無線通信技術(shù)在火車翻車機(jī)上的開發(fā)應(yīng)用

韋國鵬

（陜鋼集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任公司，陜西漢中 724200）

前言

火車翻車機(jī)是指一種用來翻卸鐵路敞車散料的重型機(jī)械設(shè)備，可將火車散裝物料車皮通過翻轉(zhuǎn)傾斜從而達(dá)到自動卸料的裝卸機(jī)械，適用于散裝物料火車運(yùn)輸?shù)囊苯?、煤炭、熱電工業(yè)部門以及火車中轉(zhuǎn)的港口碼頭?；疖嚪嚈C(jī)系統(tǒng)主要包含重調(diào)流程、翻車流程、遷車流程、空調(diào)流程，這幾大流程按順序依次逐步完成，實(shí)現(xiàn)物料的自動卸車。為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位及各流程自動控制，在翻車機(jī)本體、重調(diào)、遷車臺、空調(diào)等部位安裝有大量狀態(tài)傳感器及動作控制閥，控制線路通過滑線方式，沿設(shè)備運(yùn)行軌道隨設(shè)備運(yùn)行折疊運(yùn)動。

1 改造前存在問題

火車翻車機(jī)的重調(diào)、翻車本體、遷車臺、空調(diào)系統(tǒng)都是移動設(shè)備，并且為了實(shí)現(xiàn)控制自動化，每臺設(shè)備上都裝有大量的位置、壓力傳感器，大量的控制電纜與動力電纜都采用拖纜小車，沿設(shè)備運(yùn)行軌道隨設(shè)備運(yùn)行折疊運(yùn)動。

經(jīng)過長期的現(xiàn)場觀察，對多起事故分析，總結(jié)存在以下問題。

（1）控制電纜與動力電纜排放在一起，由于電纜線徑不同，電纜彎折大小不同，導(dǎo)致滑動過程中受力不同，經(jīng)常會出現(xiàn)電纜纏繞。

（2）由于翻車機(jī)運(yùn)行路徑是露天環(huán)境，拖纜小車在使用過程中滑動輪易腐蝕，導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活出現(xiàn)卡阻，從而拉斷鋼絲繩，使控制電纜受力過大，出現(xiàn)斷股情況。

（3）每個(gè)拖纜小車在運(yùn)行過程中夾電纜處，都會多次碰撞摩擦，長期往復(fù)移動工作導(dǎo)致控制電纜保護(hù)層受損，造成斷芯或短路。

（4）隨著長時(shí)間的電纜彎曲打折，電纜絕緣劣化較快，導(dǎo)致系統(tǒng)信號不穩(wěn)定，同時(shí)故障排查難度大，很難在很短的時(shí)間內(nèi)檢查到問題，同時(shí)發(fā)現(xiàn)故障需要有備用線路才可以快速恢復(fù)。

2 確定改造方案

火車翻車機(jī)拖纜控制線路故障，在所有設(shè)備故障中占比較大，且存在故障很難排查問題。從改變原有方式，提高穩(wěn)定性著手，確定使用無線通信方式完成翻車機(jī)的信號控制。該方案選擇先進(jìn)的2.4GHz 跳頻擴(kuò)頻通信技術(shù)，利用無線傳輸代替電纜，無需再敷設(shè)電纜，同時(shí)2.4GHz 屬于全球免費(fèi)頻段，無需申請備案；無線通信智能頻譜技術(shù)，能有效避開同頻干擾影響，可以做到2 套相互獨(dú)立系統(tǒng)安裝在同一地點(diǎn)，相互之間不干擾工作。采用全雙工通信模式，不存在收/發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間，這對翻車機(jī)編碼器數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)通信十分有利。

