無線通信在電動(dòng)單軌輸送系統(tǒng)中穩(wěn)定性

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摘要：本文通過分析當(dāng)前國內(nèi)外光通信行業(yè)物流自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的趨勢和要求，結(jié)合自身智能工廠中物流自動(dòng)化建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了提升工業(yè)無線通信在電動(dòng)單軌石英棒輸送系統(tǒng)中穩(wěn)定性的基本思路和實(shí)現(xiàn)方法。通過充分利用國內(nèi)外先進(jìn)的工業(yè)無線通信技術(shù)，一方面成功實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)單軌石英棒輸送系統(tǒng)實(shí)時(shí)對地定點(diǎn)通信，另一方面成功解決了在高度信號屏蔽性的凈化廠房內(nèi)遠(yuǎn)距離通信過程中電動(dòng)單軌石英棒搬運(yùn)小車雙向控制數(shù)據(jù)經(jīng)常丟失的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了高純石英玻璃棒在生產(chǎn)制造過程中全自動(dòng)化搬運(yùn)，有效降低了現(xiàn)場操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)了生產(chǎn)過程中物料搬運(yùn)的安全性，提升了企業(yè)的綜合競爭力。

關(guān)鍵詞：光通信；物流自動(dòng)化；電動(dòng)單軌；工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)；石英棒；穩(wěn)定性

1引言

近年來，隨著“寬帶中國”戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，以及“一帶一路”“中國制造2025”等為代表的國家政策層面因素的推動(dòng)與保障，超大數(shù)據(jù)中心、超級云計(jì)算中心、視頻消費(fèi)飛速增長、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)(5G)升級換代等，使我國光通信行業(yè)保持了較高景氣度。同時(shí)，伴隨著國內(nèi)人口紅利的逐步消失，各大光纖制造廠家產(chǎn)能持續(xù)釋放，通信行業(yè)同質(zhì)化競爭日趨嚴(yán)重，如何在眾多強(qiáng)企中脫穎而出，需要不斷尋求技術(shù)創(chuàng)新和突破，物流自動(dòng)化就是其中一個(gè)重要突破口。隨著物流輸送系統(tǒng)自動(dòng)化程度的不斷提高，無線通信技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)中應(yīng)用日漸成熟，利用無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)，是未來自動(dòng)化控制技術(shù)的主要發(fā)展方向。同時(shí)無線通信技術(shù)的引入，也帶來了新的問題，如網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)信號穩(wěn)定性及本身固有的延時(shí)和丟包特點(diǎn)[1]。本文以我司使用的電動(dòng)單軌石英棒輸送系統(tǒng)中搬運(yùn)小車在正常運(yùn)行過程中偶發(fā)停頓故障為例，對生產(chǎn)現(xiàn)場通信使用工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性進(jìn)行了深入分析和研究探討。

2電動(dòng)單軌石英棒輸送系統(tǒng)

該系統(tǒng)參照汽車行業(yè)電動(dòng)單軌小車（ElectricalMonorailSystem，EMS）進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，汽車行業(yè)EMS主要應(yīng)用于汽車部裝、焊裝、總裝車間物料及零部件的自動(dòng)運(yùn)輸。電動(dòng)單軌石英棒輸送系統(tǒng)同樣由載物車、導(dǎo)軌、道岔、C型扣、剪刀差機(jī)構(gòu)、輔梁組成。集電器觸頭安裝于移動(dòng)小車上，滑觸線安裝于輸送導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)形成有效供電系統(tǒng)。電動(dòng)單軌石英棒輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

