（控制理论与控制工程专业论文）钢铁企业行车无线调度与位置跟踪系统的研制.pdf

摘要 摘要 本文以无线局域网( w l a n ) 和射频识别( r f l d ) 为技术背景，完成了钢铁企业行车无线调 度与位置跟踪系统的研制，通过对行车的无线凋度与位置跟踪，有效保证了行车物流的实时性和 准确性。系统采用w l a n 技术实现无线数据通信，针对钢铁环境对无线通信的影响较大的问题， 通过现场的网络通信效果测试，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了全 面研究，在此基础上对系统进行了网络规划，并设计了可靠的通信传输协议。系统采用r f i d 技术 对行车位置进行检测，针对r f i d 技术用于定位的特点及工业现场环境的实际应用，对r f i d 读写 器和电子标签的设计和安装进行了详细的探讨，并对不同情况下读写效果进行了测试和分析。开 发了行车无线调度与位置跟踪系统软件，包括主控软件和行车终端软件两部分，实现了行车作业 管理、位置跟踪和库存的管理查询等功能。 行车无线调度与位置跟踪系统投入使用后，系统运行可靠，功能完善，提高了库存管理水平， 达到了设计目标，并且获得了企业用户的认可。 关键词：钢铁行业行车无线调度位置跟踪无线局域网射频识别 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sd i s p a t c ha n dc r a n el o c a t i o nt r a c ks y s t e mi sb a s e do nw l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) a n dr f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) t e c h n o l o g i e s b yd i s p a t c h i n g t a s k sa n dt r a c k i n gl o c a t i o no fc r a n e s ，t h es y s t e mc a np r o v i d er e a l - t i m ea n dr e l i a b l el o g i s t i c sg u a r a n t e ef o r t h es t e e lp l a n t s 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 m f o rt h er a d i ow a v ec a nb e i n t e r f e r e di nt h es t e e le n v i r o n m e n t , e o m m u c t i o nt e s ti sp r a c t i s e di nt h er e a ls t e e lm i l lt of i n dt h ea c t u a l c o v e r a g eo ft h ea c c e s sp o i n ta n dt h ee s s e n t i a lo ft h ed e s i g no ft h en e t w o r k a n dr e l i a b l ew i r e l e s sn e t w o r k l a y o u ta n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la r ea l s od e s i g n e d t h ew i r e l e s sd i s p a t c ha n dc r a n el o c a t i o nt r a c k s y s t e md e t e c tp o s i t i o no ft h ec r a n eb yr f i dt e c h n o l o g i e s o nt h eb a s i so ft h ef e a t u r e so fr f i di n p o s i t i o nd e t e c t i n ga n dt h ea p p l i c a i o ni ni n d u s t r i a le n v i r o n m e n t ，t h ed e s i g no ft h er f i dr e a d e ra n dt a gi s d e t a i l e d l yi n t r o d u c e d ，a n dt e s ta n dr e s e a r c ha b o u tt h ep r a c t i c a lr e s u l t si sa l s od i s c u s s e d s o f t w a r eo ft h e w i r e l e s sd i s p a t c ha n dc r a n el o c a t i o nt r a c ks y s t e mi sa l s od e v e l o p e d ，w h i c hi n v o l v e st w op a r t s ，t h e m a i nc o n t r o ls o f t w a r ea n dt h et e r m i n a ls o f i a v a r e f u n c t i o n so ft h es o f t w a r ei n c l u d em a n a g e m e n to ft h e c r a n et a s k ，l o c a t i o nt r a c ko ft h ec r a n ea n dm a n a g e m e n ta n dq u e r yo fi n v e n t o r y t h ew i r e l e s sd i s p a t c ha n dc r a n el o c a t i o nt r a c ks y s t e mh a sb e e np u ti n t ou s e ，w h i c hi sr u n n i n g r e l i a b l ya n dw i t hp l e n t i f u lf u n c t i o n s ，i ti m p r o v e st h el e v e lo fi n v e n t o r ym a n a g e m e n ta n da c h i e v e st h e o b j e c t i v e so f t h ed e s i g n t h es y s t e mi sf u l l yr e c o g n i z e db yc u s t o m e r so f t h es t e e lp l a n t s k e yw o r d s ：s t e e li n d u s t r y , c r a n e ，w i r e l e s sd i s p a t c h ，l o c a t i o nt r a c k , w l a n ，r f i d h 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：萎垄塑日期：2 0 0 9 牟- z 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：搠 导师签名：壅盔 日 期：丝? ：竺：一圣 第一章概论 1 1 课题背景及意义 第一章概论 本课题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”的子课题， 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。 沙钢集团是目前国内最大的电炉钢和优特钢生产基地，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。现拥有总资产1 0 0 0 多亿元，主要工艺装备均达国际先进水平，形 成了年产铁2 2 3 0 万吨、钢2 7 2 0 万吨、材2 3 9 0 万吨，其中不锈钢板1 0 0 万吨的生产能力。 沙钢集团宏昌钢板厂2 0 0 2 年从德国多特蒙德蒂克森虏伯公司( t k sd o r t m u n dw e s f f a l e n h o t t e ) 引进的1 7 0 0 m m 热轧生产线，设计年产能力4 5 0 万吨，主要产品为热轧卷板。为了满足企业信息化 的要求，与之配套的m e s ( m a n u f a c t u r ee x e c u t i v es y s t e m ，制造执行系统) 1 l 也将于2 0 0 9 年投入运 行，这就对行车吊运提出了新的要求。m e s 覆盖宏吕钢板厂生产的全过程，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。订单管理主要是输入客户的要货订单，使销 售合同与m e s 系统实现紧密集成，为按合同进行组织生产奠定基础；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，保证合理库存结构和上下工序有效衔接；发货管理的目标是规范出厂管理业务，根据合同交货 要求，合理有效组织出厂资源，缩短出厂物流周期，降低产成品库存，保证合同按期交货，同时为 财务部门与客户进行资金结算提供基础依据；质量管理的目标是构建技术质量集中一贯的管理体系， 建立质量控制管理、质量数据收集、质量跟踪管理平台，实现产品制造全过程质量控制、跟踪，完 善产品设计和生产制造过程，使产品生产程序标准化、管理信息化。宏昌钢板厂的生产工艺流程如 图1 1 所示。 图1 1 钢板厂生产工艺流程 生产工艺流程中，行车是执行生产物料的运输及产品的出入库任务的重要生产工具，对行车位 置和吊运情况进行跟踪，进而实现物料的精确跟踪是实现库存管理的关键环节。m e s 系统覆盖生产 的全过程，需要与生产及储运调度紧密结合，获得实时物料信息，这些都要求行车对钢卷的入库、 出库、倒垛的信息能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。