韋國鵬

（陜鋼集團漢中鋼鐵有限責(zé)任公司，陜西漢中 724200）

前言

火車翻車機是指一種用來翻卸鐵路敞車散料的重型機械設(shè)備，可將火車散裝物料車皮通過翻轉(zhuǎn)傾斜從而達(dá)到自動卸料的裝卸機械，適用于散裝物料火車運輸?shù)囊苯稹⒚禾?、熱電工業(yè)部門以及火車中轉(zhuǎn)的港口碼頭。火車翻車機系統(tǒng)主要包含重調(diào)流程、翻車流程、遷車流程、空調(diào)流程，這幾大流程按順序依次逐步完成，實現(xiàn)物料的自動卸車。為了實現(xiàn)精準(zhǔn)定位及各流程自動控制，在翻車機本體、重調(diào)、遷車臺、空調(diào)等部位安裝有大量狀態(tài)傳感器及動作控制閥，控制線路通過滑線方式，沿設(shè)備運行軌道隨設(shè)備運行折疊運動。

1 改造前存在問題

火車翻車機的重調(diào)、翻車本體、遷車臺、空調(diào)系統(tǒng)都是移動設(shè)備，并且為了實現(xiàn)控制自動化，每臺設(shè)備上都裝有大量的位置、壓力傳感器，大量的控制電纜與動力電纜都采用拖纜小車，沿設(shè)備運行軌道隨設(shè)備運行折疊運動。

經(jīng)過長期的現(xiàn)場觀察，對多起事故分析，總結(jié)存在以下問題。

（1）控制電纜與動力電纜排放在一起，由于電纜線徑不同，電纜彎折大小不同，導(dǎo)致滑動過程中受力不同，經(jīng)常會出現(xiàn)電纜纏繞。

（2）由于翻車機運行路徑是露天環(huán)境，拖纜小車在使用過程中滑動輪易腐蝕，導(dǎo)致運轉(zhuǎn)不靈活出現(xiàn)卡阻，從而拉斷鋼絲繩，使控制電纜受力過大，出現(xiàn)斷股情況。

（3）每個拖纜小車在運行過程中夾電纜處，都會多次碰撞摩擦，長期往復(fù)移動工作導(dǎo)致控制電纜保護(hù)層受損，造成斷芯或短路。

（4）隨著長時間的電纜彎曲打折，電纜絕緣劣化較快，導(dǎo)致系統(tǒng)信號不穩(wěn)定，同時故障排查難度大，很難在很短的時間內(nèi)檢查到問題，同時發(fā)現(xiàn)故障需要有備用線路才可以快速恢復(fù)。

2 確定改造方案

火車翻車機拖纜控制線路故障，在所有設(shè)備故障中占比較大，且存在故障很難排查問題。從改變原有方式，提高穩(wěn)定性著手，確定使用無線通信方式完成翻車機的信號控制。該方案選擇先進(jìn)的2.4GHz 跳頻擴頻通信技術(shù)，利用無線傳輸代替電纜，無需再敷設(shè)電纜，同時2.4GHz 屬于全球免費頻段，無需申請備案；無線通信智能頻譜技術(shù)，能有效避開同頻干擾影響，可以做到2 套相互獨立系統(tǒng)安裝在同一地點，相互之間不干擾工作。采用全雙工通信模式，不存在收/發(fā)轉(zhuǎn)換時間，這對翻車機編碼器數(shù)據(jù)傳輸實時通信十分有利。