3常用信號通信方式對比

設(shè)計(jì)初，信號通信方式優(yōu)先考慮使用有線通信，即通過超六類網(wǎng)線加路由器進(jìn)行信號傳輸，因現(xiàn)場小車為懸掛自動(dòng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)，通信線若經(jīng)坦克鏈內(nèi)設(shè)布局，會受制于道岔及多頻次來回循環(huán)路徑干涉，難以實(shí)施。其次，考慮通過滑觸線進(jìn)行信號傳輸，擬采用VAHLE的Powercom數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)為本電動(dòng)輸送小車提供實(shí)施通信，其優(yōu)點(diǎn)在于可與法勒滑觸線系統(tǒng)配套使用，道岔處采用柔性電纜連接，缺點(diǎn)在于滑觸線現(xiàn)場制作安裝的效果對信號傳輸穩(wěn)定性存在重要影響，系統(tǒng)測試評估過程中頻繁出現(xiàn)集電極觸頭與滑觸線不能可靠接觸導(dǎo)致信號中斷的現(xiàn)象，需頻繁維護(hù)，而維護(hù)作業(yè)需在生產(chǎn)現(xiàn)場搭建腳手架進(jìn)行高空特種作業(yè)，對車間環(huán)境及安全管控均存在較大隱患，綜合評估此方案不符合現(xiàn)場試用要求?？紤]無線信號在傳輸過程中可能出現(xiàn)強(qiáng)度衰減，現(xiàn)場設(shè)計(jì)了2對1的無線通信方式（即2個(gè)接入點(diǎn)1個(gè)客戶端的形式進(jìn)行布局）以便對信號進(jìn)行增強(qiáng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要通過BECKHOFF的ADS通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)無線傳輸，實(shí)現(xiàn)2大功能，功能1：移動(dòng)小車相關(guān)信息的傳輸包括開關(guān)狀態(tài)、為實(shí)現(xiàn)低成本、免維護(hù)、易安裝的目的，嘗試采用無線通信技術(shù)。經(jīng)技術(shù)評估，選用PHOENIX的FL系列無線通信模組，以FLWLAN5100作為接入點(diǎn)，以WLANEPA作為客戶端，同時(shí)選用漏波電纜作為天線，將無線信號延伸至其所鋪設(shè)的位置，漏波電纜長度匹配導(dǎo)軌長度，進(jìn)行暗裝敷設(shè)，以確保軌道周圍無線信號全范圍覆蓋，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場AP與客戶端之間的無線信號有效傳輸。其漏波電纜鋪設(shè)方案如圖2所示。

4生產(chǎn)現(xiàn)場無線通信敷設(shè)方案設(shè)計(jì)

石英棒生產(chǎn)車間中工藝設(shè)備呈網(wǎng)格狀分布，左右跨度約35m，為了讓物料有效流轉(zhuǎn)，現(xiàn)場采用32m直軌布局，如圖3所示，在直軌中段設(shè)計(jì)多節(jié)道岔，方便懸掛小車中途避讓，以及一旦任一小車出現(xiàn)故障后可臨停岔路進(jìn)行設(shè)備檢修。位置信息、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、速度信息和剪刀差位置等信號；功能2：主控柜相關(guān)控制命令的傳輸包括載物車啟動(dòng)、停止、剪刀差的升降、道岔動(dòng)作等控制命令。其無線系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

5無線通信在實(shí)際應(yīng)用中穩(wěn)定性分析

在系統(tǒng)投運(yùn)初期，EMS小車整體運(yùn)行狀況良好，能夠滿足石英棒流轉(zhuǎn)要求，在運(yùn)行一個(gè)月之后，現(xiàn)場操作人員反饋，某個(gè)小車在過程中會偶爾出現(xiàn)停頓現(xiàn)象，必須通過手動(dòng)復(fù)位才能恢復(fù)運(yùn)行。通過調(diào)試軟件進(jìn)行在線監(jiān)控及小車實(shí)際運(yùn)行過程跟蹤，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備無線供電、限位開關(guān)觸發(fā)、機(jī)械卡死等異常狀態(tài)。通過進(jìn)一步跟蹤和狀態(tài)記錄，EMS小車在多次往返運(yùn)行過程中停頓的位置很具隨機(jī)性；因此，初步斷定故障原因很有可能為無線通信信號的穩(wěn)定性受到了一定的干擾?？紤]無線網(wǎng)絡(luò)的特殊性，無線電磁波信號容易受到干擾或者是非法入侵，從而影響無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性及安全性。無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性是指無線網(wǎng)絡(luò)中信號應(yīng)該是持續(xù)良好的，信號強(qiáng)弱程度應(yīng)該是保持不變的，信號強(qiáng)度不受外界干擾而有所影響，即使是信號弱的地方也不能出現(xiàn)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱時(shí)無的現(xiàn)象[2]。想要提高無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，就必須對影響無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析，找出影響網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的原因，制定和實(shí)施相應(yīng)的措施。其影響穩(wěn)定性的因素主要有信號傳輸、環(huán)境干擾和網(wǎng)絡(luò)本身之間的干擾。屏蔽環(huán)境下信號傳輸一般通過漏波電纜進(jìn)行，漏波通信主要涉及2個(gè)技術(shù)指標(biāo)。

