（中材建設有限公司，河北唐山 064000）
摘 要：本系統(tǒng)采用無線PROFIBUS-DP網(wǎng)絡通信技術，通過利用無線藍牙技術將工廠自動化控制系統(tǒng)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)鏈進行傳輸和交換。它不同于常規(guī)的無線技術需要將信號數(shù)字化、編碼、壓縮、打包、調制，轉換成可發(fā)送的格式后再通過無線網(wǎng)絡傳輸，而是直接和工廠自動化系統(tǒng)本身的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡設備的上一級主站的通訊。通過在水泥廠堆取料機上應用此技術，聯(lián)鎖通訊信號傳輸方式從傳統(tǒng)的有觸點有線變?yōu)闊o觸點無線，達到了信號傳輸可靠，維修費用低，最終為企業(yè)帶來明顯的經(jīng)濟效益。
關鍵詞：無線Profibus-DP技術；堆取料機；移動設備
Application of Wireless Profibus-DP Communication Technology in Reclaimer and Stacker
(CBMI Construction Co., Ltd., Tangshan Hebei 064000)
Abstract: The wireless Profibus-DP Communication is used in the system. The system transmites and exchanges the data of factory automation control system Profibus-DP via wireless bluetooth technology. It isn’t the same as the routine wireless technology which needs to complete the process that the signals will be digital, encoded, compressed, packed, modulated and converted before transmition, but it direct communicates with the home site which is the top level of factory automation control system Profibus-DP network equipment. The transmission mode of the interlock signals will be wireless and no touch instead of routine mode with touch and control cable via the usage of the technology, and then the signal transmission is reliable, the maintenance price is little, it achieved obvious economic benefits for enterprise finally.
Key words: Wireless Profibus-DP Technology, Reclaimer and Stacker, Mobile Equipment
1 序言
堆取料機是水泥廠用于原料及原燃料轉運及均化的大型移動設備，其運行可靠性直接關系到廠內物流是否暢通。目前，水泥廠堆取料機上的供電及通訊主要是采用電纜卷盤方式，電源電纜及控制電纜分別有各自的卷盤，中控室與堆取料機控制室之間的控制及聯(lián)鎖信號都是通過一根多芯的柔性電纜進行通訊，每芯電纜只能傳送一個開關量信號，不能實現(xiàn)大量開關量以及模擬量的傳輸，同時由于滑環(huán)集電器自身結構以及堆取料機卷盤拉力不均衡等原因，經(jīng)常會出現(xiàn)信號傳輸不穩(wěn)定甚至中斷等現(xiàn)象，嚴重影響到堆取料機的安全性與可靠性，傳統(tǒng)的通訊方式在實際運行中普遍存在以下問題：
