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基于工业无线局域网络和IPT技术的烟丝箱输送系统


第 31 卷 第 1 期 2013 年 2 月



西
JIANGXI


SCIENCE



Vol. 31 No. 1 Feb. 2013

文章编号:1001 - 3679 ( 2013 ) 01 - 0090 - 05

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基于工业无线局域网络 和 IPT 技术的烟丝箱输送系统
1 2 1 吴永茂 , 张长胜 , 段青娜

( 1. 红云红河集团, 云南

昆明 650202 ;2. 昆明理工大学信息工程与自动化学院, 云南

昆明 650000 )

摘要:工业无线局域网络( IWLAN) 给现代工业生产中信息的采集和处理带来了极大的便利, 感应式电能传输 技术( IPT) 改变了传统的接触式电源供电方式, 使移动用电设备以非接触式的电磁耦合方式获得更加安全 、 稳定的电源。介绍了主要基于以上 2 种技术的烟丝箱输送系统, 该系统在实际工业生产中运行效果良好, 极 大地提高了生产效率。 关键词:工业无线局域网络;感应式电能传输技术;烟丝箱输送系统 中图分类号:TP273 文献标识码:A

Tobacco Box Conveying System Based on IWLAN and IPT
WU Yongmao1 , ZHANG Changsheng2 , DUAN Qingna1
( 1. HongyunHonghe Tobacco Group, Yunnan Kunming 650202 PRC; 2. Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Yunnan Kunming 650000 PRC)

Abstract :Industrial wireless local area network ( IWLAN) has brought great convenience to modern industrial production in information collection and processing, Inductive power Transfer technology ( IPT) changed the traditional touch power supply mode, and made mobile power equipment using non-contact coupling electromagnetism approach to getting more secure, stable power supply. This paper mainly introduces the tobacco box conveying system based on the above two technologies, this system has been proved to be in good actual effect and greatly enhanced the production efficiency. Key words:IWLAN, IPT, Tobacco box conveying system 以大大提高生产效率, 实现生产的柔性化扩展。 根据制丝工艺流程, 各种品牌的成品烟丝都 要在储丝库中存储一定的时间, 然后运到喂丝机 站台供给卷包线用于卷烟生产。为了提高生产效 率, 某烟厂引进了一套基于无线工业以太网技术 和 IPT 技术的空中烟丝箱输送系统来衔接烟丝高 架库与卷包线的生产, 该系统即是 EMS 系统。

0

引言

随着大规模集约化生产在国内的广泛采用, 各类先进的自动控制输送系统不断出现, 自动轨 道运行小车输送系统 ( EMS ) 就是其中一种先进 实用的系统, 并已在实际使用过程中体现出了非 常明显的优势: 故障率低、 现场维护简单易行, 能 , 根据不同的需要实现不同的运行速度和动作 可

收稿日期:2012 - 11 - 24 ;修订日期:2013 - 01 - 04 作者简介:吴永茂( 1971 - ) , 男, 江西鄱阳人, 工程师, 研究方向:控制理论与控制工程。

第1 期

吴永茂等:基于工业无线局域网络和 IPT 技术的烟丝箱输送系统

1
1. 1

系统功能、 原理

系统功能 EMS 系统共配有 19 辆基于无线工业交换技 小车的主要任务是将高架 术和 IPT 技术的小车,

库的满载烟箱送至喂丝机站台, 再把喂丝机站台 的空载烟箱运回高架库。 EMS 系统采用工业无

线局域网技术架构电控系统, 它并不是独立存在, 它既要接受总的调度系统 WMS 控制, 又要与喂 丝机站台和储丝库系统进行信号的交互 。 1 . 2 系统原理

EMS 系统原理如图 1 所示, 上位计算机调度 EMS 接到调度任 系统 WMS 发调度信息给 EMS,

M

接入点

SCALANCE W788-1RR

PROFINET

ET 200S

? ? ? ? ? ? ? ? ?         ? ? ? ?    ! ? % ? ? & ? ? ? ? '  "  ! " # $  # ( ?        ) ? # ? ? " 0 1 2 0 1 2 3 $ 3 $ %  ? ? ? ?  ? ! #  ? ? %   & ' ? ( ) & ? ? ? '  ? ? ? 5 ? $     ? 5   6 7  !     ?        ? ? ? ? ? ? ? ? !  ? # 4
· 91· 通 务后主 PLC 与系统中 19 个小车上进行通讯, , 过对小车状态的实时检测后 把调度任务分配给 优先级最高的小车执行, 从而控制小车的运行。 300 , 主 PLC 采用的是 SIEMENS S7整个系统 2RR 无线路由, 每台 中有 3 台 SCALANCE W788小车上 装 有 ET200S 和 IWLAN 网 络 转 换 器 ( 图 2 ) 。主站 PLC 通过 SCALANCE X208 交换机与 3 台无线路由连接, 每台小车上配有的天线与当前 区域中发出最强信号的路由建立连接, 接受到的 任务信息经过网络转换器处理后通过 PROFINET 与从站 ET200S 连接, 然后驱动小车运行。 装载 有 EMS 系 统 的 控 制 台 触 摸 板 通 过 以 太 网 与 主 PLC 连接( 图 3 ) 。
Communication with EMS
上位计算机调度系统