卜发，由于现场噪音火等恶劣的t 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，并且在物料吊运完成之后，由于吊运结果也采取人工 记录上传，所以无法及时将结果返同至管理系统，导致库存信息严重滞后，影响管理效率。为此， 东南人学自动化学院和江苏沙钢集团计算中心发挥各自优势，合作开发钢铁企业行车无线调度与位 置跟踪系统，以解决这一问题。 东南大学硕二卜学位论文 1 2 课题研究现状 行车是钢铁企业的重要生产工具，担负着生产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，所以往往形成管理中的自动化孤岛。随着钢铁企业信息化水平的提高，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。 行车无线调度与位置跟踪系统，其主要作用是通过对行车的无线调度与位置跟踪，有效的保证 行车物流的准确性。系统以钢铁企业仓库( 板坯库、钢卷库、成品库) 和行车为主要应用对象，针 对仓库中的库位和存储物质的物流进行全盘信息化的管理，针对仓库的主要作业设备行车进行 可视化的高效作业和远程监控，确保准确安全，杜绝人为因素的过多参与和影响，最大限度地服务 于储运和销售，实现对各生产片j 行车的自动调度、库场管理、行车作业信息的准确自动采集和行车 工作信息的实时汇总，保证生产过程中物流和信息流的顺畅，同时优化库存、降低能耗，提高企业 的生产和管理水平。 行车无线调度与位置跟踪系统在钢铁行业的应用经过了两个阶段的发展，即单纯的行车无线调 度系统和扩展了行车定位功能的行车无线调度与位置跟踪系统。行车无线调度系统的功能是通过无 线通信将企业制造执行系统( m e s ) 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，达到对物流同步的跟踪。但 是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，所以难免会出 现错误，而错误一旦出现就会严重干扰系统的内部数据流程，导致效率的降低。所以，如果能够对 行车状态进行实时跟踪，并自动判断行车的吊运情况，则能够避免人工参与的问题，同时提高管理 效率。随着行车定位技术的发展，对行车的位置检测已经可以实现，将位置跟踪功能引入系统后， 能够进行行车的动态监控和作业的执行判断，并且能够为行车操作t 的实际吊运过程提供方向指导， 既丰富了系统的功能，又避免人工参与的错误，从而提高了企业管理的效率。 目前，行车无线调度与位置跟踪系统已经越来越成为钢铁企业实现生产活动与经营活动的有效 集成，进行优化运行、优化控制与优化管理不可或缺的手段，已经开始在国内冶金行业中得到快速 的酱及和应用。以往国内钢铁企业的传统普通行车自动化程度偏低，现在随着信息化程度的逐渐提 高，企业纷纷考虑进行改造或升级，投入行车无线调度与位置跟踪系统，特别是在目前新建的三库 项目中更加明显。近几年来，随着宝钢、鞍钢、本钢、重钢、武钢等大型钢铁企业的大力推行，使 行车无线调度与位置跟踪系统得到了广泛的发展。 1 3 课题研究工作 课题的主要目标是对针对江苏沙钢集团的应用需求，以钢卷库为应用背景，研制行车无线调度 与位置跟踪系统，并进行相关技术的研究，为此进行的土要t 作包括： ( 1 ) 钢铁环境下的无线局域网技术研究。根据系统对数据传输的要求，进行对多种t 业无线通 信技术的比选，采用无线局域网技术来实现系统无线数据传输。研究中针对钢厂车间无线传输环境 恶劣的情况，设计了无线局域网软件通信协议，并重点进行了现场多方位的通信效果测试，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了详细探讨，在此基础上对系统进行了可靠的 网络覆盖规划。 ( 2 ) 行车r f l d 定位技术研究。针对r f i d 技术用于定位的特点以及工业现场环境的实际应用， 对r f i d 定位技术进行了研究，内容包括对主要设备读写器和标签进行研制，对现场安装方式进行 详细的探讨，在此基础上对行车定位称重系统的进行了设计，并对不同情况下读写效果进行测试及 分析。 ( 3 ) 系统软件的研制和开发。在需求分析与调研的基础上，设计和编写行车无线调度与位置跟 踪系统软件，包括基- j - w i n d o w s 平台的主控软件和基丁w i n d o w sc e n e t 平台的行车终端软件，功 能覆盖了行车作业管理、位置跟踪和库存的管理查询等。 2 第一章概论 1 4 本文的结构安排 本文的结构安排是按照对行车无线调度与位置跟踪系统设计和研究的顺序展开的，首先进行系 统的需求分析和总体设计，然后对系统中的两项关键技术展开研究，即钢铁环境下无线局域网应用 技术和行车r f i d 定位技术，并在研究中给出两个子系统设计，接下米进行系统的软件设计与开发， 最后进行课题的总结与展望，本文的结构安排如下： 第一章是课题概论，主要介绍了课题的研究背景、课题研究现状、研究的主要工作等。 第二章是系统的需求分析与总体设计，在分析钢卷库概况和总体需求的基础上，给出了系统的 总体结构设计，对系统各部分做初步的介绍，并对主控计算机和行车终端计算机进行了选型。 