西門子IWLAN在WK礦用挖掘機上的應(yīng)用★

吉孟蘭

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 0300024）

1 技術(shù)背景

WK礦用挖掘機是用于大型露天礦用來采礦、剝巖的設(shè)備，主要由上部工作裝置（包括提升、推壓、回轉(zhuǎn)三大機構(gòu)）和下部移動部分（行走機構(gòu)）組成。通過提升、推壓鏟斗挖掘物料后，回轉(zhuǎn)至一定角度卸料，移動時靠履帶行走。WK礦用挖掘機驅(qū)動系統(tǒng)采用目前先進的交流變頻技術(shù)，控制系統(tǒng)為Siemens S7-1500系列。上部工作部分與下部移動部分的電氣連接通過安裝在中央樞軸處的集電環(huán)，其中有控制信號環(huán)12個。電信號通過碳刷與固定的銅環(huán)滑接，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部件的電氣連接。接線簡單但由于振動大且易發(fā)生接觸不良打火花，需要定期的維護，需更換碳刷、碳刷壓簧等。圖1是運行中回轉(zhuǎn)裝車的挖掘機，圖2是集電環(huán)結(jié)構(gòu)的局部。

圖1 工作中的挖掘機

圖2 集電環(huán)局部

隨著挖掘機產(chǎn)品智能化、信息化水平的提升，下部行走機構(gòu)的檢測、保護傳感器增加，對于驅(qū)動系統(tǒng)電機溫度、軸承溫度、自動排纜裝置控制、潤滑點檢測、氣壓檢測等信號成倍增加。由原來的12個開關(guān)量信號增至目前開關(guān)量信號20個，模擬量信號12個，特別是模擬量信號受變頻驅(qū)動電機電源的干擾嚴(yán)重，原有的集電環(huán)在空間的局限性上以及傳輸信號的抗干擾上都已不能滿足要求。

2 IWLAN技術(shù)特點

工業(yè)無線通訊，簡稱IWC，涵蓋了西門子用于工業(yè)通訊的三種無線通訊的解決方案：工業(yè)無線遠(yuǎn)程通訊、工業(yè)無線局域網(wǎng)IWLAN和WirelessHART。其中IWLAN用于控制器之間、HMI或者I/O系統(tǒng)之間通訊的本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，支持PROFINET協(xié)議以及自動故障防護的PROFIsafe協(xié)議，實現(xiàn)固定節(jié)點間、移動節(jié)點間的高數(shù)據(jù)傳輸速率的實時控制與監(jiān)控。與目前使用的S7-1500現(xiàn)場總線PROFINET無縫銜接。傳輸速率和可靠性與其他同類型對比見下頁圖3，IWLAN技術(shù)遵循WLAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11n的多入多出（MIMO）較單入單出（SISO）允許更高的帶寬，擁有更高的可靠性，最高達(dá)450 Mbps。

圖3 IWLAN 速率與應(yīng)用范圍

即使IWLAN本身具有很多優(yōu)點，應(yīng)用于挖掘機還需要很多特殊的設(shè)計和考慮。知道挖掘機露天野外作業(yè)，灰塵大、振動強烈，電氣元件特別是布置在室外的都必須滿足振動要求大于10 g，防塵防水IP65以上。根據(jù)這些要求選用了IWLAN產(chǎn)品中SCANLANCEW748-1、SCANCELANCE W788-1 組成點對點通訊對[1]。SCALANCE W系列產(chǎn)品滿足極端環(huán)境應(yīng)用要求，帶寬高450 Mb/s，金屬外殼IP65防護，抗振東、抗紫外線、工作頻率2.4GHz或5.0 GHz，抗EMC干擾。360°全向天線實現(xiàn)可靠的無線覆蓋，快速漫游功能實現(xiàn)PROFINETI/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

3 挖掘機IWLAN通訊實施方案

在挖掘機下部底架梁增加IP56低壓控制箱1個，控制箱內(nèi)設(shè)置ET200MP遠(yuǎn)程站點，客戶端W748-M12也安裝在低壓控制箱內(nèi)，其RJ45接頭連接柜內(nèi)ET200MP遠(yuǎn)程I/O站點PROFINET接口。該站點作為下車信號的控制站，原經(jīng)滑環(huán)傳輸?shù)男盘柸考械奖镜卣军c。全向天線通過連接電纜引出柜外固定，設(shè)計單獨的防油污安裝支架。上車接入點W788-M12安裝在有S7-1500的PLC柜內(nèi)，其RJ45接頭連接至SCLANCE X208交換機，通過交換機與1500PLC通訊[2]，全向天線也通過電纜引出PLC柜外。系統(tǒng)組成圖見圖4。

圖4 IWLAN通訊系統(tǒng)組成

挖掘機下車控制信號通過IWLAN實現(xiàn)通訊，解決了挖掘機智能化、信息化要求下，傳感器增加帶來的集電環(huán)高度受限的關(guān)鍵問題，由于IWLAN的功能強大，對于挖掘機的開關(guān)量以及模擬量信號的傳輸完全滿足，可以認(rèn)為沒有限制。對于寒冷潮濕工況下應(yīng)用，要在下部低壓控制箱內(nèi)增加自動加熱除濕系統(tǒng)。對于高熱環(huán)境下應(yīng)用，要在控制箱內(nèi)增設(shè)自動溫度控制散熱系統(tǒng)。基本上滿足目前所有應(yīng)用工況的使用，包括海拔5 400 m的西藏高原。

挖掘機工作環(huán)境多數(shù)極端惡劣，灰塵大，空氣潮濕或者飄雪的工況下，長時間的運行可能會造成雪與灰塵結(jié)合成泥附著在發(fā)射天線上，附著層厚6 mm以上會導(dǎo)致信號在最遠(yuǎn)距離端減弱，跳動，需要定期（1次/月）維護信號天線。如果集電環(huán)再設(shè)計4個屏蔽的PROFINET通訊環(huán)，構(gòu)成一條有線連接，連接下車ET200MP和PLC柜內(nèi)交換機做冗余設(shè)計，見圖5。利用環(huán)網(wǎng)的通訊優(yōu)點，挖掘機上下車通訊發(fā)生故障的概率大大降低。

圖5 PROFINET冗余設(shè)計

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的集電環(huán)信號的傳輸存在碳刷磨損、跳槽、維護量大的缺點，在信息量大的傳輸方面又受空間的局限。無線局域網(wǎng)IWLAN技術(shù)，特別是采用PROFINET協(xié)議與控制器PLC可以直接通訊，省去中間轉(zhuǎn)換設(shè)備，在安裝使用方面，提高設(shè)備完好率，降低設(shè)備維護時間，創(chuàng)新的冗余設(shè)計和原有的設(shè)計方式相比，無疑該設(shè)計方案是相當(dāng)完美的。從已經(jīng)投產(chǎn)的挖掘機產(chǎn)品上的使用情況來看，使用IWLAN的改進設(shè)計取得了設(shè)計預(yù)期的效果，獲得了用戶的認(rèn)可。同時前期設(shè)備的改進需求不斷增加，升級為WLAN信號傳輸與原有設(shè)備無任何沖突，可行性強，安裝簡便。