1.1 故障頻繁
由于大車軌道安裝精度不高，運行軌道不能精確的在同一軸線上，電纜卷盤隨著堆取料機的移動產(chǎn)生震動，以及滑環(huán)集電器安裝誤差等原因，使得聯(lián)鎖和通訊集電器中的觸點變形破損，滑環(huán)集電器的觸點隨電纜卷盤的旋轉而錯位，觸點的機械機構松動，導致接觸不良。同時，由于堆場內物料粉塵濃度大、硬度大造成磨損嚴重，加上安裝等原因造成滑環(huán)集電器粉塵堆積，從而造成斷路和短路。據(jù)統(tǒng)計，滑環(huán)集電器故障率占堆取料機總故障的40％。
1.2 維修時間長、工作量大
正常損壞時，少則需要4—5小時，多則10小時以上，且每次需兩人以上，工作量更大。
1.3 安裝及維修費用高
從目前我公司堆取料機安裝的方式來講，安裝一臺傳統(tǒng)通訊方式的堆取料機完成通訊功能需要的主要設備有：控制滑環(huán)一臺、電機一臺、移動式電纜卷盤一臺以及多芯控制電纜，在電纜卷盤設計時電纜的選型也比較特殊，而且在我公司的幾個項目中使用效果很不理想，往往在設備運行不到一年的時間控制電纜就由于設備的移動受力而斷芯，導致需要更換電纜，每臺堆取料的控制電纜大概200米，每米大概100元，每更換一次就要2萬元左右，加上人工費，每年的維修費大概在6萬元左右，加之我公司承包的大多都是國外項目，在保修期間造成的維修成本就會更高。另外，因聯(lián)鎖失控，通訊中斷導致的設備事故擴大，更增加了其它關聯(lián)設備的維修費。
1.4 設備安全隱患大
當堆料機集電器故障及卷盤電纜斷鏈時，導致聯(lián)鎖失控，通訊中斷，不能及時停止放料和停下皮帶機，嚴重時會造成堆料機沖出軌道，使其鋼結構整體變形，能引起上百萬元的經(jīng)濟損失，也給設備與操作人員帶來不安全因素；當取料機滑觸線故障，由于下一段工藝流程中的輸送皮帶機故障或緊急異常時，不能及時停止取料，就會導致堵料，撤料，壓料，甚至拉斷皮帶等情況，給正常生產(chǎn)造成困難，同時給設備及人身帶來很大安全隱患。
2. 無線聯(lián)鎖通訊傳輸方案選擇
目前，解決以上問題有采用常規(guī)的無線網(wǎng)絡傳輸技術，即在數(shù)據(jù)交換之前需要完成數(shù)據(jù)信號數(shù)字化、編碼、壓縮、打包、調制，轉換成可發(fā)送的格式，然后再通過無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換。此方案雖然解決了問題，但是此方案的初期設計成本以及調試費用均較高，總體效果并不理想。為此，我公司根據(jù)目前無線工控技術的發(fā)展動態(tài)，結合現(xiàn)場設備環(huán)境特點，于2008年10月結合工廠Profibus-DP網(wǎng)絡拓撲的特點，將無線PROFIBUS-DP網(wǎng)絡通信技術應用在水泥廠堆取料機上。通過比較我們選擇了德國菲尼克斯公司的雙向無線Profibus-DP通訊套裝模塊PSI-WL-PROFIB/BT-SET。最終實現(xiàn)水泥廠堆取料機的與工廠自動化系統(tǒng)的高速互聯(lián)與聯(lián)動，提高了設備的自動化程度，增強了系統(tǒng)的可靠性及安全性，降低故障率，減少維修費用以及成本，提高生產(chǎn)效率。
隨著無線藍牙局域網(wǎng)技術發(fā)展的成熟，以及PLC控制技術與無線通訊網(wǎng)絡技術的融合，無線聯(lián)鎖和通訊傳輸方式以其工作可靠，優(yōu)良的性價比，在工業(yè)控制領域得到廣泛應用，該技術也適用于水泥廠堆取料機與工廠自動化控制系統(tǒng)之間的無線通訊。無線Profibus-DP通訊裝置正是為了滿足此需求而設計的，該設備能夠解決水泥廠堆取料機與工廠自動化系統(tǒng)的無線通訊，實現(xiàn)聯(lián)鎖控制信號的傳輸和交換。無線Profibus-DP通訊技術在水泥廠堆取料機上應用后，取消了原硬接線的一些相關附屬設備，如：電機，卷盤，控制電纜，滑環(huán)等，為移動式的堆取料機節(jié)約了空間，也使得機械設計上更為簡單。