第三章是钢铁环境下无线局域网应用技术研究，内容包括无线局域网技术概述、工业环境下的 无线传播、无线局域网网络结构没计、通信协议设计、钢铁环境现场通信测试及无线数据传输系统 设计。 第四章是行车r f i d 定位技术研究，内容包括r f i d 技术原理、读写器与标签的研制和行车定位 称重系统设计。 第五章是行车无线调度与位置跟踪系统的软件设计，首先介绍了软件的需求分析和总体框架设 计，之后分别给出了主控软件和行车终端软件的详细设计。 第六章是总结与展望，对课题的研究工作进行总结，对系统的运行效果进行分析，并探讨了进 一步的研究工作和方向。 3 第二章系统分析与总体设计 第二章系统需求分析与总体设计 本章的主要内容是行车无线调度与位置跟踪系统的系统分析与总体设计，以钢卷库为应用背景， 在分析钢卷库概况和总体需求的基础上，对系统各构成部分的功能进行了划分，给出了系统的整体 实现方案，并对系统终端设备及关键技术进行了选型。 2 1 系统需求分析 需求分析是系统开发的基础，本文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，对系统相关的生产环节进行深入调研，了解钢卷库概况，进行系统的需求分析。 2 1 1 钢卷库概况 沙钢集团宏吕钢板厂钢卷库是热卷板的生产及成品存放的大型车间，东西方向长6 0 0 米，南北 方向宽1 6 9 米，钢卷库共分为5 个库区，每个库区有两部行车。物料钢卷堆放在库区中地面上的固 定库位上，每个库区的长度、宽度各不相同，库位的行数、列数也各不相同。在钢卷库中，钢卷库 的整体布局示意图如图2 1 所示。 1 0 m5 撑跨 行行 车车 1 3 m群跨 行行 车车 板卷生产区 1 3 m3 群跨 行行 车车 m i 行 1 0 m硝跨 行 ， 车 车间控制室 车 ；3 ml 拌跨 行行 车车 丫 图2 1 钢卷库整体布局 钢卷库的整体情况数据，包括各库区的行车数量、行车编号、库区长度、库区宽度、库区中库 位的行数、列数、库区出库门及入库区的编号如表2 一l 所示。 表2 - 1 钢卷库概况数据汇总 库区行车行车长度宽度行数列数出库门入库区 编号数量编号 ( 米)米)( 行)( 列) 编号编号 1 2 a 0 0 i ，a 0 0 26 0 03 31 6 21 2 3 ，4 l 22b o o l - b 0 0 26 0 04 01 5 11 6 3 ，4 2 32c 0 0 i c 0 0 22 5 03 35 01 253 42 d 0 0 1 ，d 0 0 2 2 5 03 37 71 21 44 5 2 e 0 0 1 ，e 0 0 2 2 5 03 07 5l l 1 3 5 钢卷库车间的建筑为全部钢铁结构，行车运行于车间的上部，也主要由钢铁构成，地面则是大 量的钢卷成品。车间中温度较高，多灰尘，多噪音，行车运行时振动大。 4 m 人学侦十学何论立 钢卷库的实际环境如图2 - 2 所示 2 1 2 系统功能需求 田2 - 2 钢卷库实际环境 经调研系统的在功能上的需求总体包括行车作业调度、行印状态监控、库存查询显示及人机 界面等。 ( ”行车作业调度 行车执行物料吊运所根据的作业信息由m e s 系统生成，系统需要从m e s 白动读取行车作业 发送至指定行车，并在行车驾驶室内的终端计算机上显示作业的信息行车操作工则根据作业信息 操作行车进行物料的吊运作业执行完毕后系统能够自动将作业的执行结果反馈至m e s 系统。 ( 2 ) 行车状态监控 系统需要能够实时检测行午的运行状态，包括吊钩位置( 即大车和小车的位置) 称重信息等 在乍间主控室内的主控计算机上动态显示行车运行的画面及各种状态信息井能够在行车终端界面 上为行车操作下提供前进方向的指示以提高操作的准确性。除此之外，行乍状态监控的另一个重 要目标是实现行车作业执行情况的自动判断，即根据行车的状态政变，判断岂前作业的执行情况， 包括是否正确执行或者修改执行。 ( 3 ) 库存查恂显不 系统需要能够寅时反映库区中的物料库存状况，枉丰控计算机上埘实物画面进行显示，井能够 选取物料进行相戈的奄询。 ( 4 ) 人机界而 人机界面是指直接与下问生产管理员及行午揲作员进行交互的讨算机终端及软件界面，行车无 线调度与位置跟踪系统的再种监控及撵作通过人机界面进行。在卞问土控室内配备主控计算机，运 行系统主拄软件，每部行午驾驶室内配备行市终端计算机，远行行车终端软忭。系统软f j ：的具体需 求分析将在第五章中进行介妊| 。 2 1 3 系统非功能需求 在实现应川功能的基础h ，由j ：业现场使h j 环境挑定，系统还应贝以f 非功能方面的需求： ( 1 ) 系统硬t ：设备需几宵肪尘、防震，耐高温设计，适应_ l 业现场环境运行可靠，可长时问 连续逆行，必要时设置冗余。 ( 2 ) 系统的各部分维护方便。 5 第一章系统分析与总件设计 3 ) 系统内数据的传输准确、迅速、稳定。 4 ) 软件设计台理，能满足现场工艺要求，显示清晰，并且容易操作 z 2 系统总体设计 行车无线调度与位置跟踪系统的总体设计在需求分析及设备调研的基础上进行包括系统的结 构设计、功能划分、终端设备选型以及主要，绘山终端的硬件选型及技术选型。 