WK-35 上下車通信系統方案改進

黃俊亮

（江西銅業集團德興銅礦，江西 上饒 334224）

高端裝備制造是我國工業長期發展的戰略方向，在傳統制造業的基礎上，未來將越來越多地把人工智能、工業物聯網、云計算、大數據、機器人、智能裝備等前瞻技術與現有工業產品深度融合，形成了全面感知、實時互聯、分析決策、自主學習、動態預測、協同控制的智能系統，將極大地提高工業生產各個環節的效率和環保水平。為了響應上述國家戰略發展需求，需要在各行各業不斷進行積極的探索和實驗，這必將是一個長期而久遠的過程。

電鏟作為大型露天礦山的主要開采設備，在整個開采環節中占據著非常重要的位置。電鏟按整機結構，可以分為上車和下車兩大部分。回轉平臺以上稱為上車部分，以下稱為下車部分。電鏟回轉作業時，回轉電機驅動上車部分圍繞著中央數軸轉動，回轉的角度和圈數不受限制。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需要傳輸至上車CPU 集中處理，如此一來，電鏟結構的特殊性導致上下車的動力電源和信號傳輸成為一個非常關鍵的問題。如何解決好該問題直接影響整機的工作效率和可靠性。

1 傳統的解決方案

對于旋轉設備的電氣連接，滑環是最常見的解決方案，根據不同的電壓等級和載流量，廠家會根據用戶需求進行配套。滑環一般安裝于設備旋轉的中心軸線上。電鏟按結構分為上車和下車兩大部分，工作時，下車處于靜止狀態，上車根據工況在任意角度內回轉工作，旋轉軸線為中央樞軸。電鏟受內部空間制約，將高壓供電和低壓供電集成在一個殼體內，內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，保障人身安全，同時，將整體尺寸優化為最理想的狀態。該方案的一個明顯的制約條件在于，每個需要獨立傳輸的動力源或信號都需要一組獨立的滑環與之配套（一組滑環包含與之連接的碳刷等組件）。例如，常見的風機380VAC 動力電源，低壓室內需配套3 組滿足絕緣間距的滑環，或者數字量信號，每個信號也需要對應一組獨立的滑環。隨著電鏟持續升級改進，設備上需要監控的部位逐漸增加，從下車傳輸至上車的控制信號也在相應地增加。包括一些溫度探測，單個PT100 至少需要2 組獨立的滑環，單臺電機三個繞組加傳動軸等關鍵部位，增加滑環數量顯然滿足不了新的需求。為此，將控制信號通過無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

為了替代傳統的滑環結構，電鏟的上下車系統改造為菲尼克斯的無線傳輸方案。該方案中，上下車需要交互的控制信號，首先以硬線的方式連接至菲尼克斯的數字量或模擬量接口模塊，這些接口模塊統一安裝在上車或下車的機架上，每組機架配置一個專用的菲尼克斯CPU 模塊，用于控制信號采集打包。采集打包完的數據通過數據線發送至菲尼克斯iWLAN 模塊，上車和下車各安裝1 個iWLAN 模塊，該模塊用于無線傳輸數據。為保證在設備回轉過程中天線的可視性和傳輸可靠性，上車的iWLAN 模塊配置了2 個方向向下的半球形天線，下車安裝1 個方向向上的半球形天線。

上下車拓撲結構如下圖所示，示例方案中，上車有8 個數字量輸出模塊，6 個數字量輸入模塊。對應的，下車有8個數字量輸入模塊，6 個數字量輸出模塊。

圖1 上車拓撲結構

圖2 下車拓撲結構

上述的拓撲結構可以在菲尼克斯的專用軟件Project+2.4 中靈活組態，根據現場的實際需要，靈活配置所需的控制信號接口數量和類型。不過，需要注意的是，上車和下車存在硬件對應關系，即上車的DI 數量和位置一定對應下車的DO 數量和位置，反之亦然，否則，在系統自動組態識別過程中會報錯。為了應對礦山的震動和粉塵引起的接觸不良，輸出模塊內部的觸點采用鍍金工藝，降低了接觸電阻和可能的拉弧。模塊之間采取卡扣連接，每個模塊同時和左右相鄰的模塊通過卡扣固定，整個機架的首位安裝固定卡子，防止長時運行引起的松動。當需要更改配線時，無須斷電，只用將前連接器從模塊上熱插拔即可，使用起來非常方便。