WMS

EMS 系 统

3×ain O peration Panels
主控制面板

Main-PLC M ain-PLC SIEMENS S7-300

5×nductiv Power Supply 5 个感应供电回路

Inductive powerline

Pick up 取 电 装 置
供电给小车

Pick up 取 电 装 置

Switch control

Section control

供电给小车

道岔控制系统

小车控制器与系统 联络器

Inductive communication bus
电磁感应通信电路

M

Antenna 天 线

Antenna 天 线

Carrier Control
小车控制器

Carrier Control
小车控制器

SIEMENS ET200S

SIEMENS ET200S

Total:19 套 车

图1

EMS 系统原理

S7-300

客户端组件

工业以太网

5CALANCE W747-1RR 带 CPU 317 PN

的 S7-300

接入点

SCALANCE W788-2RR

接入点

SCALANCE W788-2RR IWLAN/ PB Link PMIO

ET 200S

客户端组件

ET 200S

SCALANCE W788-2RR

ET 200S 输 入 输 出 设 备
数据访问

图2

主站 PLC 与从站 PLC 之间的通信

图3

EMS 系统的工业无线局域网络

· 92·



西



2
2. 1

关键技术
工业无线局域网
[1 ]

2. 2

[3 ] 感应式电能传输技术 IPT ( Inductive Power Transfer) 是以非接触的方式通过电磁耦合产生能

工业无线局域网 ( IWLAN ) 是以空间电磁 是工业有线解决方案的有力 波的形式传输信息, 补充。在一个工业以太网中, 可用通过无线集成 PROFINET 设备和 PROFIBUS 设备, 无需额外费 用, 即可扩展现有以太网网络。 无线解决方案的 优点主要在于移动设备的简单而灵活的访问功 能。如果有工作站很难连接到一个有线网络架构 时, 无线通信将是最佳选择。 这种应用包括生产 和物流过程中的移动采集数据、 维修数据至移动 终端的传送或使用无线连接编程器调试复杂设 备。 本系统工业无线局域网络的组成分为 3 个部 2RR; 分:( 1 ) 无线接入点设备 SCALANCE W788(2) Rcoax 天馈线系统;(3) 客户端设备 SCALANCE W7471 。无线接入点设备 SCALANCE W7882RR 用来辐射一个无线信号区域用于移动的无线客户 端接入, 它就象一个无线的基站一样。 Rcoax 馈 线系统的主体是漏波电缆, 它遵循 2. 4 G 或 5 G 的衍射原理将特定的馈线等距离的开出一列漏波 孔, 射频信号通过漏波孔向外辐射, 这样可以很好 地规避障碍物的屏蔽, 将射频信号随着电缆敷设位 1 置向外延伸。无线客户端设备 SCALANCE W747用来安装在移动的小车上将移动的控制权接入到 无线接入点覆盖的无线网络中, 达到移动设备通 2RR 讯联网的目的。通过连接 SCALANCE W788[2 ] 网络接入点和以太网 , 即可建立于移动站之间 的无线连接。移动站可使用工业无线网卡或客户 2 ) 连接到使用电缆连接的移动站。 端模块( W747从而建立从办公网络直到自动化网络的语音和数 据集成无线网络。
Track Capacitors Pickup with regulator Track Supply
初级电源柜

量并传输给负载方的新技术。它利用现代电力电 整流技术和磁场耦合技术, 并借助于现 子中逆变、 代控制理论实现了静止电源系统向移动用电设备 以非接触的方式供电。

理。电网中的工频交流电作为感应式电能传输系 统的能量供应源, 工频电源经过整流和滤波后向

高频逆变电路输出平稳的直流电, 该电流经过逆

变后就在初级导轨线圈中产生频率较高的交流 电, 导轨周围也就会产生高频交变的磁场。 次级

的拾取机构通过磁感应耦合方式在磁场中拾取电 能产生感应交变电动势, 该电动势经过交—直—

交变换或交—直变换后提供给负载所需的电源, 从而完成了整个感应式电能传输的过程 。 本系统采用的是 Wampfler 的 IPT 技术。 如 50 Hz 图 5 所示为本系统的 IPT 结构图。380 V、

的交流 工 频 电 经 初 级 电 源 柜 转 换 成 频 率 为 20 kHz、 电流为 125 A 的感应电输送到环线导轨上, 安装在小车一侧的 Wampfler E 型取电器 ( 图 6 ) 把取得的能量输送给小车上的电源转换器 , 通过

整流将能量转化为 560VDC 和 24VDC 2 种电源, 560VDC 直流链路电压直接连接到变频器 , 经过 变频器转换成驱动小车电机所需要的 380 V 交流 24 V 直流电为控制电源提供 动力电提供给小车, 给小车的控制柜。
电网 整流 电路 高频 逆变
拾取电路 1
用电设备