2 2 1 系统结构 根据系统人机界面的需求为了方便监控系统的整体远行i = 上及实现系统的应用功能，需在钢卷 库车间主控室内设置主控计算机，在行车驾驶室内设置行车终端计算机。主控机作为系统信息处理 的核心，需要完成行车作业处理、行车动态监控，库存显示查询以及系统管理等功能。由于需要对 m e s 数据库进行访问，所以主控计算机与m e s 通过车间有线局域网进行连接。行车终端需显示行 车作业信息，为行车操作工提供执行依据并采集行车的定伉称重信息，进行作业执行的同步判断。 主控计算机与行车终端间需通过无线通信进行信息的交互，包括行车作业信息及行乍状态信息 这部分功能由无线数据传输系统进行实现。无线数据传输系统作为子系统，需要保证主控计算机与 行车终端问的通信高效准确，具有高可靠性，其详细设计将在第三章中进行介绍。 系统实现行车状态监控及作业执行判断，需要采集行车的位置信息和称重信息，并将信息传送 至行车终端进行处理这部分功能则由行车定位称重系统实现。行车定位称重系统是行车无线调度 与位置跟踪系统的子系统，其详细设计将在第四章中进行介绍。 综上，整个系统按部署的位置可分为地面部分和行车部分：地面部分包括系统主控计算机( 含 主控软件) 、无线数据传输系统，且主控计算机通过车间网络连接至m e s 系统：行车部分包括车载 终端( 舍行车终端软件) 、行车定位称重系统。系统的总体结构如图2 - 3 所示。 图2 - 3 系统总体结构 系统并部分的土要功能及数据传递内释如图2 4 所示。 行乍“二业行车运行 l ，车作业 竺! ! 竺杏8 示 竺兰 库存信息 龟印 蹉登箩亨腓壅 涩8 3 篷匾 图2 0 系统功能结构 东南大学硕上学位论文 2 2 2 系统终端设备选型 ( 1 ) 系统主控计算机 主控计算机在应用中需长时间连续运行，需选用高可靠性的工业控制计算机，由于显示信息较 多，显示设备应采用1 2 8 0 1 0 2 4 高分辨率的液晶显示器，同时为防止意外断电产生数据的丢失，还 应配有u p s 不间断电源。主控计算机选用研华i p c 6 1 0 系列工业控制计算机，具体配置如表2 - 2 所 示。 表2 _ 2 系统主控计算机配置 配置名称性能参数 处理器，主板i n t e ip 42 8 g ，主板采用研华p c a 6 0 0 6 l v _ - e 业c p u 卡 内存 d d r 4 0 05 1 2 m 硬盘8 0 g ( 7 2 0 0 转，i d e 接u ) 显示器1 9 ”液晶显示器 操作系统w i n d o w sx p u p s山特c i k 在线式u p s ，额定容i k v a o 7 k w ( 2 ) 行车终端 由于行车环境具有持续震动、高温、多粉尘及干扰强等特点，所以对车载终端的质量和性能要 求很高，特别需要具有适应这种恶劣环境的高可靠性，并且采用稳定性更高的w i n d o w sc e n e t 操 作系统。行车终端选用t e l o g i x 8 5 3 0g 2 车载计算机，具体配置如表2 - 3 所示。 表2 3 系统行车终端计算机配置 配置名称性能参数 处理器i n t e lx s c a l ep x a2 7 0 5 2 0 m h z 内存1 2 8m b y t es d r a m 操作系统 w i n d o w sc e n e t5 0 用户界面彩色显示屏s v g a8 0 0x6 0 0 ，1 0 4 英寸，触摸屏 无线通信 r a 2 0 4 0 无线模块8 0 2 i l b gc f 外部端l j 1 个t e t h e r 端口，一个9 针r s 2 3 2 串口，一个高密度端口 环境操作温度：2 0 到+ 6 0 ，存储温度：3 5 至u + 7 0 防水防尘：i e c5 2 9 ，i p 6 6 认证 抗震动：沿任意方向1 5 9r m sp s d ( 4 - 5 0 0h z ) 2 2 3 工业无线通信技术选型 上世纪八十年代以来，移动通信技术飞速发展，日臻完善。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：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； 系统的“柔性”增强，可以方便迅捷地替换、升级和重新布置；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，也是上业自动化产品未来的新增长点1 2 】【3 1 。随着钢铁企的技术升级，越来越多的需 要使用到无线局域网通信技术，以突破有线通信的限制。 行车无线调度与位置跟踪系统的目标是通过对行车位置的跟踪库存的跟踪，实现库存管理的自 动化，而这一过程的关键和前提就是实现系统信息传递的实时性。无线数据传输系统作为子系统， 主要的功能是实现系统中主控计算机与行车终端之间高效、可靠的数据通信。根据应用的需要，系 统对无线通信技术的具体要求为： ( 1 ) 能够实现组网通信。系统内包括主控计算机和多部行车终端，要求各终端之间都能够进行 相互通信，构成无线通信网络。 7 第二章系统分析与总体设计 ( 2 ) 数据传输速率和实时性高。