WK-35 上下車通信系統(tǒng)方案改進(jìn)

黃俊亮

（江西銅業(yè)集團(tuán)德興銅礦，江西 上饒 334224）

高端裝備制造是我國(guó)工業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展的戰(zhàn)略方向，在傳統(tǒng)制造業(yè)的基礎(chǔ)上，未來(lái)將越來(lái)越多地把人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、智能裝備等前瞻技術(shù)與現(xiàn)有工業(yè)產(chǎn)品深度融合，形成了全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，將極大地提高工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的效率和環(huán)保水平。為了響應(yīng)上述國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展需求，需要在各行各業(yè)不斷進(jìn)行積極的探索和實(shí)驗(yàn)，這必將是一個(gè)長(zhǎng)期而久遠(yuǎn)的過(guò)程。

電鏟作為大型露天礦山的主要開(kāi)采設(shè)備，在整個(gè)開(kāi)采環(huán)節(jié)中占據(jù)著非常重要的位置。電鏟按整機(jī)結(jié)構(gòu)，可以分為上車和下車兩大部分。回轉(zhuǎn)平臺(tái)以上稱為上車部分，以下稱為下車部分。電鏟回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，回轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)上車部分圍繞著中央數(shù)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)的角度和圈數(shù)不受限制。電鏟的工作電源從下車高壓電纜箱引入上車，下車的全部控制信號(hào)需要傳輸至上車CPU 集中處理，如此一來(lái)，電鏟結(jié)構(gòu)的特殊性導(dǎo)致上下車的動(dòng)力電源和信號(hào)傳輸成為一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。如何解決好該問(wèn)題直接影響整機(jī)的工作效率和可靠性。

1 傳統(tǒng)的解決方案

對(duì)于旋轉(zhuǎn)設(shè)備的電氣連接，滑環(huán)是最常見(jiàn)的解決方案，根據(jù)不同的電壓等級(jí)和載流量，廠家會(huì)根據(jù)用戶需求進(jìn)行配套?；h(huán)一般安裝于設(shè)備旋轉(zhuǎn)的中心軸線上。電鏟按結(jié)構(gòu)分為上車和下車兩大部分，工作時(shí)，下車處于靜止?fàn)顟B(tài)，上車根據(jù)工況在任意角度內(nèi)回轉(zhuǎn)工作，旋轉(zhuǎn)軸線為中央樞軸。電鏟受內(nèi)部空間制約，將高壓供電和低壓供電集成在一個(gè)殼體內(nèi)，內(nèi)部隔離位高壓室和低壓室兩部分。該方案不僅有效隔離了不同的電壓等級(jí)，保障人身安全，同時(shí)，將整體尺寸優(yōu)化為最理想的狀態(tài)。該方案的一個(gè)明顯的制約條件在于，每個(gè)需要獨(dú)立傳輸?shù)膭?dòng)力源或信號(hào)都需要一組獨(dú)立的滑環(huán)與之配套（一組滑環(huán)包含與之連接的碳刷等組件）。例如，常見(jiàn)的風(fēng)機(jī)380VAC 動(dòng)力電源，低壓室內(nèi)需配套3 組滿足絕緣間距的滑環(huán)，或者數(shù)字量信號(hào)，每個(gè)信號(hào)也需要對(duì)應(yīng)一組獨(dú)立的滑環(huán)。隨著電鏟持續(xù)升級(jí)改進(jìn)，設(shè)備上需要監(jiān)控的部位逐漸增加，從下車傳輸至上車的控制信號(hào)也在相應(yīng)地增加。包括一些溫度探測(cè)，單個(gè)PT100 至少需要2 組獨(dú)立的滑環(huán)，單臺(tái)電機(jī)三個(gè)繞組加傳動(dòng)軸等關(guān)鍵部位，增加滑環(huán)數(shù)量顯然滿足不了新的需求。為此，將控制信號(hào)通過(guò)無(wú)線的方式在上下車之間傳輸，成為解決該矛盾的最佳方案。

