工業無線技術IPCF協議漫游通訊在挖掘機上的應用

岳海峰

（1.礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室， 山西 太原 030024； 2.太原重工股份有限公司技術中心，山西 太原 030024）

1 常規點對點無線傳輸在設備應用中存在的問題

對于大型旋轉設備，如礦用挖掘機相對固定部分與旋轉部分間的電氣信號連接大致有集電環形式與目前采用的無線傳輸方式兩種。集電環信號傳輸又有信號環和通信環兩種，前者一個環傳輸一個信號，受空間限制，傳輸數量不高，且碳刷與銅環接觸磨損故障率相對較高，后者可以通過通訊環傳輸通訊數字信號，容量較前者大很多，但由于傳輸信號電壓較低，傳輸頻率接近噪聲頻率，在挖掘機變頻驅動存在極大電磁噪聲干擾環境下，對集電環工藝要求很高，且無法避免接觸磨損。工業無線采用信號無接觸式傳輸，傳輸頻段在2.4 GHz以上，相對傳輸信號容量大，數字量、模擬量信號都可以傳輸，隨著設備智能化、信息化功能增多可以滿足越來越多的信號有效傳輸。挖掘機作業環境差，灰塵大，震動強烈，存在油污污染，設備旋轉角度不定，旋轉速度變化大，由于結構的設計無法滿足無線天線的始終可見性，在實際應用中發現單一的點對點傳輸也存在些問題需要針對性解決。單一的多增加天線，天線的長度越大信號衰減量也大，增加天線可能無效，相反的情況在設備運轉中某一位置信號強度超過一定值產生的振聾效應也會使信號傳輸失敗。控制信號要求實時性強，信號傳輸百毫秒級中斷會造成設備的非正常損壞甚至安全問題。為了能夠更加可靠穩定傳輸控制信號，提高系統的穩定性，采取新的設計策略。

2 新的挖掘機無線傳輸方案規劃以及硬件配置

挖掘機下部設置一個信號點Profinet IO站點，客戶端采用一個6DB全向天線，通過3 m天線連接線連接至客戶端接口。挖掘機上部平臺左側潤滑室Profinet IO站點設置一個AP接入點，通過5 m天線連接線接至平臺下表面6DB全向天線，挖掘機上部平臺右側PLC柜設置一個AP接入點，通過5 m天線連接至平臺下表面6DB全向天線。2個AP與下部客戶端呈布置，上部平臺全向天線朝下，下部全向天線朝上。天線安裝位置盡量避開遮擋，最大可能實現AP與客戶端的可視傳輸，另外天線具有極性區分，無線信號發射端與接收端盡量保持相同極化方向，未接天線的模塊一端需要增加50 Ω終端電阻，見圖1。

圖1 具備IPCF漫游功能的無線傳輸配置

新方案采用IPCF通訊協議的漫游方式，以解決挖掘機在旋轉作業中無線天線相對位置的變化下信號的穩定可靠聯接。漫游是指客戶端在移動過程中從前一個相連的AP斷開，連接到另一個AP的過程。在這個切換過程中，數據是不能進行傳輸的，所以漫游時間是越短越好。相對于DCF協議（分布式協調功能協議，DCF是基于CSMA/CA的隨機競爭接入方式），iPCF（點協調功能）協議中，訪問接入點（AP）控制著客戶端的通信，這樣就避免了沖突，并且數據傳輸間隔是確定性的。客戶端在兩個AP之間漫游的情況下，漫游時間低于50 ms。

3 項目實施現場信號勘測與設備安裝（見下頁圖2）

項目實施現場應用工業無線產品，首先要了解現有的無線環境。目前的工業無線開放了2.4 GHz和5 GHz兩個頻段資源來使用。2.4 GHz頻段一個信道占22 MHz，每個信道步進5 MHz，可用無干擾信道只有3個，現場如果有無線發射、WIFI路由、藍牙甚至微波爐信號可能會造成同頻信號疊加，導致信號丟失，是否必需使用2.4 GHz頻段根據項目現場確定。5 GHz頻段一個信道占20 MHz，每個信道步進5 MHz，可用無干擾信道多大9個，如需現場協調可與用戶協商使用。建議使用5 GHz頻段，頻段可選擇數更多，被其他WLAN設備干擾的概率更低，但信號穿透能力更弱。本項目施工現場應用軟件Analyzer測試后得知現場有2.4 GHz信號信道，無5GHz信道使用，因此挖掘機應用5 GHz頻段9個信道中2個信道，并做相關的備注。

圖2 挖掘機現場信號勘測與設備安裝

挖掘機2個AP和一個客戶端均采用柜體內安裝，天線饋線2.4 GHz應用時信號衰減度為0.55 dB/m，5GHz應用時信號衰減度為0.88 dB/m，盡可能避免不必要的損耗，天線饋線夠用即可。控制系統中信號強度在-65～-40 dB最好，過高的信號強度會帶來過增益，極端情況下可能會造成芯片損傷。挖掘機首次應用時初步布置天線位置，參數設置完成后應旋轉設備，根據所接收到的信號強度（分貝數）檢查是否需要調整全向天線位置，使其滿足要求。

