 3 课题研究工作 本课题对基于行车定位的行车物料贮运与调度系统进行深入的研究并开发研制。该系 统能够实时检测行车位置以及负载状态，并自动判断行车作业的执行情况，反馈作业执行 结果，无需人为操作行车终端，实现行车作业的全自动化调度处理，避免了传统行车无线 调度系统中人为干预带来的不便。当然，在一些特殊情况下也可手动操作选择要执行的作 业、完成或放弃执行作业等，其操作流程如图1 1 所示。 图1 1 无线调度系统行车终端作业操作流程 3 东南大学硕i ：学位论文 显然，这种系统能够避免人工操作带来的问题，极大地提高生产管理效率，为企业带 来效益。 除此以外，行车物料贮运与调度系统还有许多其它优点。行车终端能够将采集到的行 车状态数据实时发送到主控计算机，主控计算机通过界面显示库区行车动态画面和库存画 面，实现对行车的实时监控和库存的跟踪，从而便于库区的统一管理。另外，系统中引入 了手持终端便携式计算机，方便操作人员离开主控室在库区现场进行入库、出库、倒垛、 盘库等业务操作。主控、行车终端并结合手持终端，使得系统功能更加完善，极大地提高 了库区生产管理的自动化程度。 总之，行车物料贮运与调度系统能够实现对行车和库存状态的实时跟踪，达到对物流 同步跟踪的目的，从而保证所有反馈作业实绩的真实性和准确性，并且还能以此为基础做 到行车的可视化操作、库区的远程监控和管理、行车的科学调度等，为企业的生产和销售 管理提供可靠的物流保障。 本课题的主要目标是研究企业生产过程中物料的贮运、调度和库存管理技术，以及工 业环境下信息的无线传输技术，并针对江苏沙钢集团的需求，以沙钢二炼轧生产线为应用 背景，开发一套行车物料贮运与调度系统。为此进行的主要工作包括： ( 1 ) 行车物料贮运与调度系统的需求分析和总体设计。通过对系统硬件设备进行调研 与选型，对系统软件进行功能需求的详细分析和整体框架的设计，为系统的开发打好基础。 ( 2 ) 工业环境下无线传输技术的应用研究。针对钢厂无线数据传输环境恶劣的情况， 进行钢铁环境下无线局域网应用技术的研究，并通过设计无线局域网通信协议，完成数据 信息的无线传输。重点讲述现场的通信测试情况，对无线接入点的信号覆盖范围及网络的 实施要点等内容进行详细探讨，从而在此基础上对系统进行可靠的网络覆盖规划。 ( 3 ) 行车数据采集系统的设计。针对钢厂的恶劣环境，对系统进行设计研发，包括硬 件的调研、选型及安装，软件的设计开发，以及与行车定位系统接口和通信协议的设计， 并对系统进行详细的测试和分析。 ( 4 ) 行车物料贮运与调度系统软件开发。在需求分析与调研的基础上，设计和编写行 车物料贮运与调度系统软件，包括基于w i n d o w s 平台的主控软件、基于w i n d o w sc e 平台 的行车终端软件和手持终端软件、以及数据采集系统软件，功能覆盖了行车称重与定位数 据采集、行车作业管理、人机界面显示、库存盘库、出入库管理及库区和行车的动态监控 等。 1 4 本文结构安排 本文按以下结构进行论述： 第一章是概论，主要介绍了课题的研究背景和意义、课题研究现状、课题研究的主要 工作以及本文结构的安排。 第二章是系统需求分析与总体设计，在分析了钢厂库区概况和系统需求的基础上，给 出了系统的总体架构，对系统的硬件方案和软件方案做了初步的介绍，并讲述了系统的主 4 笙二皇堡堡 要特点。 第三章是工业环境下无线传输技术应用研究，主要介绍了工业环境下的无线传播特性、 工业无线通信技术的发展现状，并在此基础上分析了通信技术选型，无线数据传输系统的 软硬件设计，以及无线局域网的通信测试。 第四章是行车数据采集系统设计，主要介绍了行车数据采集系统的设计过程，描述了 系统的总体结构、工作原理以及抗干扰措施，并分析了系统软件包括通信协议、通信流程、 p l c 软件、上位机软件的设计。 