系统需要实现行车的动态监控以及作业信息的及时反馈，行车 的状态数据和作业数据需实时的传递，其中每部行车状态的传输间隔时间都在1 0 0 m s 数量级，所以 对系统数据传输的速率和实时性要求都很高。 ( 3 ) 技术成熟可靠。系统长时间连续运行于工业现场，所以要求无线数据传输技术也同样具有 高可靠性，技术成熟。 现有适合在工业环境下使用的主流无线通信方式主要有无线数传电台、g p r s g s m 基于移动通 信网络的手机通信模块、蓝牙( b l u e t o o t h , i e e e8 0 2 1 5 1 ) 、z i g b e e ( i e e e8 0 2 1 5 4 ) 及无线局域网 ( w l a n ，i e e e8 0 2 1 la b g ) 等几种。 ( 1 ) 数传电台1 4 j 数传电台( d a t ar a d i o ) 是借助d s p 技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台。数传 电台的使用从最早的按键电码、电报、模拟电台加无线m o d e m ，发展到目前的数字电台和d s p 、 软件无线电；传输信号也从代码、低速数据( 3 0 0 1 2 0 0 b p s ) 到高速数据( n * 6 4 k - - 一n * e i ) ，可以传 输包括遥控遥测数据、数字化语音、动态图像等业务。数传电台的优势在于技术成熟，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。但是，由于此类设备主要用米替换传统 r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 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，所以缺乏完整的网络协议栈支持，组网开发的难度较大，另外由于其通信速率较低，大大 制约了无线通信系统的进一步扩展升级，许多新的功能难以实现。 ( 2 ) g p r s ( i s m 基于移动通信网络的手机通信模块，如g s m g p r s 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，只要能使爿j 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一定的费用；手机短信模块的通 信速率和带宽很低。由于行车无线调度与位置跟踪系统内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 ) b l u e t o o t h ( i e e e8 0 2 1 5 1 ) 【5 】 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是1 9 9 4 年由爱立信公司首先提出的一种短距离无线通信技术规范，这个技术 规范是使用无线连接来替代已经广泛使用的有线连接。透过芯片上的无线接收器，配有蓝牙技术的 电子产品能够在1 0 米的距离内彼此相通，依据发射输出电平蓝牙可以有3 种距离等级，其中c l a s s l 为1 0 0 米左右、c l a s s 2 约为1 0 米、c l a s s 3 约为2 3 米。一般情况下，其正常的t 作范同是l o 米半径 之内，传输速度可以达到每秒钟1 兆字节( 蓝牙的标准是i e e e 8 0 2 1 5 ，工作在2 4 g h z 频带，带宽 为1 m b s ) 。作为短距离无线通信技术，其传输距离最大1 0 0 m 达不到系统所需的要求。 ( 4 ) z i g b e e ( i e e e8 0 2 1 5 4 ) 1 6 1 1 7 】 z i g b e e 标准基于8 0 2 1 5 4 协议栈而建立，具备了强大的设备联网功能，它支持三种主要的自组 织无线网络类型，即星型结构、网状结构( m e s h ) 和簇状结构( c l u s t e rt r e e ) ，特别是网状结构，具 有很强的网络健壮性和系统可靠性。z i g b e e 的优点在于低功耗、短时延、低成本和高安全性。作为 短距离无线通信技术，z i g b e e 更适合数据传输速率要求低，通信量小，但是对低功耗和低成本要求 高的场合。 ( 5 ) w l a n ( i e e e8 0 2 11a b g ) 【8 】 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它利用电磁波在空气中发送和接收数 据，无需线缆介质p 】。8 0 2 1 l 为i e e e ( 美国电气和电子丁程师协会，t h ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 发布的无线网络的一系列标准，适用于有线用户与无线用户或无线用户之间 的网络通信。 下面将常见的t 业无线通信技术，数传电台、g p r s g s m 、b i u e t o o t h 、z i g b e e 和w l a n 的特点 作简要的比较如表2 4 所示。 