岳海峰
(1.礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室, 山西 太原 030024; 2.太原重工股份有限公司技術(shù)中心,山西 太原 030024)
對于大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備,如礦用挖掘機相對固定部分與旋轉(zhuǎn)部分間的電氣信號連接大致有集電環(huán)形式與目前采用的無線傳輸方式兩種。集電環(huán)信號傳輸又有信號環(huán)和通信環(huán)兩種,前者一個環(huán)傳輸一個信號,受空間限制,傳輸數(shù)量不高,且碳刷與銅環(huán)接觸磨損故障率相對較高,后者可以通過通訊環(huán)傳輸通訊數(shù)字信號,容量較前者大很多,但由于傳輸信號電壓較低,傳輸頻率接近噪聲頻率,在挖掘機變頻驅(qū)動存在極大電磁噪聲干擾環(huán)境下,對集電環(huán)工藝要求很高,且無法避免接觸磨損。工業(yè)無線采用信號無接觸式傳輸,傳輸頻段在2.4 GHz以上,相對傳輸信號容量大,數(shù)字量、模擬量信號都可以傳輸,隨著設(shè)備智能化、信息化功能增多可以滿足越來越多的信號有效傳輸。挖掘機作業(yè)環(huán)境差,灰塵大,震動強烈,存在油污污染,設(shè)備旋轉(zhuǎn)角度不定,旋轉(zhuǎn)速度變化大,由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計無法滿足無線天線的始終可見性,在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)單一的點對點傳輸也存在些問題需要針對性解決。單一的多增加天線,天線的長度越大信號衰減量也大,增加天線可能無效,相反的情況在設(shè)備運轉(zhuǎn)中某一位置信號強度超過一定值產(chǎn)生的振聾效應(yīng)也會使信號傳輸失敗??刂菩盘栆髮崟r性強,信號傳輸百毫秒級中斷會造成設(shè)備的非正常損壞甚至安全問題。為了能夠更加可靠穩(wěn)定傳輸控制信號,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,采取新的設(shè)計策略。
挖掘機下部設(shè)置一個信號點Profinet IO站點,客戶端采用一個6DB全向天線,通過3 m天線連接線連接至客戶端接口。挖掘機上部平臺左側(cè)潤滑室Profinet IO站點設(shè)置一個AP接入點,通過5 m天線連接線接至平臺下表面6DB全向天線,挖掘機上部平臺右側(cè)PLC柜設(shè)置一個AP接入點,通過5 m天線連接至平臺下表面6DB全向天線。2個AP與下部客戶端呈布置,上部平臺全向天線朝下,下部全向天線朝上。天線安裝位置盡量避開遮擋,最大可能實現(xiàn)AP與客戶端的可視傳輸,另外天線具有極性區(qū)分,無線信號發(fā)射端與接收端盡量保持相同極化方向,未接天線的模塊一端需要增加50 Ω終端電阻,見圖1。
圖1 具備IPCF漫游功能的無線傳輸配置
新方案采用IPCF通訊協(xié)議的漫游方式,以解決挖掘機在旋轉(zhuǎn)作業(yè)中無線天線相對位置的變化下信號的穩(wěn)定可靠聯(lián)接。漫游是指客戶端在移動過程中從前一個相連的AP斷開,連接到另一個AP的過程。在這個切換過程中,數(shù)據(jù)是不能進行傳輸?shù)模月螘r間是越短越好。相對于DCF協(xié)議(分布式協(xié)調(diào)功能協(xié)議,DCF是基于CSMA/CA的隨機競爭接入方式),iPCF(點協(xié)調(diào)功能)協(xié)議中,訪問接入點(AP)控制著客戶端的通信,這樣就避免了沖突,并且數(shù)據(jù)傳輸間隔是確定性的。客戶端在兩個AP之間漫游的情況下,漫游時間低于50 ms。
項目實施現(xiàn)場應(yīng)用工業(yè)無線產(chǎn)品,首先要了解現(xiàn)有的無線環(huán)境。目前的工業(yè)無線開放了2.4 GHz和5 GHz兩個頻段資源來使用。2.4 GHz頻段一個信道占22 MHz,每個信道步進5 MHz,可用無干擾信道只有3個,現(xiàn)場如果有無線發(fā)射、WIFI路由、藍牙甚至微波爐信號可能會造成同頻信號疊加,導致信號丟失,是否必需使用2.4 GHz頻段根據(jù)項目現(xiàn)場確定。5 GHz頻段一個信道占20 MHz,每個信道步進5 MHz,可用無干擾信道多大9個,如需現(xiàn)場協(xié)調(diào)可與用戶協(xié)商使用。建議使用5 GHz頻段,頻段可選擇數(shù)更多,被其他WLAN設(shè)備干擾的概率更低,但信號穿透能力更弱。本項目施工現(xiàn)場應(yīng)用軟件Analyzer測試后得知現(xiàn)場有2.4 GHz信號信道,無5GHz信道使用,因此挖掘機應(yīng)用5 GHz頻段9個信道中2個信道,并做相關(guān)的備注。
圖2 挖掘機現(xiàn)場信號勘測與設(shè)備安裝
挖掘機2個AP和一個客戶端均采用柜體內(nèi)安裝,天線饋線2.4 GHz應(yīng)用時信號衰減度為0.55 dB/m,5GHz應(yīng)用時信號衰減度為0.88 dB/m,盡可能避免不必要的損耗,天線饋線夠用即可??刂葡到y(tǒng)中信號強度在-65~-40 dB最好,過高的信號強度會帶來過增益,極端情況下可能會造成芯片損傷。挖掘機首次應(yīng)用時初步布置天線位置,參數(shù)設(shè)置完成后應(yīng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備,根據(jù)所接收到的信號強度(分貝數(shù))檢查是否需要調(diào)整全向天線位置,使其滿足要求。