3 無線通信方案

無線通信技術(shù)可避免火車翻車機(jī)需要敷設(shè)大量控制電纜問題，有效提升設(shè)備穩(wěn)定性?；疖嚪嚈C(jī)翻運(yùn)過程中環(huán)境復(fù)雜，這對無線信號通信提出了更高的要求，通過大量現(xiàn)場調(diào)研、現(xiàn)場試用，在無線通信模塊方面最終選定2.4 GHz 無線通信芯片，該芯片定位于工業(yè)級無線通信模塊?？梢杂糜诟鞣N品牌的PLC/RTU 以及數(shù)據(jù)終端設(shè)備相互之間的無線電通信。支持FHSS 跳頻擴(kuò)頻通信技術(shù)、CRC 數(shù)據(jù)校驗(yàn)技術(shù)、WAP2 數(shù)據(jù)加密技術(shù)，溫度補(bǔ)償技術(shù)、超高防護(hù)外殼工藝等［1］，使產(chǎn)品可以在工業(yè)環(huán)境中長期穩(wěn)定運(yùn)行，并且在國內(nèi)占有一定的市場份額。同時(shí)使用在火車翻車機(jī)控制系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）全雙工的工作模式。不存在收/發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間，這對翻車機(jī)編碼器數(shù)據(jù)傳輸之間實(shí)時(shí)通信十分有利。

（2）擁有智能頻譜技術(shù)。能夠自動地避開同頻干擾的影響。

（3）強(qiáng)大的通信糾錯及抗干擾能力。在大型機(jī)械設(shè)備和工業(yè)建筑密集分布的工業(yè)現(xiàn)場，充分利用二次輻射源（反射信號）維持正常的數(shù)據(jù)通信，既不誤碼，更不會傳遞錯誤的信息，可達(dá)到火車翻車機(jī)高精度控制性。

（4）無線通信模塊選用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口，支持802.11a/b/g/n 無線以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，在802.11n 模式下能夠支持300 M 以上傳輸帶寬。設(shè)備的交換引擎及介質(zhì)模塊的MTBF 均需滿足Station，StationWDS，Access Point，Access PointWDS 等多種無線模式要求，提供不同的端口數(shù)量和光電組合，能夠?yàn)橐蕴W(wǎng)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)提供經(jīng)濟(jì)的解決方案。

4 翻車機(jī)無線控制改造方案

改造翻車機(jī)信號無線傳輸控制，包括重調(diào)、空調(diào)、遷車臺、翻車機(jī)本體的車載信號通過無線接收發(fā)送裝置及對應(yīng)的地面接收發(fā)送裝置和主站交換機(jī)及PLC。車載信號無線發(fā)送接收裝置具體包括用于采集現(xiàn)場信號及發(fā)送指令的西門子S7-200smart-PLC 模塊，信號通過相應(yīng)通道進(jìn)入車載S7-200smartPLC 模塊中，再通過PLC 自帶的SIMATIC NET 工業(yè)以太網(wǎng)接口通過網(wǎng)線連接進(jìn)入交換機(jī)，現(xiàn)場設(shè)備定位采用倍加福EVM58N-PN_Profinet 以太網(wǎng)編碼器通過網(wǎng)線與交換機(jī)連接，交換機(jī)信號出來通過POE 電源連接至安裝有2.4GHz 通信芯片的無線通信模塊，通信模塊經(jīng)過天線將信號發(fā)送至對應(yīng)的地面無線接收發(fā)送裝置。地面無線接收發(fā)送裝置包括室外天線、對應(yīng)的無線通信模塊及POE 電源，地面發(fā)送接收裝置經(jīng)網(wǎng)線連接至主站交換機(jī)將信號傳輸至主站，信號經(jīng)過程序處理于原翻車機(jī)PLC控制系統(tǒng)連接。如圖1。

圖1 翻車機(jī)無線通信地面主站結(jié)構(gòu)框圖

5 具體現(xiàn)場改造

（1）在翻車機(jī)系統(tǒng)配電室內(nèi)安裝地面無線通信系統(tǒng)主站控制柜，從原翻車機(jī)系統(tǒng)PLC敷設(shè)profibus電纜與無線主站PLC系統(tǒng)連接，通過profibus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換通信［2］。

