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Development of a completely decentralized control system for modular continuous conveyors [Elektronische Ressource] / Stephan H. Mayer. Betreuer: K. Furmans

145 pages
Development of a completelydecentralized control system formodular continuous conveyorsZur Erlangung des akademischen Grades einesDoktors der Ingenieurwissenschaftenvon der Fakult¨at fur¨ Maschinenbauder Universit¨at Karlsruhe (TH)genehmigteDissertationvonDipl.-Ing. Stephan H. Mayeraus SchrambergTag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 1. April 2009Hauptreferent: Prof. Dr.-Ing. Kai FurmansKorreferent: Prof. Kevin R. Gue Ph.D.Erkl¨arungHiermiterkl¨areich,dassichdievorliegendeArbeitselbst¨andigangefertigtundkeine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt sowie diew¨ortlich und inhaltlich ub¨ ernommenen Stellen als solche kenntlich gemachtund die Satzung der Universitat¨ Karlsruhe (TH) zur Sicherung guter wis-senschaftlicher Praxis in der jeweils gultig¨ en Fassung beachtet habe.Hiermit erkl¨are ich, dass fur¨ mich Promotionsverfahren außerhalb derFakult¨at fur¨ Maschinenbau der Universit¨at Karlsruhe weder anh¨angig sindnoch erfolglos abgeschlossen wurden.Karlsruhe, Monat Jahr Stephan MayeriiiivPrefaceDievorliegendeArbeitentstandw¨ahrendmeinerT¨atigkeitalswissenschaftlicherMitarbeiter am Institut fur¨ F¨ordertechnik und Logistiksysteme der Univer-sit¨at Karlsruhe (TH).Herrn Prof. Dr.-Ing. Kai Furmans danke ich fur¨ die wertvollen Ratschl¨age,¨sowie die Ubernahme des Hauptreferats.
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Development of a completely
decentralized control system for
modular continuous conveyors
Zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
von der Fakult¨at fur¨ Maschinenbau
der Universit¨at Karlsruhe (TH)
genehmigte
Dissertation
von
Dipl.-Ing. Stephan H. Mayer
aus Schramberg
Tag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 1. April 2009
Hauptreferent: Prof. Dr.-Ing. Kai Furmans
Korreferent: Prof. Kevin R. Gue Ph.D.Erkl¨arung
Hiermiterkl¨areich,dassichdievorliegendeArbeitselbst¨andigangefertigtund
keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt sowie die
w¨ortlich und inhaltlich ub¨ ernommenen Stellen als solche kenntlich gemacht
und die Satzung der Universitat¨ Karlsruhe (TH) zur Sicherung guter wis-
senschaftlicher Praxis in der jeweils gultig¨ en Fassung beachtet habe.
Hiermit erkl¨are ich, dass fur¨ mich Promotionsverfahren außerhalb der
Fakult¨at fur¨ Maschinenbau der Universit¨at Karlsruhe weder anh¨angig sind
noch erfolglos abgeschlossen wurden.
Karlsruhe, Monat Jahr Stephan Mayer
iiiivPreface
DievorliegendeArbeitentstandw¨ahrendmeinerT¨atigkeitalswissenschaftlicher
Mitarbeiter am Institut fur¨ F¨ordertechnik und Logistiksysteme der Univer-
sit¨at Karlsruhe (TH).
Herrn Prof. Dr.-Ing. Kai Furmans danke ich fur¨ die wertvollen Ratschl¨age,
¨sowie die Ubernahme des Hauptreferats. Vor allem bei der feinen Unterschei-
dung zwischen wissenschaftlichem Arbeiten und reiner Entwicklungst¨atigkeit
half er mir stets, den richtigen Weg zu finden.
IwouldliketothankProf. KevinGue,DepartmentofIndustrialandSystems
Engineering, Auburn University for his interest in my work and the honour
to have him as second reviewer.
Der Bundesvereinigung Logistik (BVL) und der Arbeitsgemeinschaft indus-
trieller Forschungsvereinigung (AIF) m¨ochte ich fur¨ die finanzielle F¨orderung
des Forschungsvorhabens danken.
Danken m¨ochte ich auch meinen Kollegen, den Mitarbeitern der Insti-
tutswerkstatt sowie Hilfsassistenten und Studenten, die zum Gelingen der
Arbeit beigetragen haben.
Auch m¨ochte ich das Bundesverkehrsministerium nicht unerw¨ahnt lassen,
welches mir durch den Ausbau der A8 w¨ahrend meiner Promotionszeit viele
inhaltsfreie, ungest¨orte Stunden im Stau schenkte, w¨ahrend dessen ich einen
Großteil der Ideen zum Gelingen dieser Arbeit reifen lassen konnte.
Mein ganz pers¨onlicher Dank gilt meiner Ehefrau Cindy Mayer fur¨ Ihre
Unterstut¨ zung und die Geduld an einigen Wochenenden, an denen ich in
Gedanken mehr bei der Wissenschaft als anderswo war. Mein Dank gilt auch
meinen Eltern, die mir durch ihre Erziehung und die mir erm¨oglichte Ausbil-
dung die Grundlagen mitgegeben haben.