2 菲尼克斯解決方案

為了替代傳統(tǒng)的滑環(huán)結(jié)構(gòu)，電鏟的上下車系統(tǒng)改造為菲尼克斯的無(wú)線傳輸方案。該方案中，上下車需要交互的控制信號(hào)，首先以硬線的方式連接至菲尼克斯的數(shù)字量或模擬量接口模塊，這些接口模塊統(tǒng)一安裝在上車或下車的機(jī)架上，每組機(jī)架配置一個(gè)專用的菲尼克斯CPU 模塊，用于控制信號(hào)采集打包。采集打包完的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)線發(fā)送至菲尼克斯iWLAN 模塊，上車和下車各安裝1 個(gè)iWLAN 模塊，該模塊用于無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。為保證在設(shè)備回轉(zhuǎn)過(guò)程中天線的可視性和傳輸可靠性，上車的iWLAN 模塊配置了2 個(gè)方向向下的半球形天線，下車安裝1 個(gè)方向向上的半球形天線。

上下車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示，示例方案中，上車有8 個(gè)數(shù)字量輸出模塊，6 個(gè)數(shù)字量輸入模塊。對(duì)應(yīng)的，下車有8個(gè)數(shù)字量輸入模塊，6 個(gè)數(shù)字量輸出模塊。

圖1 上車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 下車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

上述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在菲尼克斯的專用軟件Project+2.4 中靈活組態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，靈活配置所需的控制信號(hào)接口數(shù)量和類型。不過(guò)，需要注意的是，上車和下車存在硬件對(duì)應(yīng)關(guān)系，即上車的DI 數(shù)量和位置一定對(duì)應(yīng)下車的DO 數(shù)量和位置，反之亦然，否則，在系統(tǒng)自動(dòng)組態(tài)識(shí)別過(guò)程中會(huì)報(bào)錯(cuò)。為了應(yīng)對(duì)礦山的震動(dòng)和粉塵引起的接觸不良，輸出模塊內(nèi)部的觸點(diǎn)采用鍍金工藝，降低了接觸電阻和可能的拉弧。模塊之間采取卡扣連接，每個(gè)模塊同時(shí)和左右相鄰的模塊通過(guò)卡扣固定，整個(gè)機(jī)架的首位安裝固定卡子，防止長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行引起的松動(dòng)。當(dāng)需要更改配線時(shí)，無(wú)須斷電，只用將前連接器從模塊上熱插拔即可，使用起來(lái)非常方便。

該方案摒棄了傳統(tǒng)的滑環(huán)方式，信號(hào)擴(kuò)展非常方便，尤其針對(duì)下車的PT100 測(cè)溫信號(hào)，可以不受約束地大量使用3線制傳感器，保證測(cè)量精度，對(duì)重要的機(jī)械結(jié)構(gòu)提供強(qiáng)有力的預(yù)防性保護(hù)。

隨著使用時(shí)間的推移，現(xiàn)場(chǎng)逐漸發(fā)現(xiàn)了一些該方案的缺陷。比如，電鏟震動(dòng)很大，模塊之間容易松動(dòng)，造成菲尼克斯CPU 無(wú)法識(shí)別松動(dòng)點(diǎn)之后的硬件信息，從而報(bào)故障停機(jī)；在某些現(xiàn)場(chǎng)，天線的信號(hào)質(zhì)量非常不穩(wěn)定，在電鏟回轉(zhuǎn)過(guò)程中，容易發(fā)生信號(hào)中斷的情況等。上述故障實(shí)際處理起來(lái)非常棘手，如接觸不良，一排機(jī)架有十幾個(gè)接口模塊，很難判斷出故障的瞬間到底是哪個(gè)連接點(diǎn)的問(wèn)題。再如，天線信號(hào)質(zhì)量差，也是隨機(jī)出現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)更換硬件也未必奏效。因此，在無(wú)線傳輸?shù)幕A(chǔ)上，需要尋找一種更可靠的替代方案。