第五章行车物料贮运与调度系统软件开发，将整个系统分为三部分，重点介绍了主控 计算机、行车终端、手持终端软件的设计，从需求分析、软件结构、功能实现、关键技术、 主要流程、软件界面等方面，分别详细讨论了各自的软件开发过程。 第六章是总结与展望，对课题的研究工作进行总结，并探讨了课题进一步的研究工作 和方向。 5 东南大学硕上学位论文 第二章系统需求分析与总体设计 首先，通过对钢厂的库区概况等应用背景和行车物料贮运与调度系统总体需求的分析， 设计了系统的总体架构，并给出了系统的硬件、软件详细实现方案。最后，对行车物料贮 运与调度系统的特点进行了总结。 2 1 系统需求分析 系统开发在需求分析的基础上展开，根据沙钢实际生产过程中对物料贮运与行车调度 的总体要求以及各方面功能上的要求，对系统的总体目标以及各个功能模块进行了详细的 需求分析。 2 1 1 钢厂库区概况 钢厂库区是物料生产和库存堆放的主要场所，一般都为钢铁结构的大型车间，长达数 百米，宽一百多米，分成几个跨，每个跨宽三十到四十米，跨上有两到三部行车。在本课 题中，沙钢荣盛炼钢板坯库是比较典型的一个库区，库区共有四个跨，每个跨有三台行车， 库区布局如图2 1 所示。 肇生蓐鞭坯年 i l lc l 二= li 二： i = ：二i 二：i 繁蒙1 4 5 0l 5 0 较蛙章( 一 板羟摩f ；) 较坯摩i 一 板矮戽( ： ，k - _ ，2 ，h ，知x 知 i 二( 1i 二( 1i _ = lf ：二l i = ( il 二 二。二 二i 图2 - 1 钢厂库区布局 6 蔓= 三兰墨篓重查坌塑皇璺堡堡生 库区内大部分地面用于堆放库存物料，包括板坯、宽厚板、板卷等，每一块物料都有 自己对应的库位，根据物料的不同库位形状、大小、分布也有所不同，不同库区内库位的 分布也不同，所有库区的库位信息以及所有库位上的库存信息都存储在沙钢m e s 数据库内， 因此信息量相当庞大。 整个车间全部为钢铁结构，包括车间地面存放的物料成品以及吊装物料用的行车都由 钢铁构成，再加上库区内高温、多粉尘、多噪音、行车运行产生的强震动，因此环境相当 复杂。 沙钢荣盛炼钢板坯库的库区实际环境如图2 2 所示。 图2 - 2 钢厂库区实际环境 2 1 2 系统需求 根据沙钢实际生产过程中对物料贮运与行车调度的总体要求，系统开发的总体目标是： 确保无线数据传输的实时性、稳定性、可靠性，实现友好的人机界面，方便现场库存管理， 提高系统运行的自动化程度，尽可能减少人工判断和手动操作，保证系统在高温、多粉尘、 强震动、强电磁干扰的工业环境下连续运行的稳定性。 根据系统开发的总体目标，对系统性能的具体要求有： ( 1 ) 系统硬件设备具有较强的抗震能力和抗电磁干扰能力，达到工业标准，具备方便 且可靠的外部接口； ( 2 ) 无线通讯设备具有高可靠性，能适应工业现场环境，不受外部环境干扰； ( 3 ) 数据传输实时、准确、可靠，特殊情况下进行冗余处理，保证数据不丢失； ( 4 ) 人机界面友好、功能显示简洁、清楚、易操作，软件设计合理，能满足现场工艺 要求； ( 5 ) 系统能实现行车的精确定位，能够自动识别库位和判别方向，正确引导行车工操 作行车，对行车操作工的正常操作情况能够自动判断，并能够自动反馈行车指令的执行结 7 东南大学硕士学位论文 果； ( 6 ) 系统能实现库区内任何位置进行出入库操作以及查询、盘库、倒垛等库存管理。 ( 7 ) 系统能长时间不间断稳定运行，保证与库区内所有行车、手持等终端的正常数据 通信以及与数据库的正常交互。 根据沙钢实际生产过程中对物料贮运与行车调度各方面功能上的要求，对系统的各个 功能模块进行了详细的需求分析。系统在功能上的需求主要包括行车作业调度管理、行车 状态实时监控、库存管理等。系统的具体功能需求如下： ( 1 ) 行车作业调度管理。行车作业由调度员在m e s 上操作生成，然后要把这些作业传 达到行车上，因此系统需要完成这样一个流程：主控通过与m e s 接口读取到行车作业，并 将其发送到指定的行车，行车终端收到作业后将信息显示于人机界面上，行车操作工根据 作业信息进行相应的吊运操作，完成后行车终端又将作业完成情况发送到主控，主控再将 其反馈至m e s 。 ( 2 ) 行车状态实时监控。车间生产调度过程中，调度员和行车工都需要经常关注行车 的运行状态，因此系统需要采集到实时的行车状态信息，包括行车的位置，称重信息，吊 钩电流等，并通过人机界面显示。另外，为了提高系统的自动化程度，尽量减少人为的干 涉，系统中需要实现一个行车作业状态的自动判断功能，行车状态的采集对于这个功能的 实现也是至关重要的。 ( 3 ) 库存管理。库区的入库、出库、倒垛、盘库是钢厂生产过程中不可缺少的工艺流 程，因此系统需要结合库区实际情况来完成这些功能，从而实现高效的库存管理。 2 2 系统架构 通过上述详细的系统需求分析，行车物料贮运与调度系统架构设计如图2 3 所示，系统 按功能可分为：数据库服务器、主控计算机系统、无线数据传输系统、行车车载终端系统、 行车数据采集系统、行车定位系统及分布在库区无线网络覆盖范围内的所有手持终端系统。 数据库服务器作为本系统与m e s 系统的接口，负责从i v i e s 系统中获取行车调度指令， 并将行车调度指令执行结果反馈至m e s 系统。 无线数据传输系统作为行车物料贮运与调度系统的子系统，主要功能是实现整个系统 中主控计算机与行车终端以及手持终端之间高效、可靠的数据通信。 主控计算机系统与行车车载终端系统是整个系统的两个重要组成部分，是实现行车作 业调度的关键。主控计算机系统从数据库服务器中读取行车指令，通过无线数据传输系统 发送给行车车载终端系统，行车操作人员根据指令操作行车，通过行车数据采集系统及行 车定位系统，车载终端能够采集到行车实时状态，从而自动判别行车指令的执行情况，并 将执行结果及相关的行车位置、材料重量、吊钩电流等状态信息通过无线局域网反馈给主 控计算机，主控计算机将相关数据存入数据库服务器，以供m e s 系统使用。同时，主控计 算机系统还提供人机界面进行行车实时状态监控、行车指令手动管理、数据库维护、作业 日志信息维护等功能。 笙三童至竺重查坌塑皇璺箜堡生 库区无线手持终端作为m e s 系统子终端，通过无线方式与主控计算机进行通讯，能够 完成以下功能：( 1 ) 发货功能：即产成品出库，通过手持终端上选择提单号、查询提单及 材料，完成行车出库命令生成、出库确认等操作；( 2 ) 入库功能：通过手持终端上查询入 库材料，完成行车入库命令生成等操作；( 3 ) 倒垛功能：通过手持终端上输入材料号或垛 位号进行相关查询，完成行车倒垛命令生成等操作；( 4 ) 盘库功能：通过手持终端上查询 库存材料，完成库存信息的修改，实现库存材料的实时跟踪。 乞纱无线局域网 ! 磊；- 一一磊n 羼i l 目无线! 旧i f - ) ； i： 端软 i i _ i l _ i l 一： 图2 - 3 行车物料贮运与调度系统架构 行车数据采集系统是整个行车物料贮运与调度系统的一部分，是实现行车准确定位， 从而实现系统智能作业判定功能的关键。行车数据采集系统一方面负责采集行车定位系统 的行车大车位置( x 轴) 与小车位置( y 轴) 两路数字量信号，另一方面采集行车称重信 号和行车吊钩电流信号两路模拟量输出，再将这些行车状态信息一起打包，发送至上位机， 即行车终端进行数据处理。行车数据采集系统的软硬件开发过程将在第四章行车数据采集 系统设计中详细介绍。 行车定位系统基于射频识另t j ( r f i d ) 技术设计开发，也是行车物料贮运与调度系统的子 系统，主要负责实现行车位置信号的实时采集，并输出行车大车位置与小车位置两路数字 量信号。关于行车定位系统的设计包括r f i d 读写器、电子标签的研制以及现场安装与调试 9 东南大学硕上学位论文 可参考 2 1 1 、【2 2 等相关文献，本文不做重点介绍。 