無線控制技術在鐵路敞車翻車機系統上的應用研究

夏錢平，熊光寶

（中國電建集團武漢重工裝備有限公司，湖北 武漢 430064）

1 前言

鐵路敞車翻車機系統是一種大型、高效的機械化卸車設備，用于翻卸鐵路敞車運載的煤炭、鐵礦石、糧食等散裝物料，廣泛應用于電力、鋼鐵、港口及大型物流中心等行業領域。目前，大多數翻車機控制系統采用的是傳統硬接線有線控制，存在著監控點數量多、集成難度高、布線復雜、安裝調試運維工作量大等諸多問題。

翻車機系統各移動部套與中央控制系統的控制電纜為柔性拖纜電纜，電纜穿過電纜滑車沿軌道伸縮，從而達到來回移動目的。現場工況往往比較惡劣，致使拖動電纜滑動的電纜滑車極易損壞，當電纜滑車故障時極易造成電纜擠壓后控制電纜線破皮，造成電纜接地或控制信號線拽斷；另一方面，由于采用柔性電纜，電纜隨著設備頻繁行走，造成電纜內部的控制信號線絕緣降低，出現信號時有時無現象，嚴重情況下甚至會發生斷芯現象，加重了設備檢修人員故障查找和處理難度。而采用無線控制技術，不僅能較好地解決上述問題，還能保證設備安全穩定運行，降低設備維護人員的勞動強度，提高設備現場管理水平。

2 翻車機無線控制系統總體設計

翻車機無線控制系統采用無線和總線遠程控制方式，無線方式用于需要移動部分的設備，總線方式用于固定敷設的設備。PLC 采用分站式布置，分為PLC 主站、翻車機本體分站、重調機分站、空調機分站、遷車臺分站，主站設置在主控室，各設備分站設置在相應設備上。PLC主站上采用無線發射器為SCALANCEW788-1PRO，翻車機本體、重調機、空調機、遷車臺分站采用的無線接收器為SCALANCE W744-1PRO，無線發射器與無線接收器之間的通訊采用IEEE 8.211h 標準；頻帶為2.4GHz 或5GHz，數據傳輸速率最大為54Mbit/s（圖1）。

圖1 翻車機系統各設備無線控制系統組成

在翻車機本體、重調機、空調機、遷車臺各設備上分別布置1 臺機上控制箱，控制箱內布置1 套主控制器及擴展模塊、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊，電源、端子（端子排留有10%裕量）、空開、從模塊、通信從模塊等。在電纜滑車軌道的一端布置1 臺地面站控制箱，箱內布置1 套主模塊、通信主模塊等。機上控制箱與地面站控制箱之間布置控制電纜滑纜上機，布置于電纜滑車上。翻車機PLC 控制柜至電纜滑車軌道的一端地面站控制箱之間布置1 根單模鎧裝光纖，翻車機配電室控制柜至地面站控制箱之間依靠光纖通信。地面站控制箱與機上控制箱之間依靠數字無線方式和控制電纜方式實現通訊，且互為備用。

工作時，PLC 分站接收到的信號，如按鈕、設備的行程限位、轉角或位移的計數等，信號通過無線控制網模塊送入PLC 主站，在經過主站內的CPU 按邏輯運算后，再將運算結果通過以太網模塊傳給無線發射器以無線信號的形式發出，隨后與設備分站相連接的無線接收器及與翻車機本體分站相連接的翻車機本體無線接收器都可以無線方式接收到主站發出的信號，通過各自相連接的以太網模塊傳送到各分站上連接的設備（圖2）。