Karlsruhe, Monat Jahr Stephan Mayer
vviKurzfassung
Stephan Mayer
Entwicklung einer vollst¨andig dezentralen
Steuerung fur¨ modulare Stetigf¨orderer mit
ver¨anderbaren Topologien
Um die Flexibilit¨at und den Einsatzbereich von Stetigf¨orderanlagen zu
erh¨ohen,wirdindervorliegendenArbeiteinevollst¨andigdezentraleSteuerung
fur¨ ein modulares Stetigf¨ordersystem vorgestellt, welches F¨ordereinheiten
wie beispielsweise Kleinladungstr¨ager ohne jegliche zentrale Infrastruktur
bef¨ordern kann. Basierend auf existierenden Methoden zum dezentralen Da-
tentransport in IT-Netzwerken agieren die einzelnen Module autonom und
koppeln sich nach der Positionierung zur ben¨otigten Topologie selbst¨andig
zum funktionierenden F¨ordersystem zusammen.
¨Figure 0.1: Ubertragung der Methoden aus IT-Netzwerken fur¨ ein dezen-
trales, modulares Stetigf¨ordersystem
Parallel zur Entwicklung der dezentralen Steuerung wurden baugleiche,
quadratische Module entwickelt, welche als kompakte Einheit s¨amtliche
Funktionen besitzen, um als Verzweigung, Zusammenfuhrung¨ oder einfache
F¨orderstrecke zu fungieren. Dafur¨ wird jedes Modul mit einem RFID-
Identifikationssystem, Sensoren fur¨ die Positionserkennung der F¨ordere-
viiKurzfassung
inheiten, einem F¨orderantrieb zum Transport in vier horizontale Bewe-
gungsrichtungen und einer Recheneinheit, welche den Steuerungsalgorithmus
ausfuhrt,¨ ausgestattet.
FolgendeFunktionenk¨onnendieModulemitHilfedesneuartigenSteuerungsal-
gorithmus ausfuhren:¨
• Selbst¨andigeErzeugungderTopologielandkarteinFormvonRoutingta-
bellen
• Erkennung einer ankommenden F¨ordereinheit und Identifikation der
Zieladresse
• Planung der Route bis zum Ziel unter Beruc¨ ksichtigung der bereits im
System befindlichen F¨ordereinheiten
• Absicherung gegen Kollisionen und Deadlocks und Transport der
F¨ordereinheit zum n¨achsten Modul
• Selbst¨andige Regulierung derEinlastungvonF¨ordereinheiten, fur¨ einen
h¨ochst m¨oglichen Durchsatz
DerentwickelteSteuerungsalgorithmuswurdeineinerSimulationfur¨ repr¨asen-
tative Topologien auf seine Durchsatzleistung untersucht. Weiterhin wurde
ein Nachweis erbracht, dass unter bestimmten Bedingungen trotz Nutzung
der F¨orderstrecken in mehrere Richtungen, niemals eine Situation entstehen
kann, indersichF¨ordereinheitengegenseitigblockierenundeszumStillstand
des Materialflusses in Form eines Deadlocks kommt.
viiiAbstract
Stephan Mayer
Development of a completely decentralized
control system for modular continuous conveyors
To increase the flexibility and range of application of continuous conveyor
systems, a completely decentralized control system for a modular conveyor
system is introduced in the following dissertation. This system is able to
carry conveyor units (for example, small load bearers) without any central-
ized infrastructure. Based on existing methods of decentralized data transfer
in IT networks, single modules operate autonomously and, after being posi-
tioned into the required topology, independently connect together to become
a functioning conveyor system.
Parallel to the development of the decentralized control system, identical
square modules were developed, which in a compact unit contain all of the
features necessary to function as a switch, junction or linear conveyor sec-
tion. To fulfill this task, every module is equipped with an RFID (radio
frequency identification) identification system, sensors for the position detec-
tion of conveyor units, a multi-directional drive to transport conveyor units
in four horizontal directions, and a microcontroller-based control unit that
Figure 0.2: DecentralizedmethodsofITnetworksasbasisforadecentralized,
modular conveyor system
ixAbstract
executes the control algorithm.
The following functions can be performed by these modules with the help of
the innovative control algorithm:
• Independent generation of the topological map in the form of routing
tables
• Recognition of an incoming conveyor unit and identification of the des-
tination address
• Planning of the route to the destination taking into consideration con-
veyor units already located in the system
• Protection against collisions and deadlocks, and transportation of the
conveyor unit to the next module
• Autonomous regulation of the injection rate to ensure the highest pos-
sible throughput
The throughput performance of the control algorithm developed here was an-
alyzed by simulating representative topologies. Furthermore, it was proven
that under certain conditions, despite the conveyor routes being used in mul-
tiple directions, a situation can never arise where conveyor units block each
other and the flow of material comes to a halt in the form of a deadlock.
x