卸船機(jī)無線通信應(yīng)用實(shí)踐

王儒超

（廣西鋼鐵集團(tuán)有限公司 廣西 防城港 538000）

0 引言

防城港鋼鐵基地102#泊位碼頭為10萬噸級(jí)碼頭，泊位總長(zhǎng)約336 m，碼頭面層寬26 m，碼頭設(shè)計(jì)高水位1.26 m，極端高水位1.89 m，碼頭面高程為10 m。102#泊位配置3臺(tái)2 500 t/h橋式抓斗卸船機(jī)，單臺(tái)設(shè)備自重約1 200 t，設(shè)備軌距24 m，基距18 m，其額定起重量64 t。該卸船機(jī)機(jī)型為機(jī)械四卷筒牽引式，機(jī)械四卷筒抓斗卸船機(jī)是近幾年在國(guó)內(nèi)逐漸普及的卸船機(jī)機(jī)型，由于機(jī)構(gòu)布置合理，鋼絲繩纏繞簡(jiǎn)單，整機(jī)自重輕，且成本量低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被各港口所采用，成為用戶的首選機(jī)型。卸船機(jī)安裝在102#泊位的軌道上，由抓斗抓取礦、煤、焦炭等原料卸至漏斗，物料經(jīng)料斗、皮帶機(jī)等設(shè)備輸送至后方料場(chǎng)，是防城港鋼鐵基地生產(chǎn)原料保供的關(guān)鍵設(shè)備。

防城港鋼鐵基地102#泊位3臺(tái)卸船機(jī)與中控系統(tǒng)的通信采用卸船機(jī)電纜卷盤內(nèi)控制電纜進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)與卸船機(jī)的聯(lián)鎖功能，但經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行及環(huán)境腐蝕，控制電纜老化，存在虛接和斷接的現(xiàn)象，如更換整套控制電纜，費(fèi)用大且施工工期長(zhǎng)，影響生產(chǎn)。隨著數(shù)字網(wǎng)絡(luò)信息化的發(fā)展，無線通信技術(shù)發(fā)展逐步成熟，在工業(yè)大型控制設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用[1]，因此，分析決定采用無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)卸船機(jī)與中控PLC控制系統(tǒng)之間的通信。

1 方案設(shè)計(jì)

在原料碼頭102#泊位的3臺(tái)卸船機(jī)的控制系統(tǒng)為ABB公司的AC800 mCPU，中控室皮帶機(jī)由施耐德公司的Modicon M580 CPU控制，要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)PLC系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，就需要在卸船機(jī)上配備協(xié)議轉(zhuǎn)換卡，將其通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為Modbus TCP，并通過交換機(jī)與卸船機(jī)上安裝的無線通信網(wǎng)連接。在碼頭設(shè)置的固定式無線AP負(fù)責(zé)接收通信信號(hào)，再通過光纖將數(shù)據(jù)傳回皮帶機(jī)使用的施耐德公司的Modicon M580，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。對(duì)于根據(jù)無線信號(hào)覆蓋需求，在原料碼頭102#泊位現(xiàn)場(chǎng)合適區(qū)域設(shè)立固定式無線AP裝置，并在卸船機(jī)和碼頭面上安裝無線通信網(wǎng)關(guān)，卸船機(jī)機(jī)上無線通信網(wǎng)關(guān)與卸船機(jī)的PLC系統(tǒng)連接并配備協(xié)議轉(zhuǎn)換卡，將卸船機(jī)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為Modbus TCP協(xié)議；地面無線通信網(wǎng)關(guān)通過光纜與中控室PLC系統(tǒng)進(jìn)行通信，最終實(shí)現(xiàn)102#泊位卸船機(jī)與中控PLC系統(tǒng)的正常通信。

1.1 無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)分為控制層、接入層和Mesh層，采用層次化設(shè)計(jì)模型，每個(gè)層次的功能側(cè)重點(diǎn)不同。

（1）控制層：主要部署的設(shè)備是核心交換機(jī)和無線局域網(wǎng)控制器?？刂茖邮钦麄€(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的連接控制的核心，核心交換機(jī)需支持冗余性、高效性、可靠性等，且具備千兆以上帶寬[2]。

傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)存在傳輸速率低、穩(wěn)定性差、安全性較低等局限，往往不能滿足較大規(guī)模的無線工業(yè)用戶的需求。工業(yè)級(jí)用戶對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)提出了更高的性能需求：①無線局域網(wǎng)要能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一管理，是整體解決方案的系統(tǒng)；②無線局域網(wǎng)實(shí)施要高效、簡(jiǎn)單，能夠通過策略自動(dòng)地算出AP的最佳布置地點(diǎn)及最優(yōu)頻段；③無線局域網(wǎng)必須是安全、可靠的，以保證工業(yè)設(shè)備通信的需求；④無線局域網(wǎng)要能夠支持語音和多業(yè)務(wù)。

根據(jù)工業(yè)用戶需求，基于無線控制器的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案應(yīng)運(yùn)而生。本方案選用的RFS4000型無線控制器R的智能射頻功能可自動(dòng)優(yōu)化和修復(fù)網(wǎng)絡(luò)，防止接入點(diǎn)和Mesh節(jié)點(diǎn)故障，使用戶始終在線。此外，作為摩托羅拉企業(yè)無線局域網(wǎng)和安全解決方案的標(biāo)志性產(chǎn)品，RFS4000可提供全天候IDS/IPS、頻譜分析和高級(jí)故障排除功能，而另一個(gè)頻道可讓無線用戶進(jìn)行并發(fā)訪問。

RFS4000融合多種功能，消除了部署和日常管理對(duì)現(xiàn)場(chǎng)IT支持的需要，這些功能包括：①內(nèi)置智能特性，使網(wǎng)絡(luò)能夠識(shí)別和自動(dòng)解決網(wǎng)絡(luò)問題；②零接觸安裝；③將所有的有線和無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施集成到單一的設(shè)備，進(jìn)而可由NOC通過自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和自動(dòng)配置輕松進(jìn)行管理。

（2）接入層：在滿足使用要求的情況下，可以直接選擇普通的交換機(jī)或者直接采用環(huán)網(wǎng)工業(yè)交換機(jī)。在該層中，工作站數(shù)量在同一網(wǎng)段中越少，提供的帶寬速度越高。

（3）Mesh層由部署在102#泊位皮帶機(jī)棧橋上的基站AP和卸船機(jī)移動(dòng)接入端AP組成。無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)也稱為“多跳”網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)相比，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)更易于配置和安裝，具有非視距傳輸、健壯、靈活等優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)是“單跳網(wǎng)絡(luò)”，即通信用戶端通過與AP相連的無線鏈路接入網(wǎng)絡(luò)。如果用戶間想要相互通信，則需先訪問一個(gè)固定的AP接入點(diǎn)。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無線設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)充當(dāng)AP和路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)直接通信。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)訪問方式是“多跳訪問”，若相鄰的無線AP流量過大而導(dǎo)致?lián)砣?，通信?shù)據(jù)可以重新規(guī)劃路由到流量較小的相鄰AP，以保證高的傳輸速率。同樣，數(shù)據(jù)包也可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁堵情況，規(guī)劃路由到下一個(gè)最近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，直到到達(dá)最終目的地。

與傳統(tǒng)的交換網(wǎng)絡(luò)相比，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)消除了節(jié)點(diǎn)之間的布線設(shè)計(jì)，部署簡(jiǎn)單高效的同時(shí)仍然具有分布式網(wǎng)絡(luò)冗余機(jī)制和重新路由功能。在無線Mesh網(wǎng)中，若需部署新的無線設(shè)備，只需簡(jiǎn)單地連接電源即可，系統(tǒng)可以智能化地進(jìn)行自我配置并確定最佳的“多跳”的傳輸路徑；當(dāng)移動(dòng)設(shè)備時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)檢測(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，自動(dòng)調(diào)整流量路由以獲得最佳的傳輸路徑。無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框架示意見圖1。

1.利端：（1）無枯竭危險(xiǎn)，能源質(zhì)量高；（2）安全可靠，無噪聲，無污染排放外，絕對(duì)干凈（無公害）；（3）不受資源分布地域的限制，可利用建筑樓頂?shù)膬?yōu)勢(shì)；（4）建設(shè)周期短，獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短；（5）減少樓頂受曝曬程度，對(duì)樓頂起到一定保護(hù)作用，一定程度上減緩樓頂防水層的老化。

1.2 基站AP轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案采用二級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)本地轉(zhuǎn)發(fā)模式，優(yōu)化了數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂剑瑐鬟f數(shù)據(jù)無需經(jīng)過控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，解決了無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題；同時(shí)，MOTO有效消除了傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)架構(gòu)的單點(diǎn)故障問題，在本地轉(zhuǎn)發(fā)的架構(gòu)下，結(jié)合MOTO無線AP的本地功能智能化，即使在無線控制器發(fā)生故障的時(shí)候，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)（運(yùn)行）也可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，見圖2。