該方案摒棄了傳統的滑環方式，信號擴展非常方便，尤其針對下車的PT100 測溫信號，可以不受約束地大量使用3線制傳感器，保證測量精度，對重要的機械結構提供強有力的預防性保護。

隨著使用時間的推移，現場逐漸發現了一些該方案的缺陷。比如，電鏟震動很大，模塊之間容易松動，造成菲尼克斯CPU 無法識別松動點之后的硬件信息，從而報故障停機；在某些現場，天線的信號質量非常不穩定，在電鏟回轉過程中，容易發生信號中斷的情況等。上述故障實際處理起來非常棘手，如接觸不良，一排機架有十幾個接口模塊，很難判斷出故障的瞬間到底是哪個連接點的問題。再如，天線信號質量差，也是隨機出現，現場更換硬件也未必奏效。因此，在無線傳輸的基礎上，需要尋找一種更可靠的替代方案。

3 優化改進的西門子解決方案

西門子SCALANCE W 是新一代無線傳輸解決方案，為工業現場提供了高效、靈活的自動化解決方案。無論是工業遠程通訊，或是工業級的局域網應用，該系列通訊產品均能提供可靠安全的連接方式。該設備具備如下特點：（1)傳輸速率高，使用IEEE802.11n 協議，理論帶寬450Mbit/s；（2）突破了以往天線1 對1 的傳輸方式，應用MIMO（多入多出）技術建立可靠的無線連接，實現3 路數據流同時發送和接收；（3）產品系列廣，包含適用于嚴苛工業現場的極端環境系列，常規戶外環境的戶外系列，以及普通的機柜內安裝系列；（4）設備外殼堅固耐用，防塵防水（IP65），抗撞擊抗震動，抗電磁干擾，高溫高濕環境可選裝PCB 涂層進行特殊防護；（5）滿足具有實時和冗余的復雜應用，例如，PROFIsafe 應用場合；（6）支持IEEE802.11 標準協議，同時可通過擴展功能卡進行更加可靠的協議升級，例如，周期性實時數據（iPCF）、快速漫游協（iPCF-MC）；（7）支持向導和在線配置，通過SNMP 網絡服務器協議進行管理；（8）可使用基于WEB 的配置管理工具進行功能設置，也可使用西門子TIA 或Step7 軟件進行部分功能組態，通過SINEMA SERVER 進行周期性診斷，并生成相應的報告；

除具備上述產品優勢外，由于整套設備的PLC 控制器和變頻裝置均采用西門子產品，SCALANCE W 系列可以更好地和現有的電氣元件進行融合與數據交互，無線模塊和CPU 通過Profinet 協議直接傳輸數據，相比菲尼克斯無線方案，該方案節省了上下車專用的菲尼克斯接口模塊，完美解決了長時使用中的抗震性問題。該方案的系統拓撲如圖3 所示。

圖3 西門子無線傳輸拓撲

方案中，位于上車的兩個信號接入點稱為AP，即access point；下車信號發出點稱之為客戶端，即client point。AP 和客戶端各配套1 個半球形天線，天線和AP 或客戶端之間用饋線連接。考慮饋線對信號強度造成的衰減（理論上，饋線長度每增加1 米，信號衰減10%），天線選擇就近安裝在合理的位置以縮短饋線長度。在電鏟回轉作業時，客戶端與上車AP1 和AP2 之間的距離隨時在改變，在某個特定時刻，客戶端和哪個AP 相連的策略顯得尤為重要。西門子提供的Key-plug 功能拓展卡完美的解決了這一問題：客戶端實時掃描AP1 和AP2 的信號強度，如果當前連接的AP 信號強度差值大于系統預設值，則自動切換至另一AP，利用西門子專有技術，切換中信號始終保持在線狀態，實現了切換的無縫對接。

實際應用中，SCALANCE W 模塊可以被認為是透明的，原來布置在PLC 柜內的一組ET200 機架可以直接安裝在下車控制箱中，連接該機架和CPU 之間的Profinet 通訊電纜被SCALANCE W 模塊的透明Profinet 無線傳輸所取代，控制結構顯得更加簡潔明了。硬件配置上，節省了之前菲尼克斯方案的中間轉接環節，柜內配線和現場連接電纜更少，減少了很多可能的故障點。

4 結語

根據現場長期使用情況的觀察，無論是硬件配置還是通訊協議的一致性方面，西門子無線傳輸方案非常適合電鏟的特殊工況?？狗蹓m、抗震動效果優異，故障率低，故障排查難度低。運行可靠穩定，是目前最理想的一種上下車傳輸技術。