供电轨道电容

取电器及整流器

Frequency Inverter
逆变器

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学 2013 年第 31 卷 IPT 技术( 感应式电能传输技术) 如图 4 所示为感应式电能传输技术工作原
导轨 线圈
拾取电路 2 拾取 功率 调节器 机构 拾取电路 3
用电设备 用电设备

感应耦合

图4

感应式电能传输技术工作原理

Track

供电轨道

Motor
马达

图5

IPT 结构图

第1 期

小车获得优先级去取 货站台的等待位

发 送 卸 载 成 功 信 息 给 WMS

删除输送存储区的命令

小车移至下一等待位等待

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吴永茂等:基于工业无线局域网络和 IPT 技术的烟丝箱输送系统 · 93·
120 EMS rail EMS 轨 道 160 Area free from ferromagnetic materials 铁 磁 性 材 料 禁 止 区 域 Clip on holder
安装卡子

Cable profile
电缆轮廓

Litz cable Litz 电 缆

图6

E 型取电器
WMS 发 送 指 令

EMS 接 收 指 令

正确

不正确

指令是否正确

存储输送命令于存储区

命 令 无 效 , 起 始 站 地 址 ID 错 误

输送命令存储区满

MES 身 WMS 发 送 确 认 指 令

发 送 故 障 代 码 到 WMS

发 送 故 障 代 码 到 WMS

起始地站台获得取货指令

WMS 等 待 一 定 时 间

WMS 再 次 确 认 数 据

没有

起始地向后查找输送系统 中的第一辆小车

WMS 再 次 发 送 上 次 命 令

WMS 再 次 发 送 上 次 命 令

空闲

确认小车状态

被占用

输送命令保持在命令存储区

到达等待位 确认优先级



从输送命令存储区拷贝命令 到 小 车 命 令 存 储 区 ,同 时 运行至目标站点

向 WMS 发 送 确 定 指 令 , 同 时 该起始站台对其它命令屏蔽 直至本次任务完成

到达目标站点并开始装载

小车是否装载成功 是



后面有小车通过或 等待一定的时间后



小车运行至卸载的目标位置

再循环

是否达到循环次数



小车是否装载成功



发 送 装 载 故 障 给 WMS

发 送 命 令 丢 失 的 信 息 给 WMS



后面有小车通过或 等待一定的时间后

WMS 确 认 并 发 送 带 有
小车号的输送命令

WMS 确 认 并 发 送 取 消 命 令

是否达到循环次数

复制输送命令到 小车输送存储区

删除输送存储区的命令





发 送 卸 载 故 障 代 码 给 WMS

小车再循环

该小车运行至下一等待位等待

WMS 确 认 并 修 改

输送存储区的命令

图7

EMS 系统流程图

· 94·



西





2013 年第 31 卷

3

系统实现

如图 7 所示为整个系统的工作流程。当需要 WMS 系统会发送接货 从高架库中出成品烟丝时, EMS 接收到指令后把指令信息存储 指令给 EMS, 在系 统 输 送 命 令 存 储 区, 同时发送确认指令给 WMS 表示已经接收到任务。 EMS 会从根据指令 中的接货站台向后确认第一辆小车的状态 , 如果 小车处于空闲状态, 则该小车获得优先级去取货 站台的等待位。 如果小车的等待位是空闲, 则输 送命令就从系统存储区复制到小车的命令存储区 开始执行接货任务。同时该站台和该小车将屏蔽 其他任何命令直至本条取货任务成功完成 。当小 车取货成功后则向 WMS 发送取货成功指令并向 若 目标位置运行。 到达喂丝机站台后开始卸货, 则发送卸载成功信息给 WMS, 同时删 卸货成功, 除输送存储区的命令, 小车然后驶离卸货站台到 下一个等待位等待系统调度。 如若卸货不成功, 例如到达卸货站台后后面有其他小车需要通过 , 或者等待一定的时间而不能卸货, 系统会自动判 断小车是否达到了最大循环次数 , 如果没有达到, 小车则循环一遍后到卸货站台重新卸货 。如果达 到了 最 大 循 环 次 数, 则会发送卸载故障代码给 WMS, 待 WMS 确认后并修改输送存储区的命令 信息。 本系统最关键的代码是系统对小车的控制, 如图 8 所示为小车上急停按钮供电模块的代码 。 图8 小车急停按钮供电代码

4

结束语

由于采用工业无线局域网技术, 本系统集成 简单、 系统的扩展性好, 完全匹配的通讯产品实现 了从现场到办公室, 从有线 PROFIBUS 和工业以 最重要的是 太网到工业无线局域网的平滑操作, 可以随时得到生产现场的实时信息。 IPT 技术的 使用也使得系统在获取电源时不必凭借机械或电 子接触就可以进行动力和数据传输 , 无摩擦、 无磨 并且具有更高的传输效率 ( > 90% ) 和更低热 耗, 量的产生。 参考文献:
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檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 ( 上接第 20 页)

参考文献:
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