2 3 系统硬件方案 行车物料贮运与调度系统硬件主要包括无线数据传输系统、数据库服务器、主控计算 机、行车终端、手持终端、行车定位系统、数据采集系统等。 2 3 1 无线数据传输系统 无线数据传输系统采用工业无线局域网技术，由无线网关、客户端、高增益全向天线、 以太网交换机、传输光纤、光纤转换器等模块组成。通过对钢厂库区提供无线信号的覆盖， 实现主控计算机与系统内所有行车终端以及手持终端之间的无线通信。系统采用高可靠的 通信协议，保证数据传输的万无一失。系统具有数据传输距离远、速度快、准确率高、长 时间运行稳定可靠等特点。对无线数据传输系统的设计将在第三章工业环境下无线传输技 术应用研究中详细介绍。 2 3 2 数据库服务器 数据库服务器采用专用工业控制计算机，内置以太网卡，通过局域网为相关操作提供 数据访问，实现主控计算机与m e s 数据库的数据交互，从而使系统与m e s 成功对接。 2 3 3 主控计算机 主控计算机通过局域网与数据库服务器交互，与行车终端通信。由于主控计算机在实 际应用中需要长时间连续运行，且现场存在高温、多粉尘的恶劣环境，因此选用耐高温、 具有防尘设计、高可靠性的工业控制计算机。 2 3 4 行车终端 行车终端，即行车车载计算机采用基于w m d o w sc e5 0 的车载式终端，基于工业标准 设计，体积小巧达到工业级p c 配置标准，并配有丰富的外设接口。采用先进的液晶显示屏， 低电磁干扰，抗震性强；同时，配有触摸屏，便于行车工的操作，提高工作效率。通过无 线网关客户端，该终端具有无线传输功能，能够与地面主控计算机、库区手持终端实现无 线通信。行车终端具有强大的扩展性和连接性选择，确保易于同现有及未来的构架进行集 成，满足在恶劣工业环境实施移动数据的应用中对灵活性、集成性、坚固性和人性化的需 求。由于行车环境具有频繁震动、高温、多粉尘、强干扰等特点，所以对车载终端的质量 和性能要求很高，能够适应这种恶劣环境，具有高可靠性。 行车终端与其他模块集成于行车终端控制箱内，包括车载计算机、电源模块、无线设 备、数据采集设备、风扇、按钮、指示灯等。行车终端接线图如图2 4 所示。 1 0 第二章系统需求分析与总体设计 图2 - 4 行车终端接线图 车载计算机采用研华t p c 1 2 6 1 触屏式工业平板电脑，支持w i n d o w s9 x n t 2 0 0 0 c e ， 无风扇冷却系统，镁铝外壳超薄设计，1 2 1 高亮度s v g a t f tl c d 等。其特点有：工业级 设计，高质量的1 r i 叮l c d 显示屏，低功耗的处理器，采用了无风扇设计，使系统运行更加 可靠。 电源模块包含滤波器、2 4 v 开关电源、保险丝等，为系统提供稳定可靠的2 4 v 直流电 源。其特点是：高效、可靠、工作温度范围广；软启动电流，能有效降低a c 输入冲击， 纹波小；有短路保护、过载保护。 无线设备采用m o x aa i r w o r k s3 1 2 1 ，内置8 0 2 1 1 加g2 4 g 无线模块，1 0 1 0 0 m b p s 自 适应局域网网卡，适用环境温度为0 6 0 ，电源为1 2 - 2 4 v d c 。 数据采集设备采用西门子的s 7 2 0 0 p l c 2 2 4 x p ，电源为1 0 0 - 2 3 0 v a c ，数字量1 4 输入 1 0 输出，模拟量2 输入1 输出，2 个r s - 4 8 5 接口。 风扇安装于控制箱的两侧，能够有效散热，使得整个行车终端系统能够在高温的环境下 长期连续稳定运行。 按钮和指示灯安装于控制箱的表面，按钮作为行车作业执行结果的反馈方式，能够让行 车操作工方便进行操作，指示灯指示控制箱通电状态。 2 3 5 手持终端 手持终端采用得逻辑t e l d o g i x 7 5 3 5 ，5 2 0 m h zx s c a l ep x a 2 7 0 处理器，1 2 8 m bs d r a m ， w