起重機防碰撞通訊關鍵要素研究

王勇 王興權 羅建國

1.大連理工大學常州研究院 江蘇常州 213164;2.赤峰市特種設備檢驗所 內蒙古赤峰 024000

改革開放以來,我國經濟建設快速發展,人民生活質量逐步提高,城市基礎設施建設也隨著加大,而起重機設備作為目前工地建設過程中不可或缺的部分,已經成為了工地建筑中最重要的裝備設施之一。在目前的現場環境中,經常會發生因人為操作不當而導致的安全生產事故,市面上雖然已經出現了起重機防碰撞監控設備,但是它們實際的現場效果仍不明顯,其根本原因在于防碰撞設備的數據傳輸問題。數據傳輸部分作為起重機防碰撞設備最重要的部分,它的性能將直接影響到整個防碰撞設備的效果。本文就針對影響無線模塊數據傳輸的因素進行詳細探討。

1 影響無線傳輸模塊的因素

在實際現場環境中,影響無線模塊效果的因素有很多,這些因素的存在會一定程度上降低防碰撞系統的數據傳輸效果,所以在現場運用中應盡量避免這些影響因素。

1.1 現場環境

無線通訊不同于有線通訊方式,它對于無線模塊所處的現場環境要求較高,不能有強信號干擾源,需要空曠無遮擋的環境,甚至天氣情況也會影響無線通訊的效果。物理的阻礙物會阻擋無線信號,并且會吸收電磁能量,導致無線信號變弱;無線電波由于具有直線傳播的特性,其繞射物體的能力非常弱,傳輸路徑一旦被障礙物遮擋,將會導致無線設備只能接到很微弱的信號甚至無法收到信號;另外,天氣狀況也會干擾無線信號的傳輸,例如陰雨天氣時的無線信號衰減比較厲害,而在晴天的時候信號衰減通常會比較小。

1.2 傳輸速率

無線傳輸需要考慮傳輸速率,傳輸速率包括空中速率和波特率,傳輸速率越大,相同時間傳輸的數據也就越多。但對于無線通訊方式而言,傳輸速率越高,通訊出錯的概率也就越大。所以在現場運用中需要在這兩者之間尋找到平衡點,以達到現場的使用要求。另外,無線模塊供應商在宣傳時會使用最大傳輸速率進行宣傳,然而在實際現場中一般是無法達到最大傳輸速率的,這個問題也需要在實際使用中注意。

1.3 信號強度

圖1是802.11標準的實驗室測試結果,結果顯示,信號強度越高傳輸速率越快。X軸是信號強度,Y軸是傳輸速率。

圖1 網速和信號強度的關系曲線

無線模塊的信號強度直接影響數據的傳輸效果,同樣距離的兩個無線模塊進行數據傳輸,信號強度強的無線模塊數據傳輸會比較穩定,而信號強度低的無線模塊數據出錯的機率更大。

1.4 工作頻段

工業場合最常使用的是2.4GHz和433MHz頻段。無線傳輸方式不同于有線傳輸方式,它必須在規定的頻段內進行數據傳輸,如果在同時間、同頻段內存在過多的設備,則各個設備之間會存在頻道沖突,產生無線信號串擾的問題,解決的辦法是調整不同功能的無線模塊使之處于不同的頻段內。另外,無線模塊由于其本身特性導致附近如果有較強的磁場存在,會嚴重干擾到無線網絡的運行,所以在使用時應盡量遠離強磁場干擾源,如變壓器、變頻器、WIFI設備等,否則會造成無線設備無法使用的情況。

1.5 通訊接口

工業現場常用的通訊接口有RS232/485、CAN等。在單節點和數據量比較少的情況下,可以使用RS232/485方式進行數據通訊;而在多節點和大數據量的情況下,宜采用CAN方式進行通訊。CAN由于舍棄了站地址編碼方式,具有獨特的短報文傳輸模式,每一幀傳輸8個字節數據,使得CAN接口具有報文傳輸時間短、抗干擾能力強的特點,這個特性在防碰撞通訊這種對數據實時性要求較高的場合比較適用。

1.6 工作模式

在無線通訊的工作模式中,需要考慮的主要為主從模式和廣播模式。在單節點小數據模式時,宜采用主從模式,該模式對節點網絡的負擔較小,可靠性較高;在多節點大數據模式中,宜采用廣播模式,該模式對節點網絡的負擔較大,由于每個節點都需要進行數據收發,所以不可避免地會出現數據碰撞,并且隨著設備的增加,數據碰撞的概率也越大,所以在用廣播模式時,需要注意到這一問題。

2 現有無線網絡對比

綜合對比各類型無線網絡,可適用于防碰撞系統的無線網絡為Zigbee網絡和LORA網絡,其對比如表1所示。

表1 現有無線網絡對比

3 現有防碰撞系統方案對比

3.1 使用RS485/RS232的Zigbee模塊

RS485/RS232的Zigbee模塊見圖2。此系統采用RS485/RS232的Zigbee模塊與控制器進行串口通訊。Zigbee模塊采用了市場上通用的產品模塊,并采用透明傳輸方式。但此系統存在RS485/RS232速度較慢的缺點,并且由于采用透明傳輸的方式,無法及時處理防碰撞的大數據量問題,因而造成大量數據沖突導致數據傳輸誤碼率高。因此,該方案適用于防碰撞設備較少的情況,并且由于價格便宜,廣泛使用于小型防碰撞系統。

圖2 RS485/RS232的Zigbee模塊

3.2 使用定制CAN接口的Zigbee模塊

定制CAN接口的Zigbee模塊見圖3。此系統采用定制的CAN接口Zigbee模塊與控制器進行數據通訊,Zigbee模塊是基于防碰撞大數據量問題進行定制化開發,優化了Zigbee模塊之間、控制器與Zigbee模塊之間的數據傳輸效率。此方式相比RS485/RS232的Zigbee模塊性能提升了60%以上,數據交互速率和正確率大幅提高,但是由于存在Zigbee網絡的低功率、高丟包率的問題,導致其實際穩定的空中速率較低,此方案適用于中型防碰撞系統中。

圖3 定制CAN接口的Zigbee模塊

3.3 使用定制CAN接口的LORA模塊

定制CAN接口的LORA模塊見圖4。此系統采用定制的CAN接口LORA模塊與控制器進行數據通訊,優化了LORA模塊之間、控制器與LORA模塊之間的數據傳輸效率。 LORA無線網絡以其遠距離、高速度、高信號強度的特點,適用于大型防碰撞系統,其相比CAN接口的Zigbee模塊,性能提升30%以上。

圖4 定制CAN接口的LORA無線網絡

4 結論

在防碰撞系統的研究中,我們通常會將大部分精力集中在起重機的數學模型和算法的研究上,忽視了防碰撞通訊模塊對于整個防碰撞系統的重要性。本文通過對現有防碰撞系統及影響無線模塊數據傳輸因素的探討,總結了無線模塊在現場使用中需要注意的事項和現有防碰撞系統方案的特點,對于防碰撞系統的現場應用具有一定的借鑒意義。

經過大量的現場實驗數據分析表明,在工業現場宜采用基于CAN接口的LORA無線模塊作為起重機防碰撞系統的數據傳輸設備,可以保障數據的實時性、正確性。