5.1傳輸線特征阻抗

無限長傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗，用z0表示。同軸電纜的特性阻抗的計(jì)算公式為(1)式中，D為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑；d為同軸電纜芯線外徑；εr為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。通過計(jì)算z0=50Ω，其中漏波電纜負(fù)載阻抗zL選用型號為50Ω，與之匹配，饋線上只存在傳向終端負(fù)載的入射波，而沒有由終端負(fù)載產(chǎn)生的反射波，天線取得全部信號功率。

5.2饋線衰減系數(shù)

信號在饋線里傳輸，除有導(dǎo)體的電阻性損耗外，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。信號衰減系數(shù)計(jì)算公式為(2)式中，P1為輸入到饋線的功率；P2為長度為L（m）的饋線輸出功率；計(jì)算出衰減系數(shù)為19.8dB/100m，在實(shí)際運(yùn)行中最遠(yuǎn)距離為35m，信號理論衰減值為6.93dB，受環(huán)境因素影響衰減值略微偏大，但不足以影響信號整體穩(wěn)定性?，F(xiàn)場使用無線網(wǎng)絡(luò)信號掃描工具（InSSIDer）進(jìn)行信號監(jiān)測，對信號名稱、強(qiáng)度、信道進(jìn)行檢查并分析，無線網(wǎng)AP數(shù)量眾多，統(tǒng)計(jì)見表1。PxC_CSI與車間網(wǎng)絡(luò)Prod同處36信道且信號重疊嚴(yán)重，環(huán)境信號檢測結(jié)果如圖5所示。解決方案為對5100模塊重新進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，將2個(gè)AP通道分別設(shè)置為44和48，成為獨(dú)立通道，排除干擾可能性。其次對通信信號監(jiān)聽，將無線模塊IP地址與BECKHOFFCX51系列PLC控制器設(shè)置在同一網(wǎng)段（169.254.5.X），通過PC調(diào)試端進(jìn)行信號監(jiān)控，對某一時(shí)間段進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理分析，如圖6所示。經(jīng)過以上分析可知：①無線信號的反饋時(shí)間高于有線信號的反饋時(shí)間；②無線信號存在波動(dòng)性，即穩(wěn)定性能在某一時(shí)刻會受到干擾；③信號回復(fù)時(shí)間一般為2ms，最長回復(fù)時(shí)間為32ms。針對32ms延時(shí)問題，對PLC控制器掃描周期進(jìn)行確認(rèn)，打開TwinCAT3軟件，連接主控柜PLC程序，在硬件配置中打開Real-Time查看任務(wù)掃描周期為10ms，結(jié)果如圖7所示。因現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)配置無法縮短信號回復(fù)時(shí)間，故采用增加PLC掃描周期至80ms（數(shù)值過大，導(dǎo)致遠(yuǎn)程通信模塊中斷），通過測試發(fā)現(xiàn)小車停頓現(xiàn)象消除。經(jīng)研究分析和技術(shù)探索，無線模塊迭代更新升級應(yīng)用WLAN1100替代前期WLANEPA，再嘗試通過無線信號發(fā)射功率調(diào)整（因車間凈化面板墻導(dǎo)致無線回傳率過高，可適當(dāng)降低功率至-5dBm），可有效提升整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性；此外，在經(jīng)濟(jì)及環(huán)境條件許可的情況下，可通過增加無線AP的數(shù)量（即增加無線設(shè)備分布密度，AP之間漫游切換時(shí)間需綜合考慮）來提高信號的穩(wěn)定性。

6結(jié)束語

通過本次無線通信在電動(dòng)單軌石英棒輸送系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，成功摸索出一套提高屏蔽車間電動(dòng)輸送小車系統(tǒng)中無線通信穩(wěn)定性的技術(shù)手段，積累了無線通信設(shè)備故障解決的經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)同類設(shè)備通信故障的解決提供了很好的借鑒。隨著智能制造在國內(nèi)制造業(yè)快速生根發(fā)芽，無線通信技術(shù)已快速滲透至智能搬運(yùn)、智能輸送、智能倉儲等眾多物流自動(dòng)化領(lǐng)域，對通信過程中收發(fā)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確率的要求將會越來越高，這也將直接影響到設(shè)備的高效性、可靠性、安全性等方面；因此，我們需在這方面繼續(xù)潛心研究，以保證無線通信系統(tǒng)高效助力智能物流。

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作者:施春林 趙海倫 薛欽 徐金田 單位:江蘇中天科技精密材料有限公司