（2）在無線通信系統(tǒng)主站控制柜敷設(shè)電源線到重調(diào)、空調(diào)、遷車臺、翻車機(jī)本體地面端子中轉(zhuǎn)箱處。電源線經(jīng)過現(xiàn)有中轉(zhuǎn)箱進(jìn)行中轉(zhuǎn)給車體上的無線從站控制箱供電。從無線通信系統(tǒng)主站控制柜通過電纜溝分別敷設(shè)網(wǎng)線到現(xiàn)場主站無線接收箱，實(shí)現(xiàn)無線信號通過網(wǎng)線傳輸至配電室主站。重調(diào)機(jī)、空調(diào)機(jī)、遷車及、翻車本體主站無線接收箱內(nèi)設(shè)置對應(yīng)的主站無線接收模塊，箱體安裝于對應(yīng)移動設(shè)備附近的鋼構(gòu)柱上，在從站箱體內(nèi)無線接收模塊對應(yīng)的接口引出發(fā)射接收天線。從站車載控制箱內(nèi)部安裝有網(wǎng)絡(luò)無線發(fā)送接收模塊及S7-200smartPLC 模塊，用于移動車載信號的匯集及發(fā)送。

（3）重調(diào)機(jī)車體上的勾頭、大臂、行走抱閘、前行和返回位置檢測傳感器及油泵控制信號接入車載從站S7-200smartPLC 的AI/DI 模塊中，重調(diào)機(jī)車定位采用倍加福EVM58N-PN_Profinet 以太網(wǎng)編碼器通過網(wǎng)線與車載從站上的S7-200smartPLC 模塊。其他空調(diào)機(jī)、遷車臺、翻車機(jī)本體安裝與控制原理相同，把對應(yīng)的車載信號接入從站控制箱對應(yīng)模塊，定位網(wǎng)絡(luò)編碼器通過網(wǎng)線進(jìn)入從站系統(tǒng)，修改IP即完成車上信號的匯總改造。

（4）現(xiàn)場主站無線模塊與車載從站無線模塊選用西安弘圣公司的2.4 GHz 無線通信模塊，該通信模塊能夠自動地避開同頻干擾的影響，適應(yīng)翻車機(jī)四部分相對密集的疊加現(xiàn)場，可做到相互無干擾。在傳輸速率方面該模塊達(dá)到IEEE802.11b 標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)擁有AirMAX 技術(shù)的帶寬可達(dá)到150 Mbps，能有效保證翻車機(jī)控制的響應(yīng)速度［3］。該無線通信模塊設(shè)置簡單，只需要將每對發(fā)送接收模塊設(shè)置為同樣撥碼地址，即可自動搜索配對，配對成功后主從接收模塊上連接指示燈及信號強(qiáng)弱指示燈會對通信狀態(tài)進(jìn)行顯示。主從無線模塊配對成功，車載移動設(shè)備與地面主站就實(shí)現(xiàn)了物理上的通信。

（5）完成主從站無線網(wǎng)絡(luò)連接后，對主站PLC與各從站PLC 進(jìn)行配置，編寫數(shù)據(jù)發(fā)送接收程序，從而實(shí)現(xiàn)主從站的數(shù)據(jù)互通［4］。

（6）完成安裝及程序編寫后進(jìn)入調(diào)試階段，使用儀表檢查每個(gè)電源回路及控制回路有無錯誤，確認(rèn)無誤后送電進(jìn)行單機(jī)調(diào)式同時(shí)需測試無線網(wǎng)絡(luò)速率，檢查上位機(jī)顯示與現(xiàn)場是否一致，并對所有信號進(jìn)行逐一試驗(yàn)，確認(rèn)反饋正確后進(jìn)行聯(lián)動試機(jī)測試，確認(rèn)功能完善且運(yùn)行穩(wěn)定后交付生產(chǎn)使用。

6 項(xiàng)目效果

通過此次技術(shù)改造，翻車機(jī)系統(tǒng)的重調(diào)、空調(diào)、遷車臺、翻車機(jī)本體上各安裝一套車載信號無線接收發(fā)送裝置，實(shí)現(xiàn)移動設(shè)備的信號采集與接收發(fā)送，在地面安裝與之對應(yīng)的4 套信號無線信號接收發(fā)送裝置，通過網(wǎng)線及交換機(jī)連接至主站PLC 系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了翻車機(jī)各移動設(shè)備的控制信號無線傳遞。