无线通信技术在火车翻车机上的开发应用

韦国鹏

（陕钢集团汉中钢铁有限责任公司，陕西汉中 724200）

前言

火车翻车机是指一种用来翻卸铁路敞车散料的重型机械设备，可将火车散装物料车皮通过翻转倾斜从而达到自动卸料的装卸机械，适用于散装物料火车运输的冶金、煤炭、热电工业部门以及火车中转的港口码头。火车翻车机系统主要包含重调流程、翻车流程、迁车流程、空调流程，这几大流程按顺序依次逐步完成，实现物料的自动卸车。为了实现精准定位及各流程自动控制，在翻车机本体、重调、迁车台、空调等部位安装有大量状态传感器及动作控制阀，控制线路通过滑线方式，沿设备运行轨道随设备运行折叠运动。

1 改造前存在问题

火车翻车机的重调、翻车本体、迁车台、空调系统都是移动设备，并且为了实现控制自动化，每台设备上都装有大量的位置、压力传感器，大量的控制电缆与动力电缆都采用拖缆小车，沿设备运行轨道随设备运行折叠运动。

经过长期的现场观察，对多起事故分析，总结存在以下问题。

（1）控制电缆与动力电缆排放在一起，由于电缆线径不同，电缆弯折大小不同，导致滑动过程中受力不同，经常会出现电缆缠绕。

（2）由于翻车机运行路径是露天环境，拖缆小车在使用过程中滑动轮易腐蚀，导致运转不灵活出现卡阻，从而拉断钢丝绳，使控制电缆受力过大，出现断股情况。

（3）每个拖缆小车在运行过程中夹电缆处，都会多次碰撞摩擦，长期往复移动工作导致控制电缆保护层受损，造成断芯或短路。

（4）随着长时间的电缆弯曲打折，电缆绝缘劣化较快，导致系统信号不稳定，同时故障排查难度大，很难在很短的时间内检查到问题，同时发现故障需要有备用线路才可以快速恢复。

2 确定改造方案

火车翻车机拖缆控制线路故障，在所有设备故障中占比较大，且存在故障很难排查问题。从改变原有方式，提高稳定性着手，确定使用无线通信方式完成翻车机的信号控制。该方案选择先进的2.4GHz 跳频扩频通信技术，利用无线传输代替电缆，无需再敷设电缆，同时2.4GHz 属于全球免费频段，无需申请备案；无线通信智能频谱技术，能有效避开同频干扰影响，可以做到2 套相互独立系统安装在同一地点，相互之间不干扰工作。采用全双工通信模式，不存在收/发转换时间，这对翻车机编码器数据传输实时通信十分有利。

3 无线通信方案

无线通信技术可避免火车翻车机需要敷设大量控制电缆问题，有效提升设备稳定性。火车翻车机翻运过程中环境复杂，这对无线信号通信提出了更高的要求，通过大量现场调研、现场试用，在无线通信模块方面最终选定2.4 GHz 无线通信芯片，该芯片定位于工业级无线通信模块。可以用于各种品牌的PLC/RTU 以及数据终端设备相互之间的无线电通信。支持FHSS 跳频扩频通信技术、CRC 数据校验技术、WAP2 数据加密技术，温度补偿技术、超高防护外壳工艺等［1］，使产品可以在工业环境中长期稳定运行，并且在国内占有一定的市场份额。同时使用在火车翻车机控制系统有以下优点。

（1）全双工的工作模式。不存在收/发转换时间，这对翻车机编码器数据传输之间实时通信十分有利。

（2）拥有智能频谱技术。能够自动地避开同频干扰的影响。

（3）强大的通信纠错及抗干扰能力。在大型机械设备和工业建筑密集分布的工业现场，充分利用二次辐射源（反射信号）维持正常的数据通信，既不误码，更不会传递错误的信息，可达到火车翻车机高精度控制性。

（4）无线通信模块选用标准以太网接口，支持802.11a/b/g/n 无线以太网标准，在802.11n 模式下能够支持300 M 以上传输带宽。设备的交换引擎及介质模块的MTBF 均需满足Station，StationWDS，Access Point，Access PointWDS 等多种无线模式要求，提供不同的端口数量和光电组合，能够为以太网设备联网提供经济的解决方案。