3 優(yōu)化改進(jìn)的西門(mén)子解決方案

西門(mén)子SCALANCE W 是新一代無(wú)線傳輸解決方案，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)提供了高效、靈活的自動(dòng)化解決方案。無(wú)論是工業(yè)遠(yuǎn)程通訊，或是工業(yè)級(jí)的局域網(wǎng)應(yīng)用，該系列通訊產(chǎn)品均能提供可靠安全的連接方式。該設(shè)備具備如下特點(diǎn)：（1)傳輸速率高，使用IEEE802.11n 協(xié)議，理論帶寬450Mbit/s；（2）突破了以往天線1 對(duì)1 的傳輸方式，應(yīng)用MIMO（多入多出）技術(shù)建立可靠的無(wú)線連接，實(shí)現(xiàn)3 路數(shù)據(jù)流同時(shí)發(fā)送和接收；（3）產(chǎn)品系列廣，包含適用于嚴(yán)苛工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的極端環(huán)境系列，常規(guī)戶外環(huán)境的戶外系列，以及普通的機(jī)柜內(nèi)安裝系列；（4）設(shè)備外殼堅(jiān)固耐用，防塵防水（IP65），抗撞擊抗震動(dòng)，抗電磁干擾，高溫高濕環(huán)境可選裝PCB 涂層進(jìn)行特殊防護(hù)；（5）滿足具有實(shí)時(shí)和冗余的復(fù)雜應(yīng)用，例如，PROFIsafe 應(yīng)用場(chǎng)合；（6）支持IEEE802.11 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，同時(shí)可通過(guò)擴(kuò)展功能卡進(jìn)行更加可靠的協(xié)議升級(jí)，例如，周期性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（iPCF）、快速漫游協(xié)（iPCF-MC）；（7）支持向?qū)Ш驮诰€配置，通過(guò)SNMP 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器協(xié)議進(jìn)行管理；（8）可使用基于WEB 的配置管理工具進(jìn)行功能設(shè)置，也可使用西門(mén)子TIA 或Step7 軟件進(jìn)行部分功能組態(tài)，通過(guò)SINEMA SERVER 進(jìn)行周期性診斷，并生成相應(yīng)的報(bào)告；

除具備上述產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)外，由于整套設(shè)備的PLC 控制器和變頻裝置均采用西門(mén)子產(chǎn)品，SCALANCE W 系列可以更好地和現(xiàn)有的電氣元件進(jìn)行融合與數(shù)據(jù)交互，無(wú)線模塊和CPU 通過(guò)Profinet 協(xié)議直接傳輸數(shù)據(jù)，相比菲尼克斯無(wú)線方案，該方案節(jié)省了上下車專用的菲尼克斯接口模塊，完美解決了長(zhǎng)時(shí)使用中的抗震性問(wèn)題。該方案的系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D3 所示。

圖3 西門(mén)子無(wú)線傳輸拓?fù)?/p>

方案中，位于上車的兩個(gè)信號(hào)接入點(diǎn)稱為AP，即access point；下車信號(hào)發(fā)出點(diǎn)稱之為客戶端，即client point。AP 和客戶端各配套1 個(gè)半球形天線，天線和AP 或客戶端之間用饋線連接?？紤]饋線對(duì)信號(hào)強(qiáng)度造成的衰減（理論上，饋線長(zhǎng)度每增加1 米，信號(hào)衰減10%），天線選擇就近安裝在合理的位置以縮短饋線長(zhǎng)度。在電鏟回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，客戶端與上車AP1 和AP2 之間的距離隨時(shí)在改變，在某個(gè)特定時(shí)刻，客戶端和哪個(gè)AP 相連的策略顯得尤為重要。西門(mén)子提供的Key-plug 功能拓展卡完美的解決了這一問(wèn)題：客戶端實(shí)時(shí)掃描AP1 和AP2 的信號(hào)強(qiáng)度，如果當(dāng)前連接的AP 信號(hào)強(qiáng)度差值大于系統(tǒng)預(yù)設(shè)值，則自動(dòng)切換至另一AP，利用西門(mén)子專有技術(shù)，切換中信號(hào)始終保持在線狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了切換的無(wú)縫對(duì)接。

實(shí)際應(yīng)用中，SCALANCE W 模塊可以被認(rèn)為是透明的，原來(lái)布置在PLC 柜內(nèi)的一組ET200 機(jī)架可以直接安裝在下車控制箱中，連接該機(jī)架和CPU 之間的Profinet 通訊電纜被SCALANCE W 模塊的透明Profinet 無(wú)線傳輸所取代，控制結(jié)構(gòu)顯得更加簡(jiǎn)潔明了。硬件配置上，節(jié)省了之前菲尼克斯方案的中間轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，柜內(nèi)配線和現(xiàn)場(chǎng)連接電纜更少，減少了很多可能的故障點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期使用情況的觀察，無(wú)論是硬件配置還是通訊協(xié)議的一致性方面，西門(mén)子無(wú)線傳輸方案非常適合電鏟的特殊工況。抗粉塵、抗震動(dòng)效果優(yōu)異，故障率低，故障排查難度低。運(yùn)行可靠穩(wěn)定，是目前最理想的一種上下車傳輸技術(shù)。