工業(yè)無線技術(shù)IPCF協(xié)議漫游通訊在挖掘機上的應(yīng)用

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）

1 常規(guī)點對點無線傳輸在設(shè)備應(yīng)用中存在的問題

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。

2 新的挖掘機無線傳輸方案規(guī)劃以及硬件配置

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。

3 項目實施現(xiàn)場信號勘測與設(shè)備安裝（見下頁圖2）

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。

4 項目軟件參數(shù)配置

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。

5 項目無線應(yīng)用的實施效果驗證及注意事項

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

6 結(jié)論

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。