8 东南大学硕+ 学位论文 表2 _ 4 常见的工业无线通信技术比较 市场名数传电台g p r s ，g s mb l u e t o o t hz i g b e e w l a n 标准无 l x r 丁r c d m ai e e e8 0 2 1 5 1m e e8 0 2 1 5 4i e e e8 0 2 11a b g 应用重点语音，广阔范围，电缆替代品 监测，控制w e b ，e m a i l ， 少量数据声音，数据 图像，数据 带宽( b p s ) l k 1 0 0 k6 4 k ，1 2 8 k7 2 0 k 2 0 k 2 5 0 kl l m 1 0 8 m 传输距离( m ) l o o o +l o o o +l 1 0 0 l 1 0 0l 1 0 0 + 功耗较高低 低极低中等 网络火小 2176 5 5 3 6许多 应用特点低成本覆盖面积大低成本，方便低功耗，低成本 高速度，灵活性 通过对常见工业无线通信技术的比较，w l a n 在传输速率上较其他各种技术都具有显著的优势， 其协议支持也很成熟，具有很强的便利性和可扩展性；在传输距离上，b l u e t o o t h 与z i g b e e 主要用于 1 0 0 以内的短距离无线通信，w l a n 可以采用人功率天线以扩展信号覆盖范围；功耗在可靠电源支 持下对方案的选型不构成太大影响；其网络大小也可满足需要。所以，在行车无线调度与位置跟踪 系统中，可采用w l a n 技术构建无线网络，实现数据的通信。对无线数据传输系统的详细设计将在 第三章中进行介绍。 ， 2 2 4 行车定位技术选型 行车定位称重系统是行车无线调度与位置跟踪系统的子系统，主要的功能是实现行车位置的检 测、采集行车称重信息，并将数据传送至行车终端，进而用于行车状态的监控以及作业执行情况的 判断。其中，最的关键的部分是对如何对行车位置进行实时的检测。同时，由于钢铁企业一般现场 环境恶劣，存在高温、多粉尘、腐蚀性气体、油污、机械振动、电气干扰、露天下作环境及行车移 动制动频繁、打滑等，也致使行车位置检测问题成为行业的难题。经过调研，系统行车定位的具体 要求为： ( 1 ) 定位精度在2 0 5 0 厘米，由于行车定位系统主要的目的是用于库位的判断，钢卷库的库存 钢卷的宽度也为2 m 左右，垛位之间的间距为2 m 左右。 ( 2 ) 行车定位数据能够连续上传，由监控画面更新及作业判断的需要，每帧数据上传的间隔时 间应在l o o m s 以下。 ( 3 ) 运行可靠，使用寿命长，并且维护方便。 目前，国内外钢铁企业采用的行车定位技术主要有以下几种：激光定位技术、格雷母线通信定 位技术和r f i d 定位技术。 ( 1 ) 激光定位技术 利用激光传输时间来测量距离的基本原理即通过测量激光往返目标所需时间米确定目标距离， 是一种连续1 f 接触位置检测。 激光定位技术的测量精度可以很高，检测精度一般能达剑毫米级，而且安装简单。缺点是测距 相对短，抗污染能力差，露大环境的雨、雾和粉尘对光线传播都有影响，激光发射头要求环境清洁 度应1 常好，粉尘累积或雨水冲刷极易造成发射窗口被堵塞，投资成本高。 ( 2 ) 格雷母线通信定位技术1 1 w 格雷母线位置检测和通信技术是在上世纪8 0 年代初，世界上为了解决工业场合的有轨移动行车 的地址检测和车地相互间通信问题而发展起来的一门专业技术，中文有时也译作“诱导母线技术”。 其核心技术是感应无线通信技术，这种技术是介于有线通信与无线通信之间的一种通信技术。格雷 母线位置检测系统主要由车载站( 地址编码发生单元和天线箱) 、地面站( 地址编码解码单元) 和格 雷母线组成，采用电磁感应原理和格雷编码原理米进行位置检测和数据通信，是一种连续的非接触 式绝对位置检测方式。格雷母线位置检测传感器通过安装在移动行车上的感应天线箱与沿轨道方向 安装的扁平格雷母线之间相互感应来检测感应大线箱在格雷母线长度方向上的位置，同时利用这套 格雷母线通过f s k 方式进行车上和地面之间的感应式通信。 9 第二章系统分析与总体设计 格雷母线定位技术是一种连续的绝对位置检测，检测精度一般能达到5 厘米。其缺点是成本较 高，维护复杂。由于格雷母线是一个整体，某点损坏，整条电缆不能工作，系统瘫痪，维修也相当 复杂，一般需换整条电缆。 ( 3 ) r f i d 定位技术 激光定位技术和格雷母线通信定位技术是目前钢铁行业中应用较多的两种主流定位技术，而 r f i d 定位技术是刚刚出现的新兴定位技术之一，是一种非接触式自动识别技术，通过射频信号自动 识别目标对象并加载相关信息，不仅识别工作无须人工干预，而且由于无需外露电触点，电子标签 的芯片可按不同的应用要求来封装，因此可应用于各种恶劣环境。 r f i d 定位技术的出现在钢铁行业定位技术中具有很强的竞争力，具有成本低、响应迅速、易于 实现、调试安装方便、可靠性高、维护简单等优点，其检测精度一般在1 0 2 0 厘米，虽然低于其他 两种检测方式，但是也能够满足系统的要求，所以在本系统中采用r f i d 技术进行行车位置的检测。 行车定位称重系统的设计将在第四章行车r f i d 定位技术研究中介绍。 2 3 本章小结 本章的主要内容是行车无线调度与位置跟踪系统的系统分析与总体设计。