圖2 翻車機無線信號輸入

3 翻車機系統無線控制技術要點分析

3.1 無線頻段選擇

無線頻段選擇作為重中之重，選擇免費頻段可在后期維護上省掉其它費用支出。因此，在實際測試過程中先后選擇了433MHz、950MHz、2.4GHz、5.8GHz 等頻段，950MHz 以下屬于窄帶傳輸，無法滿足工業控制中的快速響應需求。目前，國際上普遍采用的是2.4GHz 和5.8GHz微波頻段。無線電波的物理特點是頻率越低波長越長，傳播過程中的損失越小，覆蓋的范圍越廣，也更容易繞過障礙物；頻率越高，則覆蓋范圍就越小，更難繞過障礙物。考慮到翻車機屬于移動設備，現場遮擋較多，5.8GHz 頻段針對移動設備優化小，移動丟包率極其嚴重；2.4GHz頻段穿透力要強于5.8GHz 頻段，且在降雨環境下信號衰減較低，在16mm/h 的雨量下，雨衰為0.06dB/km。經現場鏈路測定頻譜，在2.4GHz 范圍內頻率段占有率較低，通道擴容性非常好，故選用該段頻率作為主傳輸頻率。

3.2 天線增益選擇

在無線和射頻領域，天線及饋線選型作為衡量硬件性能指標的重要參數。正確地設計天線及饋線系統，是確保無線信號傳輸質量的最重要環節。傳輸計算的目的在于事先掌握地理環境資料、傳輸條件、合理地配置天饋線系統，以期用經濟的開銷，取得滿足要求的傳輸質量。在鐵路敞車翻車機設備上，為確保無線信號360°無縫覆蓋，中心站與終端站最好選用18dB 高增益的360°全向天線。

3.3 硬件選型

翻車機系統調車設備戶外工作，振動強度大，環境惡劣，對硬件要求一般要求比較高。在實際選型中，無線控制裝置需滿足以下要求：

（1）溫度補償：內置溫度補償專用電路，使得無線模塊在-20 ～60℃極限環境下正常工作，滿足國內大部分地區環境要求。

（2）防浪涌電路：模塊內置防浪涌電路，方式因雷電天氣而造成的損壞，進一步提升設備穩定性和適用性。

（3）寬電壓設計：采用24VDC 安全超低電壓，支持直流19.2 ～28.8V 電壓電源輸入，可在電壓波動較大的電網內穩定工作。

（4）高防護設計：防護等級需滿足IP65 標準，選用不銹鋼或聚合物材質的控制箱，適合潮濕、多塵、等極 端環境，一切措施均以穩定可靠為前提。

（5）高穩定性，在40℃環境溫度下，平均故障間隔時間為61.85 年，具備極高穩定性。

4 無線傳輸信號高速安全穩定保障措施

無線介質不像有線介質那樣處在一種受保護的傳輸環境之下，在傳輸過程中，它常常會衰變、中斷和發生各種各樣的缺陷，如何能保證無線傳輸信號的高速安全穩定傳輸是為重中之重，只有安全穩定，才有使用無線控制技術的意義。為此在翻車機無線控制系統中我們采用以下方式保證通訊的高速安全穩定。

（1）多種冗余技術，使系統能依靠事先設計的自動恢復程序將斷開的網絡鏈路重新鏈接起來，并將故障進行隔離。在設備發生故障時能夠提供報警、自動覆蓋、快速恢復等功能。硬件線路上保留光纖鏈路通訊，無線網絡上借助“工業并行冗余協議”（iPRP），使用PRP 技術。PRP 網絡包含兩個完全獨立的網絡，如果其中一個網絡中斷，則會通過并行冗余網絡發送幀，且不會中斷/無需進行重新組態。具備PRP 功能的設備至少有兩個獨立的以太網接口，這些接口分別連接于獨立的網絡。憑借并行傳送，當一個無線鏈路的傳送中斷時，可由另一個無線鏈路進行補償。

（2）iREF（工業范圍擴展功能）技術。若一個接入點有多根已激活的天線，則發射功率被平均分配到這些天線上。iREF 可確保用最適合的天線來處理接入點和每個獨立客戶端之間的數據通信，最適合的天線由接入點根據所接收數據包的RSSI 值來確定。考慮到天線的增益和可能的電纜損耗，數據包只通過可讓客戶端獲得最大信號強度的天線發送。

在此期間，其它天線停用，法律允許的發射功率僅適用于所選天線。停用的天線不會限制允許的發射功率。由于采用定向數據傳輸和動態停用不向該特定客戶端方向發射信號的天線，因此可減少干擾。除此之外信號強度也會提高，因為激活天線總是能分配到最大允許發射功率。