4 項目軟件參數配置

該項目包括2個型號W774-1RJ45的AP接入點，和1個型號為W734-1RJ45客戶端，先分別對AP和客戶端進行基本參數的設置，然后激活iPCF漫游功能。

首先通過以太網電纜連接已經上電的AP，使用IP地址分配軟件通過筆記本網卡搜索，找到硬件默認IP地址為0.0.0.0，根據項目實施組態進行IP分配。本項目挖掘機采用的是S7-1500產品PLC，現場總線為Profinet通訊，IP分配為192.168.0.31。然后在IE瀏覽器中打開192.168.0.31，進入初始頁面，根據向導設置項目參數。由于本項目有2個AP接入點，設置第一個AP名稱“System Name”為AP1，產品使用國家選項“Country Code”根據需要選擇，涉及到相應國家對工業無線信道的使用情況。設置天線“antennas”選項，選擇同類型天線增益最大的型號，“Cable Length[m]”設置為10，以獲得額外的發射功率增益（實際的發射功率會超過20 dB，每增加3 dB功率增加一倍）。如果有需要，還可以通過人為設置額外衰減“Additional Attenuation[dB]”來進一步加大發射功率，例如設置為3 dB。若所設置的天線與要求的功率不符，有警告提示可酌情修改發射功率，直到合理為止。設置完天線后進入“Basic”頁面，啟用5 GHz時使用802.11.a模式，啟用2.4GHz時使用802.11.g模式。本項目使用5 GHz，每一個AP設置一個信道，結合之前對無線環境的勘測，設置AP1使用36信道。最后在“security”中根據需要設置AP的連接密碼【1】。AP2的設置只需重復上述步驟，將AP2的 IP地址分配為 192.168.0.32，在“System Name”名稱改為AP2，設置AP2使用40信道，其他設置均相同。

客戶端Client的設置同樣首先分配IP地址，本項目設置為192.168.0.33，進入天線設置頁面，名稱更改方法、國家選擇以及客戶端天線頁面設置方法與AP一致。“SystemName”設置為Client，如客戶端只有一個天線，第二個天線接口選擇50Ω的電阻。“Allowed Channels”勾選 AP的 36、40信道，指定信道連接可以節省自動搜索時間，有助與漫游交接時間縮短。“Roaming Threshold”（漫游閾值）,選項 high為信號強度相差大時切換到強度高的AP，medium為中度，low為輕微的強度差就會切換到高強度的ap，本項目設置為medium。

設置完成后，將 AP1、AP2、Client的“ifeatures”選項中的IPCF激活【2】，然后進行傳輸信號測試。

5 項目無線應用的實施效果驗證及注意事項

初步布置天線位置以及天線饋線的長度后，需要通過應用效果驗證是否能夠達到無線信號傳輸的較理想狀態，總能夠保持在-40～-65 dB。連接客戶端 Client，打開 Interfaces>WLAN 的“Signal Recorder”頁面，設置采樣時間間隔100 ms，樣本數據10000點【3】。首先測試在只有一個AP1接入點的情況下信號在挖掘機360°的旋轉中最低功率-75 dB，且丟包率高，出現通信中斷現象，這與客戶端采取了一定的防護遮擋有關。啟動2個AP接入點，支持iPCF漫游功能后，靜態下的信號傳輸見下頁圖3，旋轉挖掘機信號測試見下頁圖4。

靜態為挖掘機如圖2所示位置下，AP1與Client之間進行數據交換，AP1發出信號強度-55 dB，Client接收信號強度-50 dB，信號穩定無丟包。720°旋轉信號測試，圖4中橫軸960 s后客戶端更改了接入點（漫游），通過黑色豎線進行顯示。切換閾值為-65 dB，切換后幅值為-50 dB。整個一周客戶端Client接收信號強度不超過-40 dB，最小值-65 dB，在不同位置下AP1、AP2間實現切換漫游。達到了使用的理想指標范圍，實現了信號傳輸的可靠性。

圖3 靜態下信號測試

圖4 旋轉動態信號測試

6 結論

本項目首次在大型礦用挖掘機上應用工業無線IPCF漫游通訊技術，實現上部旋轉部分與下部相對固定部分間電氣元件控制信號的可靠傳輸，在工業環境灰塵大、油污大、天線在作業范圍內存在不可見盲區條件下，通過合理的前期環境判別、天線以及饋線的有效布置、可見的信號強度評估能夠將控制信號的聯接強度保持在-40～-65dB，實現客戶端在兩個接入點間的漫游通信，解決了以往工業無線一對一發射與接收在挖掘機作業回轉移動中信號傳輸中斷的問題。相對于傳統的集電環方式，在信號傳輸數量與傳輸物理通路的抗干擾性上具有很大的優勢。