本地轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)的無線控制器支持集群技術(shù)，可拓展、雙機(jī)熱備。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過增加設(shè)備數(shù)量來實(shí)現(xiàn)集群管理，也就是當(dāng)集群中任意一臺(tái)無線控制器故障后，另一臺(tái)會(huì)自動(dòng)接手所有AP的工作，通信服務(wù)不會(huì)中斷，仍可以正常通信。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)AP點(diǎn)位設(shè)計(jì)

102#泊位碼頭共有3臺(tái)卸船機(jī)，卸船機(jī)在102#泊位行走范圍總長(zhǎng)420 m，見圖3。在皮帶棧橋合適位置設(shè)置7臺(tái)地面無線AP，并在每臺(tái)卸船機(jī)上安裝一臺(tái)無線AP。設(shè)置在地面上的7臺(tái)無線AP通過光纜與主控室內(nèi)中控PLC系統(tǒng)（施耐德PLC）交換機(jī)相連，安裝在卸船機(jī)上的無線AP通過光纜與機(jī)上PLC系統(tǒng)（ABB PLC）相連。機(jī)上PLC系統(tǒng)帶協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，將ABB PLC通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為ModBus TCP，最終實(shí)現(xiàn)與施耐德PLC系統(tǒng)的通信。

通過在主控室PLC柜內(nèi)放置的無線通信主機(jī)的設(shè)置，在卸船機(jī)行走的同時(shí)，自動(dòng)將卸船機(jī)與中控的通信鏈路切換為距離最短信號(hào)最強(qiáng)（機(jī)上無線AP與地面無線AP）的鏈路，地面無線AP之間的布置距離不超過60 m，避免在通信鏈路切換時(shí)，發(fā)生卸船機(jī)與中控PLC系統(tǒng)通信閃斷的問題。

2 方案優(yōu)勢(shì)

本地轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)中，使用MOTO Wing5無線控制器，MOTO系統(tǒng)可以根據(jù)不同的屬性進(jìn)行多設(shè)備集中配置，使得無線網(wǎng)絡(luò)易于部署和后期維護(hù)[3]。

2.1 無線射頻管理

2.1.1 自動(dòng)射頻管理

在無線網(wǎng)絡(luò)中，往往需要經(jīng)驗(yàn)和手動(dòng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的高效利用和消除信道干擾，而MOTO系統(tǒng)的射頻智能控制可以自動(dòng)調(diào)整所有MOTO AP的射頻信號(hào)特性，無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)仍然以最佳方式運(yùn)行。

2.1.2 無線空洞檢測(cè)

MOTO的AP可以實(shí)現(xiàn)全局的動(dòng)態(tài)功率控制，當(dāng)某個(gè)AP故障時(shí)，通過增加附近AP的功率對(duì)無線空洞進(jìn)行補(bǔ)償，以確保信號(hào)全面覆蓋；當(dāng)信號(hào)覆蓋密度高時(shí)，自動(dòng)降低全局AP的發(fā)射功率，以減少復(fù)用頻點(diǎn)的區(qū)間干擾。

2.2 便于管理的分層體系結(jié)構(gòu)

2.3 Smart-RF

MOTO設(shè)備Smart-rf具體功能包括：（1）工作信道自動(dòng)調(diào)節(jié)功能：可以有效避免設(shè)備間的信道干擾；（2）指定探測(cè)器功能：與傳統(tǒng)的設(shè)備和客戶渠道方式不同的是MOTO的多頻可以分別使用不同的頻段進(jìn)行用戶接入和檢測(cè)，當(dāng)接入的AP失效時(shí)，可以將用于檢測(cè)的AP轉(zhuǎn)換為用戶接入模式，有效保持了用戶業(yè)務(wù)的連續(xù)性[4]；（3）發(fā)射功率自動(dòng)調(diào)節(jié)功能：Smart-rf AP的發(fā)射功率具有自動(dòng)化調(diào)節(jié)功能，保證AP的信號(hào)覆蓋范圍在最優(yōu)范圍的同時(shí)，減少區(qū)間干擾。