3 無線通信方案

無線通信技術(shù)可避免火車翻車機需要敷設(shè)大量控制電纜問題，有效提升設(shè)備穩(wěn)定性?；疖嚪嚈C翻運過程中環(huán)境復(fù)雜，這對無線信號通信提出了更高的要求，通過大量現(xiàn)場調(diào)研、現(xiàn)場試用，在無線通信模塊方面最終選定2.4 GHz 無線通信芯片，該芯片定位于工業(yè)級無線通信模塊。可以用于各種品牌的PLC/RTU 以及數(shù)據(jù)終端設(shè)備相互之間的無線電通信。支持FHSS 跳頻擴頻通信技術(shù)、CRC 數(shù)據(jù)校驗技術(shù)、WAP2 數(shù)據(jù)加密技術(shù)，溫度補償技術(shù)、超高防護(hù)外殼工藝等［1］，使產(chǎn)品可以在工業(yè)環(huán)境中長期穩(wěn)定運行，并且在國內(nèi)占有一定的市場份額。同時使用在火車翻車機控制系統(tǒng)有以下優(yōu)點。

（1）全雙工的工作模式。不存在收/發(fā)轉(zhuǎn)換時間，這對翻車機編碼器數(shù)據(jù)傳輸之間實時通信十分有利。

（2）擁有智能頻譜技術(shù)。能夠自動地避開同頻干擾的影響。

（3）強大的通信糾錯及抗干擾能力。在大型機械設(shè)備和工業(yè)建筑密集分布的工業(yè)現(xiàn)場，充分利用二次輻射源（反射信號）維持正常的數(shù)據(jù)通信，既不誤碼，更不會傳遞錯誤的信息，可達(dá)到火車翻車機高精度控制性。

（4）無線通信模塊選用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口，支持802.11a/b/g/n 無線以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，在802.11n 模式下能夠支持300 M 以上傳輸帶寬。設(shè)備的交換引擎及介質(zhì)模塊的MTBF 均需滿足Station，StationWDS，Access Point，Access PointWDS 等多種無線模式要求，提供不同的端口數(shù)量和光電組合，能夠為以太網(wǎng)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)提供經(jīng)濟的解決方案。

4 翻車機無線控制改造方案

改造翻車機信號無線傳輸控制，包括重調(diào)、空調(diào)、遷車臺、翻車機本體的車載信號通過無線接收發(fā)送裝置及對應(yīng)的地面接收發(fā)送裝置和主站交換機及PLC。車載信號無線發(fā)送接收裝置具體包括用于采集現(xiàn)場信號及發(fā)送指令的西門子S7-200smart-PLC 模塊，信號通過相應(yīng)通道進(jìn)入車載S7-200smartPLC 模塊中，再通過PLC 自帶的SIMATIC NET 工業(yè)以太網(wǎng)接口通過網(wǎng)線連接進(jìn)入交換機，現(xiàn)場設(shè)備定位采用倍加福EVM58N-PN_Profinet 以太網(wǎng)編碼器通過網(wǎng)線與交換機連接，交換機信號出來通過POE 電源連接至安裝有2.4GHz 通信芯片的無線通信模塊，通信模塊經(jīng)過天線將信號發(fā)送至對應(yīng)的地面無線接收發(fā)送裝置。地面無線接收發(fā)送裝置包括室外天線、對應(yīng)的無線通信模塊及POE 電源，地面發(fā)送接收裝置經(jīng)網(wǎng)線連接至主站交換機將信號傳輸至主站，信號經(jīng)過程序處理于原翻車機PLC控制系統(tǒng)連接。如圖1。

圖1 翻車機無線通信地面主站結(jié)構(gòu)框圖

5 具體現(xiàn)場改造

（1）在翻車機系統(tǒng)配電室內(nèi)安裝地面無線通信系統(tǒng)主站控制柜，從原翻車機系統(tǒng)PLC敷設(shè)profibus電纜與無線主站PLC系統(tǒng)連接，通過profibus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換通信［2］。