4 翻车机无线控制改造方案

改造翻车机信号无线传输控制，包括重调、空调、迁车台、翻车机本体的车载信号通过无线接收发送装置及对应的地面接收发送装置和主站交换机及PLC。车载信号无线发送接收装置具体包括用于采集现场信号及发送指令的西门子S7-200smart-PLC 模块，信号通过相应通道进入车载S7-200smartPLC 模块中，再通过PLC 自带的SIMATIC NET 工业以太网接口通过网线连接进入交换机，现场设备定位采用倍加福EVM58N-PN_Profinet 以太网编码器通过网线与交换机连接，交换机信号出来通过POE 电源连接至安装有2.4GHz 通信芯片的无线通信模块，通信模块经过天线将信号发送至对应的地面无线接收发送装置。地面无线接收发送装置包括室外天线、对应的无线通信模块及POE 电源，地面发送接收装置经网线连接至主站交换机将信号传输至主站，信号经过程序处理于原翻车机PLC控制系统连接。如图1。

图1 翻车机无线通信地面主站结构框图

5 具体现场改造

（1）在翻车机系统配电室内安装地面无线通信系统主站控制柜，从原翻车机系统PLC敷设profibus电缆与无线主站PLC系统连接，通过profibus协议进行数据交换通信［2］。

（2）在无线通信系统主站控制柜敷设电源线到重调、空调、迁车台、翻车机本体地面端子中转箱处。电源线经过现有中转箱进行中转给车体上的无线从站控制箱供电。从无线通信系统主站控制柜通过电缆沟分别敷设网线到现场主站无线接收箱，实现无线信号通过网线传输至配电室主站。重调机、空调机、迁车及、翻车本体主站无线接收箱内设置对应的主站无线接收模块，箱体安装于对应移动设备附近的钢构柱上，在从站箱体内无线接收模块对应的接口引出发射接收天线。从站车载控制箱内部安装有网络无线发送接收模块及S7-200smartPLC 模块，用于移动车载信号的汇集及发送。

（3）重调机车体上的勾头、大臂、行走抱闸、前行和返回位置检测传感器及油泵控制信号接入车载从站S7-200smartPLC 的AI/DI 模块中，重调机车定位采用倍加福EVM58N-PN_Profinet 以太网编码器通过网线与车载从站上的S7-200smartPLC 模块。其他空调机、迁车台、翻车机本体安装与控制原理相同，把对应的车载信号接入从站控制箱对应模块，定位网络编码器通过网线进入从站系统，修改IP即完成车上信号的汇总改造。

（4）现场主站无线模块与车载从站无线模块选用西安弘圣公司的2.4 GHz 无线通信模块，该通信模块能够自动地避开同频干扰的影响，适应翻车机四部分相对密集的叠加现场，可做到相互无干扰。在传输速率方面该模块达到IEEE802.11b 标准同时拥有AirMAX 技术的带宽可达到150 Mbps，能有效保证翻车机控制的响应速度［3］。该无线通信模块设置简单，只需要将每对发送接收模块设置为同样拨码地址，即可自动搜索配对，配对成功后主从接收模块上连接指示灯及信号强弱指示灯会对通信状态进行显示。主从无线模块配对成功，车载移动设备与地面主站就实现了物理上的通信。

（5）完成主从站无线网络连接后，对主站PLC与各从站PLC 进行配置，编写数据发送接收程序，从而实现主从站的数据互通［4］。

（6）完成安装及程序编写后进入调试阶段，使用仪表检查每个电源回路及控制回路有无错误，确认无误后送电进行单机调式同时需测试无线网络速率，检查上位机显示与现场是否一致，并对所有信号进行逐一试验，确认反馈正确后进行联动试机测试，确认功能完善且运行稳定后交付生产使用。

6 项目效果

通过此次技术改造，翻车机系统的重调、空调、迁车台、翻车机本体上各安装一套车载信号无线接收发送装置，实现移动设备的信号采集与接收发送，在地面安装与之对应的4 套信号无线信号接收发送装置，通过网线及交换机连接至主站PLC 系统中，实现了翻车机各移动设备的控制信号无线传递。