工业无线通讯在起重机联动上的应用
2014-04-19 20:44:16 点击：
一、 起重机行业概况
物料搬运成了人类生产活动的重要组成部分，距今已有五千多年的发展历史。随着生产规模的扩大，自动化程度的提高，作为物料搬运重要设备的起重机在现代化生产过程中应用越来越广，作用愈来愈大，对起重机的要求也越来越高。起重机正经历着一场巨大的变革。
起重机属于工程机械中的一种。工程机械行业主要可以分为以下几个子行业：挖掘机械、起重机械、压实机械、桩工机械、路面机械、凿岩机械、铲土运输机械、钢筋混凝土机械和其他机械。
作为工程机械的分支，起重机械又可具体细分为：
起重机械正朝着大型化、专用化、模块化、组合化、自动化、智能化、成套化、系统化、新型化、实用化、集群化等方向发展。
二、 起重机概述及其自动化系统组成
起重机结构紧凑，不易布置线路，另外复杂的信号连线还会给起重机的维护造成困难，所以信号的无线连接是起重机的解决问题的很好的途径。起重机在现场工作时，安全性是相当重要的，现代电子技术、IT通讯技术、无线电技术在起重机上的应用，各个厂家，也进行了很多实验和完善，无线技术，越来越多的得到实践的认可，远程监控以及无线控制技术在起重机行业上得以充分的应用实现。
信号稳定，速度实时响应，抗干扰能力强，衍射能力强，距离远，支持多种工业网络协议是起重机在无线通讯系统的前提条件。
工业无线通讯产品，具有上述的全部特点。
工业无线通讯模块，通讯距离最远可以达到十公里，支持MODBUS、ASCII、PPI等协议，安全稳定，具有很强的穿透和衍射能力，达到ms级别的实时响应，是用在起重等行业移动、旋转和不方便接线的场合的极佳选择。
本起重机联动的应用中，4台车的无线通讯，采用了无线产品进行通讯，一个主站和三个从站，控制器均采用西门子S7-224，无线同步数据进行同步动作。4个站的无线通讯拓扑图如下：
通过无线通讯
在4台设备上采用无线通讯模块
该应用中，一个主站对三个从站进行监控，每个从站需要交换的数据有20个字节，3个站轮询，采用9600bps的传输速率，经过赛远的无线通讯程序，三个站累计采集时间为25ms左右，即每秒可以轮询40次左右。
由于无线通讯模块频段占带宽为15K，极小，无线电的特性是，不同频不干扰，同频必然干扰。所以在程序中，应该做好准备，在现场产生如同频干扰导致瞬间通讯失败时，主站可在程序中设定，在1~50ms之内，主动再次发出轮询指令，恢复通讯。
某站的故障，不影响其他站的正常通讯。主站中可以设定单站故障时，如何动作，并告知到所有从站。从站在通讯故障时，可以采取保持当前状态或者直接采取应急状态等动作。
三、 配置清单
每个现场控制站：
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序号
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名称
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型号
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数量
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1
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西门子PLC
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1
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2
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无线通讯模块
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1
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3
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大吸盘全向天线
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1
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4
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总线连接器
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1
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5
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开关电源
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1
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四、 起重机上的无线通讯的特点
针对起重机的通讯，首先考虑的是采用有线通讯。但在实际使用过程中，由于有线通讯电缆和动力电缆等难以隔离较远，现场的电磁干扰常常将通讯信号干扰得难以正常收发。较好的解决方案是采用光纤进行通讯，但由于生产过程较为复杂，当光纤发生断线的时候，现场检修十分困难，需要重新敷设光纤，工作量大，并且需要专用设备进行现场熔接，维护的周期长，影响较大。
设计时，也采用过诸多方案进行无线，市面上大部分产品大部分采用了2.4G WIFI协议进行传输，在调试的时候，在可对视的时候，能够建立正常的通讯，速度可以达到54Mbps，甚至可以传输视频。但在移动过程中，如果遇到遮挡或者雨天天气，很难保证可对视的传输。2.4G的信号在有遮挡物的情况下，时有时无，十分的不稳定。并且在雨天的时候，信号也变得不稳定。不管是知名品牌，还是市面上常见的产品，均有此问题。
经过深度分析，2.4G的产品，主要是由于其物理特性决定了传输的衍射能力。2.4G的频段，波长约为124mm，其信号衰减快，衍射能力弱。这就是微波的特性。任何品牌的产品也无法改变该物理特性，所以在遇到遮挡物时，包括下雨天天气，水分子就变成了一堵堵墙，吸收微波，并无法衍射，导致信号被吸收而失真，导致通讯问题。
不同频段的特性对比图
无线频率用途分配表
由此，在复杂环境，必须选用衍射能力更加强的低频产品进行传输，如采用433MHz的无线通讯产品，其波长为692mm，波长较长的信号的衍射能力强，信号可以进行反射和绕射，将信号传输到目的地。而且，无线电的传输速度不管是在哪个频段，都是和光速一样的，所以不存在信号多次衍射之后的速度降低问题，关键在于无线通讯模块的处理速度和能力。
经过现场对比实验，最后选定具有国家专利的无线通讯模块，因为该产品在现场各个复杂环境测试，均表现信号稳定，并且无线通讯模块的处理速度很快，由于无线通讯模块的收发带来的时延不超过5ms，远远超过市面上的产品的性能。
五、 起重机联动的现场应用效果
现场的应用图如下：
4机联动起重机
每台起重机上的无线通讯安装在顶部
在调试过程中，要加以注意的是，选好无线通讯天线架设的位置，采用全向的天线，尤其是增益大的玻璃钢天线，或者定向八木天线，有助于信号的稳定传输。另外，对于PLC和无线通讯模块采用的开关电源，建议采用纹波系数小的优质开关电源，在PLC和无线通讯模块之间，最好加上信号隔离器。赛远的工业无线通讯系统，一旦调试正常，工作稳定，这是生产单位最为看重的。
上述系统，采用赛远的无线通讯产品在该起重机联动使用3年以来，经受住了天气环境的考验，粉尘的考验，以及较为恶劣的现场电磁干扰考验，工作稳定。
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