2.4 MOTO網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡

MOTO網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的負(fù)載均衡功能。它不僅可以根據(jù)用戶數(shù)量在AP之間進(jìn)行負(fù)載均衡，還可以根據(jù)用戶流量在AP之間進(jìn)行負(fù)載均衡。系統(tǒng)的無線交換機(jī)涵蓋了整個(gè)系統(tǒng)的AP信息，可以感知每個(gè)接入點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度。當(dāng)系統(tǒng)用戶端口發(fā)出信號(hào)，尋找無線AP時(shí)，無線交換機(jī)自動(dòng)根據(jù)用戶端信號(hào)強(qiáng)度和信噪比進(jìn)行決策，確定由哪個(gè)AP來響應(yīng)。

在系統(tǒng)用戶密集、帶寬要求高的環(huán)境下，MOTO網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡具有顯著優(yōu)勢(shì)。多個(gè)無線AP部署在同一區(qū)域，系統(tǒng)不限制負(fù)載均衡的AP數(shù)量，當(dāng)用戶需要更多帶寬時(shí)，可以直接添加AP實(shí)現(xiàn)，配置簡(jiǎn)單高效。同時(shí)，系統(tǒng)中的無線交換機(jī)可以根據(jù)用戶在線和離線的分布，自動(dòng)均衡負(fù)載分擔(dān)[5]。

2.5 無線網(wǎng)絡(luò)安全解決方案

無線通信技術(shù)采用公共的而非專用的電磁波作為載體，通信信息有被竊聽及干擾的風(fēng)險(xiǎn)，因此在無線通信中，網(wǎng)絡(luò)安全尤為關(guān)鍵。本次使用的MOTO無線方案中，RFS4000內(nèi)置有無線安全功能和無線網(wǎng)絡(luò)入侵防護(hù)系統(tǒng)WIPS，當(dāng) RFS4000 發(fā)現(xiàn)非法AP時(shí)，它會(huì)根據(jù)策略發(fā)送指令，通過 Sensor 實(shí)時(shí)阻止它，在保證了合法授權(quán)用戶訪問無線網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，又能有效防御網(wǎng)絡(luò)干擾和DOS攻擊，保證了無線通信的安全。

2.6 安全防火墻功能

相比于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，MOTO Wing5系統(tǒng)防火墻包含二/三層狀態(tài)包檢測(cè)功能、動(dòng)態(tài)防火墻規(guī)則定義、DOS攻擊檢測(cè)和ARP欺騙功能防御，具有更高的安全防護(hù)等級(jí)，可以有效地保證通信的安全可靠。

傳統(tǒng)的無線局域信網(wǎng)絡(luò)中，通信信號(hào)在AP到達(dá)AC部分，用戶數(shù)據(jù)沒有任何安全防護(hù)措施，黑客可以肆無忌憚地直接攻擊AC設(shè)備，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，影響整個(gè)無線通信的正常進(jìn)行。MOTO Wing5架構(gòu)可以在網(wǎng)絡(luò)邊緣AP設(shè)備上實(shí)現(xiàn)較高的安全防護(hù)，網(wǎng)絡(luò)攻擊在AP就能被攔截，不會(huì)對(duì)通信設(shè)備造成影響，安全級(jí)別更高。

2.7 無線網(wǎng)絡(luò)可靠性

MOTO的無線網(wǎng)絡(luò)具有很好的可靠性：（1）在MOTO的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的某個(gè)AP無法正常工作時(shí)，其相鄰的AP可以迅速探測(cè)感知并調(diào)節(jié)增大其發(fā)射功率，對(duì)無法工作AP的無線覆蓋空洞進(jìn)行有效覆蓋，以保證整個(gè)系統(tǒng)的正常通信；（2）當(dāng)核心交換機(jī)和主用交換機(jī)和之間的通信鏈路發(fā)生中斷時(shí)，該設(shè)備端口上的通信信息將自動(dòng)流向中心通道的其他鏈路，并自動(dòng)均衡分流到其余各端口；（3）當(dāng)主用無線交換機(jī)故障無法工作時(shí)，熱備份機(jī)與主機(jī)之間通過脈沖信號(hào)進(jìn)行通信，如果發(fā)生硬件或軟件系統(tǒng)故障，冗余備份機(jī)將在短時(shí)間內(nèi)完成無線架構(gòu)的部署，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的有效通信[6-7]。

3 結(jié)語

防城港鋼鐵基地102#泊位的無線通信系統(tǒng)安裝投用后，3臺(tái)卸船機(jī)與中控PLC控制系統(tǒng)的通信將由可靠高效的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞，避免了線纜的使用，消除了硬線通信存在的安全隱患，在保證卸船機(jī)與中控PLC控制系統(tǒng)通信安全高效的前提下，降低了設(shè)備投入及維護(hù)成本，提高了生產(chǎn)效率。