首先进行了系统的需 求分析，了解钢卷库概况，分析系统的功能需求和非功能需求。然后对系统各构成部分的功能进行 了划分，给出了系统的整体实现方案，并且对系统终端设备及关键技术进行了选型，采用无线局域 网技术实现系统的无线数据传输，采用r f i d 技术实现行车的位置检测。 l o 第三章钢铁环境下无线局域嘲应用技术研究 第三章钢铁环境下无线局域网应用技术研究 无线数据传输系统作为子系统，主要的功能是实现系统中主控计算机与行车终端之间高效、可 靠的数据通信，本章中以无线数据传输系统的开发为背景，针对钢厂车间无线传输环境恶劣的情况， 进行了钢铁环境下无线局域网应用技术的相关研究，对无线局域网络结构和通信协议进行了设计， 并重点进行了现场多方位的通信测试，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 了详细探讨，在此基础上对系统进行了可靠的网络覆盖规划。本章将具体介绍的内容包括无线局域 网技术概述、工业环境下的无线传播、无线局域网结构设计、通信协议设计、钢铁环境现场通信测 试及无线数据传输系统设计。 3 1 无线局域网技术概述 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k , w l a n ) 是计算机网络与无线通信技术相结合的产物， 它利用电磁波在空气中发送和接收数据，无需线缆介质。w l a n 的主要标准是i e e e s 0 2 1l 系列标准， 由美国电气和电子工程师协会( t h ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，i e e e ) 发布，适用 于有线用户与无线用户或无线用户之间的网络通信。w l a n 标准的发展经历了以下几个阶段： ( 1 ) i e e e 8 0 2 1 l 规范是在1 9 9 7 年8 月提出的，规定了3 种物理层介质：红外线、光波和l s m2 4 2 4 8 35g h z 频段的无线电波。其中后者采用了两种扩频技术d s s s 和f h s s 。但是由于这个标准只能 提供1 2m b s 的速率，远远低于当时有线以太网普遍提供的1 0m b s 的速率，所以没有引起足够的 重视。 ( 2 ) i e e e 8 0 2 1 l b 发布于1 9 9 9 年9 月，与i e e e 8 0 2 1 1 不同，它只采用2 4g h z 的i s m 频段的 无线电波，且采用加强版的d s s s ，可以根据环境的变化在1 1m b s ，5 5m b s ，2m b s 和lm b s 之 间动态切换，目前8 0 2 1 1 b 协议是当前最为广泛的w l a n 标准。 ( 3 ) i e e e 8 0 2 1 l a 使用5g h zu - - n i l 频段，总带宽达到3 0 0m h z ，远大于8 0 2 1 l b 所在的2 4g h z 的i s m 频段的8 5m h z ，且这个频段比较干净，干扰源比较少，这就使得8 0 2 1 l a 比8 0 2 1 l b 有先天 优势。他采用0 f d m 调制技术，速率可达5 4m b s 。但是由于他的制造成本比较高，且与目前市场 是早已广泛部署的8 0 2 。l l b 标准设备不兼容，所以虽然也推出了很久但是却一直无法挑战8 0 2 1 l b 的 主流地位。 ( 4 ) i e e e 8 0 2 1 l g 使用了与i e e e 8 0 2 1 1 b 相同的2 4g h z 的i s m 免特许频段。他采用了两种 调制方式：即i e e e 8 0 2 11 a 所采用的o f d m 和i e e e 8 0 2 1 l b 所采用的c c k 。通过采用这两种分别与 i e e e 8 0 2 1 1 a 和i e e e 8 0 2 1 l b 相同的调制方式，使i e e e 8 0 2 1 l g 不但达到了i e e e 8 0 2 1 l a 的5 4 m b s 的传输速率，同时也实现了与现在广泛存在的采用i e e e 8 0 2 1 1 b 标准设备的兼容。 目前，i e e e 8 0 2 11 9 已经被人多数无线网络产品制造商所选择，并成为主流的无线局域网标准， 被广泛的使用。 3 2 工业环境下的无线传播 无线通信的效果( 误码率) 归根结底决定丁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【1 2 】： ( 1 ) 对于高于3 0 m h z 的无线信号在同一传输介质里只能按视距( l i g h to f s i g h t ，l o s ) 传输。 ( 2 ) 当无线电波，从一个传输介质中碰到另外一个传输介质时，一部分电波能量反射同原米的 东南大学硕士学位论文 传输介质，一部分能量折射传播剑新介质中去，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 8 0 。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 电波能够传送剑障碍物阴影区的原因。衍射波的产生由