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摘要：為滿足電解鋁廠數(shù)字化和智能化的功能需求，在電解車間強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下建立穩(wěn)定的工業(yè)數(shù)字化無(wú)線通信系統(tǒng)，介紹了工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)在電解鋁廠天車通信系統(tǒng)上的應(yīng)用，并對(duì)項(xiàng)目實(shí)施中的重點(diǎn)進(jìn)行了分析和探討。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)電磁場(chǎng)；電解鋁廠；無(wú)線通信；無(wú)線局域網(wǎng)；天車通信

1引言

近年來(lái)我國(guó)無(wú)線通信技術(shù)得到了迅猛地發(fā)展，利用無(wú)線電波將計(jì)算機(jī)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行有效的連接，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)各類信息的有效傳遞，并成功地解決了遠(yuǎn)距離傳輸、電纜敷設(shè)困難、地形環(huán)境惡劣等傳統(tǒng)通信無(wú)法克服的一系列問題。隨著無(wú)線電通信技術(shù)中數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸容錯(cuò)、檢錯(cuò)等技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線通信的可靠性和穩(wěn)定性都得到了極大地提升，工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用。同時(shí)，無(wú)線局域網(wǎng)通信技術(shù)具有安裝方便、靈活性強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，是繼現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)之后工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的又一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)。特別是近幾年，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域當(dāng)中無(wú)線局域網(wǎng)在各種復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中得到了廣泛地應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)很多：（1）建設(shè)成本低，無(wú)須敷設(shè)大量通信電纜和搭建電纜橋架，只需在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備旁安裝無(wú)線采集設(shè)備；（2）具有良好的可擴(kuò)展性，監(jiān)控中心除了和本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)通信外還可以讓其它的網(wǎng)絡(luò)或節(jié)點(diǎn)通信接入；（3）維護(hù)簡(jiǎn)單、采集數(shù)據(jù)精確快捷、安裝接線容易；（4）在環(huán)境較惡劣的環(huán)境下也能使用；（5）功耗低，所有系統(tǒng)設(shè)備均采用低功耗設(shè)計(jì)，節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

2工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用前景

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)技術(shù)革新力度的加大，越來(lái)越多的鋁廠開始對(duì)自身原有的設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化、信息化和智能化改造。以鋁廠的電解車間為例，電解多功能智能天車是電解生產(chǎn)的重要設(shè)備之一。其主要功能有：打殼、加料、換極、出鋁等，在工作中需要頻繁移動(dòng)，難以布設(shè)通信和控制電纜。以往，每臺(tái)電解多功能智能天車每班均配有1名天車司機(jī)，操作時(shí)需要與地面操作工語(yǔ)言溝通，人工完成上述操作，生產(chǎn)效率較低。因此，提高電解多功能智能天車的生產(chǎn)效率，取消人工操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和有效可靠的通信，成為生產(chǎn)過程中急需解決的問題。電解車間為復(fù)雜的強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境，以筆者單位設(shè)計(jì)的NEUI500型電解槽為例，電解槽操作平面的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為420Gs，多功能智能天車軌道的操作面的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度約為120Gs。因此，需要有一種既能夠在復(fù)雜強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下穩(wěn)定工作，又具備靈活的、可移動(dòng)性的通信方式。如何在復(fù)雜強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的通信和控制，成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。經(jīng)過論證，選擇應(yīng)用工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電解多功能智能天車與控制中心之間的通信。

3系統(tǒng)的組成

3.1無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)

影響通信距離的因素挺多，主要取決于所用頻率、天線類型和增益、安裝環(huán)境，設(shè)備的可靠性，接收靈敏度和發(fā)射功率等。經(jīng)過比選，選擇西門子工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。西門子工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于通用的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11，可適用于2.4GHz的網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)無(wú)線漫游，輪詢監(jiān)控，IP監(jiān)控，無(wú)線鏈接的可預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)流和確定響應(yīng)時(shí)效，借助于WPA網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制來(lái)控制整個(gè)128位碼的正常交換，根據(jù)進(jìn)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）進(jìn)行編碼，并與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11兼容，保證了授權(quán)信息的安全性和可讀性，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的PROFINET通信。通過SIEMENS的自動(dòng)路由及相關(guān)技術(shù)，IWLAN可以使電解多功能天車的控制網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫、實(shí)時(shí)集成到工廠的PROFINET控制網(wǎng)絡(luò)之中，實(shí)現(xiàn)電解多功能天車與電解儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)、凈化以系統(tǒng)及槽控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信要求。

3.2無(wú)線AP

在本項(xiàng)目中，整個(gè)系統(tǒng)由電解儲(chǔ)運(yùn)、凈化以及槽控系統(tǒng)、電解多功能天車的控制站和無(wú)線以太網(wǎng)模塊組成。無(wú)線模塊一端為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，另一端為工業(yè)以太網(wǎng)接口，接入控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。在無(wú)線局域網(wǎng)覆蓋范圍中，多臺(tái)電解多功能天車控制站的接入端都可在無(wú)線信號(hào)覆蓋區(qū)域中自由移動(dòng)，并能夠?qū)崟r(shí)交換數(shù)據(jù)。無(wú)線通信AP模塊采用西門子SCALANCEW788-1RJ45，天線采用西門子ANT793-6MN。為了遠(yuǎn)離電磁場(chǎng)，將無(wú)線通信模塊的控制箱安裝在電解車間廠房的最上部。無(wú)線通信AP模塊的電源采用開關(guān)電源進(jìn)行隔離，通信網(wǎng)絡(luò)采用光纜，并設(shè)置光電轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換，所有的元器件都放置在全封閉的控制箱內(nèi)，用來(lái)屏蔽外部的電磁場(chǎng)干擾。只有通信天線安裝在外部，發(fā)送和接收無(wú)線信號(hào)，只要電磁強(qiáng)度不發(fā)生劇烈變化，對(duì)無(wú)線信號(hào)的影響可以忽略不計(jì)。西門子SCALANCEW788-1RJ45的防護(hù)等級(jí)為IP65，工作環(huán)境為-20℃~+60℃，通過屏蔽保護(hù)方式可以適應(yīng)目前的電磁場(chǎng)環(huán)境。在電解車間廠房的形狀扁，長(zhǎng)度比較長(zhǎng)的情況下，我們?cè)O(shè)置多個(gè)AP實(shí)現(xiàn)了電解車間的全覆蓋，并考慮了電解多功能天車上的線接入點(diǎn)client從一個(gè)AP跳到另一個(gè)AP的時(shí)候的跳頻接入情況。其系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