（2）在無線通信系統(tǒng)主站控制柜敷設(shè)電源線到重調(diào)、空調(diào)、遷車臺、翻車機本體地面端子中轉(zhuǎn)箱處。電源線經(jīng)過現(xiàn)有中轉(zhuǎn)箱進(jìn)行中轉(zhuǎn)給車體上的無線從站控制箱供電。從無線通信系統(tǒng)主站控制柜通過電纜溝分別敷設(shè)網(wǎng)線到現(xiàn)場主站無線接收箱，實現(xiàn)無線信號通過網(wǎng)線傳輸至配電室主站。重調(diào)機、空調(diào)機、遷車及、翻車本體主站無線接收箱內(nèi)設(shè)置對應(yīng)的主站無線接收模塊，箱體安裝于對應(yīng)移動設(shè)備附近的鋼構(gòu)柱上，在從站箱體內(nèi)無線接收模塊對應(yīng)的接口引出發(fā)射接收天線。從站車載控制箱內(nèi)部安裝有網(wǎng)絡(luò)無線發(fā)送接收模塊及S7-200smartPLC 模塊，用于移動車載信號的匯集及發(fā)送。

（3）重調(diào)機車體上的勾頭、大臂、行走抱閘、前行和返回位置檢測傳感器及油泵控制信號接入車載從站S7-200smartPLC 的AI/DI 模塊中，重調(diào)機車定位采用倍加福EVM58N-PN_Profinet 以太網(wǎng)編碼器通過網(wǎng)線與車載從站上的S7-200smartPLC 模塊。其他空調(diào)機、遷車臺、翻車機本體安裝與控制原理相同，把對應(yīng)的車載信號接入從站控制箱對應(yīng)模塊，定位網(wǎng)絡(luò)編碼器通過網(wǎng)線進(jìn)入從站系統(tǒng)，修改IP即完成車上信號的匯總改造。

（4）現(xiàn)場主站無線模塊與車載從站無線模塊選用西安弘圣公司的2.4 GHz 無線通信模塊，該通信模塊能夠自動地避開同頻干擾的影響，適應(yīng)翻車機四部分相對密集的疊加現(xiàn)場，可做到相互無干擾。在傳輸速率方面該模塊達(dá)到IEEE802.11b 標(biāo)準(zhǔn)同時擁有AirMAX 技術(shù)的帶寬可達(dá)到150 Mbps，能有效保證翻車機控制的響應(yīng)速度［3］。該無線通信模塊設(shè)置簡單，只需要將每對發(fā)送接收模塊設(shè)置為同樣撥碼地址，即可自動搜索配對，配對成功后主從接收模塊上連接指示燈及信號強弱指示燈會對通信狀態(tài)進(jìn)行顯示。主從無線模塊配對成功，車載移動設(shè)備與地面主站就實現(xiàn)了物理上的通信。

（5）完成主從站無線網(wǎng)絡(luò)連接后，對主站PLC與各從站PLC 進(jìn)行配置，編寫數(shù)據(jù)發(fā)送接收程序，從而實現(xiàn)主從站的數(shù)據(jù)互通［4］。

（6）完成安裝及程序編寫后進(jìn)入調(diào)試階段，使用儀表檢查每個電源回路及控制回路有無錯誤，確認(rèn)無誤后送電進(jìn)行單機調(diào)式同時需測試無線網(wǎng)絡(luò)速率，檢查上位機顯示與現(xiàn)場是否一致，并對所有信號進(jìn)行逐一試驗，確認(rèn)反饋正確后進(jìn)行聯(lián)動試機測試，確認(rèn)功能完善且運行穩(wěn)定后交付生產(chǎn)使用。

6 項目效果

通過此次技術(shù)改造，翻車機系統(tǒng)的重調(diào)、空調(diào)、遷車臺、翻車機本體上各安裝一套車載信號無線接收發(fā)送裝置，實現(xiàn)移動設(shè)備的信號采集與接收發(fā)送，在地面安裝與之對應(yīng)的4 套信號無線信號接收發(fā)送裝置，通過網(wǎng)線及交換機連接至主站PLC 系統(tǒng)中，實現(xiàn)了翻車機各移動設(shè)備的控制信號無線傳遞。