該項目包括2個型號W774-1RJ45的AP接入點,和1個型號為W734-1RJ45客戶端,先分別對AP和客戶端進行基本參數(shù)的設(shè)置,然后激活iPCF漫游功能。
首先通過以太網(wǎng)電纜連接已經(jīng)上電的AP,使用IP地址分配軟件通過筆記本網(wǎng)卡搜索,找到硬件默認IP地址為0.0.0.0,根據(jù)項目實施組態(tài)進行IP分配。本項目挖掘機采用的是S7-1500產(chǎn)品PLC,現(xiàn)場總線為Profinet通訊,IP分配為192.168.0.31。然后在IE瀏覽器中打開192.168.0.31,進入初始頁面,根據(jù)向?qū)гO(shè)置項目參數(shù)。由于本項目有2個AP接入點,設(shè)置第一個AP名稱“System Name”為AP1,產(chǎn)品使用國家選項“Country Code”根據(jù)需要選擇,涉及到相應(yīng)國家對工業(yè)無線信道的使用情況。設(shè)置天線“antennas”選項,選擇同類型天線增益最大的型號,“Cable Length[m]”設(shè)置為10,以獲得額外的發(fā)射功率增益(實際的發(fā)射功率會超過20 dB,每增加3 dB功率增加一倍)。如果有需要,還可以通過人為設(shè)置額外衰減“Additional Attenuation[dB]”來進一步加大發(fā)射功率,例如設(shè)置為3 dB。若所設(shè)置的天線與要求的功率不符,有警告提示可酌情修改發(fā)射功率,直到合理為止。設(shè)置完天線后進入“Basic”頁面,啟用5 GHz時使用802.11.a模式,啟用2.4GHz時使用802.11.g模式。本項目使用5 GHz,每一個AP設(shè)置一個信道,結(jié)合之前對無線環(huán)境的勘測,設(shè)置AP1使用36信道。最后在“security”中根據(jù)需要設(shè)置AP的連接密碼【1】。AP2的設(shè)置只需重復上述步驟,將AP2的 IP地址分配為 192.168.0.32,在“System Name”名稱改為AP2,設(shè)置AP2使用40信道,其他設(shè)置均相同。
客戶端Client的設(shè)置同樣首先分配IP地址,本項目設(shè)置為192.168.0.33,進入天線設(shè)置頁面,名稱更改方法、國家選擇以及客戶端天線頁面設(shè)置方法與AP一致?!癝ystemName”設(shè)置為Client,如客戶端只有一個天線,第二個天線接口選擇50Ω的電阻?!癆llowed Channels”勾選 AP的 36、40信道,指定信道連接可以節(jié)省自動搜索時間,有助與漫游交接時間縮短?!癛oaming Threshold”(漫游閾值),選項 high為信號強度相差大時切換到強度高的AP,medium為中度,low為輕微的強度差就會切換到高強度的ap,本項目設(shè)置為medium。
設(shè)置完成后,將 AP1、AP2、Client的“ifeatures”選項中的IPCF激活【2】,然后進行傳輸信號測試。
初步布置天線位置以及天線饋線的長度后,需要通過應(yīng)用效果驗證是否能夠達到無線信號傳輸?shù)妮^理想狀態(tài),總能夠保持在-40~-65 dB。連接客戶端 Client,打開 Interfaces>WLAN 的“Signal Recorder”頁面,設(shè)置采樣時間間隔100 ms,樣本數(shù)據(jù)10000點【3】。首先測試在只有一個AP1接入點的情況下信號在挖掘機360°的旋轉(zhuǎn)中最低功率-75 dB,且丟包率高,出現(xiàn)通信中斷現(xiàn)象,這與客戶端采取了一定的防護遮擋有關(guān)。啟動2個AP接入點,支持iPCF漫游功能后,靜態(tài)下的信號傳輸見下頁圖3,旋轉(zhuǎn)挖掘機信號測試見下頁圖4。
靜態(tài)為挖掘機如圖2所示位置下,AP1與Client之間進行數(shù)據(jù)交換,AP1發(fā)出信號強度-55 dB,Client接收信號強度-50 dB,信號穩(wěn)定無丟包。720°旋轉(zhuǎn)信號測試,圖4中橫軸960 s后客戶端更改了接入點(漫游),通過黑色豎線進行顯示。切換閾值為-65 dB,切換后幅值為-50 dB。整個一周客戶端Client接收信號強度不超過-40 dB,最小值-65 dB,在不同位置下AP1、AP2間實現(xiàn)切換漫游。達到了使用的理想指標范圍,實現(xiàn)了信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
圖3 靜態(tài)下信號測試
圖4 旋轉(zhuǎn)動態(tài)信號測試
本項目首次在大型礦用挖掘機上應(yīng)用工業(yè)無線IPCF漫游通訊技術(shù),實現(xiàn)上部旋轉(zhuǎn)部分與下部相對固定部分間電氣元件控制信號的可靠傳輸,在工業(yè)環(huán)境灰塵大、油污大、天線在作業(yè)范圍內(nèi)存在不可見盲區(qū)條件下,通過合理的前期環(huán)境判別、天線以及饋線的有效布置、可見的信號強度評估能夠?qū)⒖刂菩盘柕穆?lián)接強度保持在-40~-65dB,實現(xiàn)客戶端在兩個接入點間的漫游通信,解決了以往工業(yè)無線一對一發(fā)射與接收在挖掘機作業(yè)回轉(zhuǎn)移動中信號傳輸中斷的問題。相對于傳統(tǒng)的集電環(huán)方式,在信號傳輸數(shù)量與傳輸物理通路的抗干擾性上具有很大的優(yōu)勢。