（3）無線通訊模塊驗證和加密技術，兩通訊設備之間的安全設置必須相匹配，才允許客戶端和接入點進行通訊，任何第三方設備無法進行通訊連接。其中可使用提供最高的安全性的WPA2/AES 加密，該加密方式可防止濫用WPA2(RADIUS)/WPA2-PSK 密碼，這個密鑰僅僅用于認證過程，而不用于傳輸數據的加密。數據加密的密鑰是在認證成功后動態生成，系統將保證“一戶一密”，極大提高了系統的安全性。

5 翻車機系統無線控制技術優勢

相比于傳統的有線控制方式，翻車機系統無線控制技術為系統設備之間的通信提供高帶寬的無線數據鏈路和靈活的網絡拓撲結構，在一些特殊環境下有效地彌補了有線控制的不足，進一步完善了工業控制網絡的通信性能。

（1）無線控制技術結構簡單，經濟型強。傳統有線控制需根據現場情況設置母線槽、電纜橋架、電纜穿管等，布線數量多、路徑復雜，施工難度大、周期長。還需要根據運行環境選擇耐高溫、防爆、阻燃等要求的電纜、橋架隔板，考慮防火封堵。線路系統安裝、查線、調試需要花費大量時間，維護與更換復雜，費用較高，影響設備建設工期。另外，控制電纜長期運行面臨著電纜老化、腐蝕破損等其他自然或人為損壞因素。而使用無線控制技術后，可簡化設計、施工、調試、運行維護等流程，使工程耗時大大縮短，節省了大量人力和財力。

（2）應用的無線控制技術可隨時升級擴容，擴展性高。無線控制網絡具備良好的升級擴展性能。因系統需要升級新增設備時，如果采用有線的方式，需要重布新線，施工比較麻煩，而且還有可能破壞原來的通信線路。如果采用無線通信模塊建立專用無線數據傳輸方式，只需將新增設備與無線通信模塊相連接就可以實現系統的擴充，具有更好的擴展性，且避免二次施工所帶來的費用支出。

（3）無線控制+光纖冗余的分布式架構，安全性高。通訊架構采用無線控制+光纖冗余的分布式架構，設備運行過程中優先使用無線通訊網絡，當檢測到無線通訊網絡信號不滿足設備運行需求時自動切換至有線光纖傳輸系統，避免設備因通訊問題而發生停機故障。另一方面，無線通訊模塊之間通訊使用驗證和加密，兩通訊設備的安全設置必須相匹配，才允許客戶端和接入點進行通訊，任何第三方設備無法進行通訊連接。采用最高的安全性的WPA2/AES 加密，該加密系統將保證“一戶一密”，不存在像WEP 那樣全網共享一個加密密鑰的情形。以上各種措施為設備的安全運行提供有力保障，并使得該無線控制系統具有極高的安全型。

（4）合理使用無線控制策略，系統穩定性強。應用的無線通訊系統借助“工業并行冗余協議”(iPRP)，可在無線網絡中使用PRP 技術。使用IPRP 可通過兩個無線鏈路并行傳送PRP 幀。憑借并行傳送，當一個無線鏈路的傳送中斷時，可由另一個無線鏈路進行補償，增加無線通訊的可用性。再者無線通訊AP 端和客戶端采用工業范圍擴展功能（iREF），動態停用較低增益的天線，確保用最合適的天線來處理二者之間的數據通訊，從而減少干擾，提高信號強度。采用合適的控制策略均保證了無線系統的穩定性。

6 結語

翻車機無線控制技術已成功用于多個項目中，效果良好。采用無線通訊的部套間控制響應速度高速穩定，設備運行期間產生的抖動對無線控制系統未造成任何影響。相較于有線拖纜，翻車機系統采用無線控制技術后故障率降低，維護成本也大幅降低。翻車機無線控制技術具有控制方便、造價低廉、施工快捷、運行可靠、維護簡單等優點，在大型電力裝備中具有廣泛的推廣應用價值。