3.系統(tǒng)結構原理
Profibus-DP通訊是針對數(shù)據(jù)鏈路層和用戶層來說的，其數(shù)據(jù)通訊格式由PROFIBUS基金會規(guī)定，而其物理層則完全采用RS485規(guī)范。這樣的通訊方式完全滿足工廠自動化的控制網(wǎng)絡的拓撲。我們選用的菲尼克斯的Profibus-DP無線通訊套裝模塊實際上是一個能傳輸RS232、RS485、RS422的多功能無線串口通訊模塊。作為Profibus-DP無線通訊套裝，是指廠家在出廠前就已配置好握手信號、奇偶校驗等相關串口通訊參數(shù)，我們只需簡單的接線，通電即可使用。
無線DP通信的方案配置：
無線DP通訊套裝模塊
系統(tǒng)圖
4．該系統(tǒng)的特點
該系統(tǒng)使用了跳頻擴頻的技術FHSS來抵抗工業(yè)現(xiàn)場的干擾，且工作在免費的頻率段2.4GHz,傳輸功率100mW(20dBm),這些特性都使它可在工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定工作。PSI-WL藍牙轉換模塊用于傳輸RS-232,RS-422和RS-485。
由于數(shù)據(jù)被分割為非常小的數(shù)據(jù)包，在不同頻率的通道內發(fā)送，所以，即使發(fā)生沖突，也可以在很短的時間內（微秒）更改發(fā)射通道，菲尼克斯的藍牙設備采用的ISM 2.4G免費頻段，并在835M Hz的范圍內均分了79個通道供藍牙通訊使用（見下圖）
(1)傳輸通過電磁波在空間進行，減少了耗時以及昂貴的安裝過程；
(2)由于天線的發(fā)散特性，無線電波可以覆蓋室內和室外的大片空間，可以將自由移動物體，不受地域影響納入控制網(wǎng)絡。電磁通訊解決方案無磨損、耐臟，這意味著在有移動物體的應用場合，相對于傳統(tǒng)的滑環(huán)等，無線通訊是免維護的通訊方案。
（3）系統(tǒng)集成了PCS自動控制、無線通訊、網(wǎng)絡通訊等技術，將有線和無線、電氣和PLC、PLC與PLC數(shù)據(jù)、原系統(tǒng)和新系統(tǒng)有機的融合成一個整體。聯(lián)鎖控制的數(shù)據(jù)信號，通過Profibus-DP通訊模塊直接傳輸?shù)絇CS系統(tǒng)，直接簡單的下掛在工廠的自動化控制PCS組成控制網(wǎng)絡。而且無需組態(tài)編程，即插即用，快速啟動，提高了系統(tǒng)對各種信號的快速傳輸，減少了延時。
（4）與一般點對點通訊方式相比，主站只需2套無線收發(fā)設備(包括冗余)，主站與電器設備之間不用傳統(tǒng)的開關量硬件連接，直接以通訊方式與原PCS控制系統(tǒng)連接，節(jié)省繼電器、電纜和PLC的開關量輸入輸出模板。
(5)采用2.4 GHz 免費頻段，無需申請，無需付費。
針對原料場堆取料機數(shù)量大分布集中的特點，選各個堆取料機子站與混勻配料室主站構成一對一的無線Profibus-DP通信網(wǎng)絡，以直接尋到Profibus-DP網(wǎng)絡中設備的地址，避免各機之間的相互干擾；針對料場料堆較高，料的導電性強，料場附近PLC控制系統(tǒng)較多的特點，選特高頻通訊頻段，以減少對料場附近PLC控制系統(tǒng)及其它通訊設備的干擾，降低發(fā)射信號的功率；針對通訊信號數(shù)量多的情況，選擇直接的網(wǎng)絡通訊直接和上位進行數(shù)字交換，以減少其相互干擾。
5．應用效果和結論
系統(tǒng)投入運行后，工作穩(wěn)定可靠，徹底解決了存在的問題，促進了生產(chǎn)指標的提升，達到了人身及設備安全的目的。無線Profibus-DP通信技術應用于大型移動設備的控制，而且是直接應用到現(xiàn)場級的控制網(wǎng)絡中。尤其應用在設備數(shù)量較多，分布集中，移動范圍較大的工業(yè)現(xiàn)場條件下，其優(yōu)點突出，性價比高，值得推廣。