3.3無(wú)線接入點(diǎn)client

電解多功能天車的控制站的無(wú)線接入點(diǎn)client，采用西門子SCALANCEW748-1RJ45，天線采用西門子ANT793-6MN。為了保證信號(hào)的接收和發(fā)送達(dá)到最大可能，天線設(shè)置電解多功能天車的最高點(diǎn)，與無(wú)線通信AP模塊的天線處于同一個(gè)水平面上，并且四周沒有遮擋。另外，考慮到設(shè)備接收無(wú)線信號(hào)會(huì)因環(huán)境因素出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，一旦信號(hào)連接質(zhì)量降低，能夠自動(dòng)切換為低數(shù)據(jù)傳輸速率。

4存在問題和解決方法

系統(tǒng)測(cè)試過程中，工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)工作很穩(wěn)定，網(wǎng)內(nèi)Ping值也在5ms以內(nèi)。當(dāng)電解多功能天車上的無(wú)線接入點(diǎn)client從一個(gè)AP跳到另一個(gè)AP時(shí)，出現(xiàn)次數(shù)最多的問題是跳頻，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延時(shí)較大，網(wǎng)內(nèi)Ping值會(huì)高達(dá)100ms。前期系統(tǒng)沒有配置網(wǎng)絡(luò)平衡的情況下，接入AP之間還會(huì)發(fā)生震蕩，client不停地在兩個(gè)AP之間跳動(dòng)接入，加劇網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)包丟失。經(jīng)過兩個(gè)方面的程序優(yōu)化后，滿足無(wú)線通信要求：（1）減輕和均分無(wú)線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，在滿足工藝要求的條件下，盡可能地增大通信數(shù)據(jù)的發(fā)送間隔，不要在同一時(shí)間點(diǎn)去發(fā)送大量的數(shù)據(jù)；（2）讓數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后再經(jīng)過無(wú)線傳送。另一個(gè)問題是對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。一旦系統(tǒng)或者設(shè)備發(fā)生故障，需要分析出究竟是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)造成的故障或是其他原因。雖然控制系統(tǒng)PLC可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)子站是否丟失進(jìn)行診斷，但是網(wǎng)絡(luò)子站丟失基本上都是上百ms的通信延時(shí)后才會(huì)發(fā)現(xiàn)丟失。在對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)性要求比較高的應(yīng)用中，有時(shí)候幾十ms的信號(hào)延時(shí)就有可能造成設(shè)備工作的異常。因此在做選型設(shè)計(jì)的時(shí)候還是要進(jìn)行綜合考慮。關(guān)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度的分析，西門子的客戶端集成了信號(hào)強(qiáng)度記錄功能，可以在客戶端的移動(dòng)過程中把信號(hào)強(qiáng)度記錄下來(lái)，并以圖形化的方式在SCADA系統(tǒng)中顯示。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度記錄和保存，還有一些無(wú)線的分析軟件工具可以幫助分析，如Fluke提供的AirMagnetSurvey無(wú)線網(wǎng)絡(luò)勘察驗(yàn)收工具等。對(duì)于工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，信號(hào)質(zhì)量非常重要，而信號(hào)質(zhì)量主要取決于安裝環(huán)境和天線，不同的應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)條件決定著各自的安裝方式千差萬(wàn)別，有一些經(jīng)驗(yàn)原則可供參考：（1）盡可能讓接收發(fā)送天線可直視，無(wú)遮擋。（2）注意天線的安裝方向。譬如柱狀的全向天線，其電波發(fā)射方向是主要是垂直于天線軸的水平方向。（3）對(duì)于不確定的場(chǎng)合，建議天線安裝在可調(diào)節(jié)的支架上，這樣方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)，而如果是固定的如焊接死的支架，調(diào)整會(huì)很困難。（4）無(wú)線信號(hào)也不是愈強(qiáng)愈好，最好維持在手冊(cè)里給出的值之間。（5）利用客戶端的信號(hào)強(qiáng)度記錄功能，查看在整個(gè)運(yùn)行過程中哪些區(qū)間信號(hào)薄弱，哪些區(qū)間信號(hào)過強(qiáng)，調(diào)整后再作對(duì)比。

5結(jié)論

該系統(tǒng)自投入運(yùn)行后，通信非常穩(wěn)定，并且經(jīng)過了雷雨等天氣的考驗(yàn)。通過無(wú)線通信和控制系統(tǒng)的配合，在控制中心實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程故障診斷，提高了維護(hù)效率。同時(shí)，工藝中各環(huán)節(jié)真正緊密結(jié)合在一起，為生產(chǎn)提供了有力保障，提高了生產(chǎn)效率。無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)在強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下的成功應(yīng)用，為解決這類問題提供了一個(gè)新的方法。

作者：方運(yùn)濤 劉柯楠 魏迎春 單位：東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司