西門子IWLAN在WK礦用挖掘機(jī)上的應(yīng)用★

吉孟蘭

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 0300024）

1 技術(shù)背景

WK礦用挖掘機(jī)是用于大型露天礦用來采礦、剝巖的設(shè)備，主要由上部工作裝置（包括提升、推壓、回轉(zhuǎn)三大機(jī)構(gòu)）和下部移動(dòng)部分（行走機(jī)構(gòu)）組成。通過提升、推壓鏟斗挖掘物料后，回轉(zhuǎn)至一定角度卸料，移動(dòng)時(shí)靠履帶行走。WK礦用挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用目前先進(jìn)的交流變頻技術(shù)，控制系統(tǒng)為Siemens S7-1500系列。上部工作部分與下部移動(dòng)部分的電氣連接通過安裝在中央樞軸處的集電環(huán)，其中有控制信號(hào)環(huán)12個(gè)。電信號(hào)通過碳刷與固定的銅環(huán)滑接，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部件的電氣連接。接線簡(jiǎn)單但由于振動(dòng)大且易發(fā)生接觸不良打火花，需要定期的維護(hù)，需更換碳刷、碳刷壓簧等。圖1是運(yùn)行中回轉(zhuǎn)裝車的挖掘機(jī)，圖2是集電環(huán)結(jié)構(gòu)的局部。

圖1 工作中的挖掘機(jī)

圖2 集電環(huán)局部

隨著挖掘機(jī)產(chǎn)品智能化、信息化水平的提升，下部行走機(jī)構(gòu)的檢測(cè)、保護(hù)傳感器增加，對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)溫度、軸承溫度、自動(dòng)排纜裝置控制、潤(rùn)滑點(diǎn)檢測(cè)、氣壓檢測(cè)等信號(hào)成倍增加。由原來的12個(gè)開關(guān)量信號(hào)增至目前開關(guān)量信號(hào)20個(gè)，模擬量信號(hào)12個(gè)，特別是模擬量信號(hào)受變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源的干擾嚴(yán)重，原有的集電環(huán)在空間的局限性上以及傳輸信號(hào)的抗干擾上都已不能滿足要求。

2 IWLAN技術(shù)特點(diǎn)

工業(yè)無線通訊，簡(jiǎn)稱IWC，涵蓋了西門子用于工業(yè)通訊的三種無線通訊的解決方案：工業(yè)無線遠(yuǎn)程通訊、工業(yè)無線局域網(wǎng)IWLAN和WirelessHART。其中IWLAN用于控制器之間、HMI或者I/O系統(tǒng)之間通訊的本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，支持PROFINET協(xié)議以及自動(dòng)故障防護(hù)的PROFIsafe協(xié)議，實(shí)現(xiàn)固定節(jié)點(diǎn)間、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間的高數(shù)據(jù)傳輸速率的實(shí)時(shí)控制與監(jiān)控。與目前使用的S7-1500現(xiàn)場(chǎng)總線PROFINET無縫銜接。傳輸速率和可靠性與其他同類型對(duì)比見下頁(yè)圖3，IWLAN技術(shù)遵循WLAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11n的多入多出（MIMO）較單入單出（SISO）允許更高的帶寬，擁有更高的可靠性，最高達(dá)450 Mbps。

圖3 IWLAN 速率與應(yīng)用范圍

即使IWLAN本身具有很多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于挖掘機(jī)還需要很多特殊的設(shè)計(jì)和考慮。知道挖掘機(jī)露天野外作業(yè)，灰塵大、振動(dòng)強(qiáng)烈，電氣元件特別是布置在室外的都必須滿足振動(dòng)要求大于10 g，防塵防水IP65以上。根據(jù)這些要求選用了IWLAN產(chǎn)品中SCANLANCEW748-1、SCANCELANCE W788-1 組成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊對(duì)[1]。SCALANCE W系列產(chǎn)品滿足極端環(huán)境應(yīng)用要求，帶寬高450 Mb/s，金屬外殼IP65防護(hù)，抗振東、抗紫外線、工作頻率2.4GHz或5.0 GHz，抗EMC干擾。360°全向天線實(shí)現(xiàn)可靠的無線覆蓋，快速漫游功能實(shí)現(xiàn)PROFINETI/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

3 挖掘機(jī)IWLAN通訊實(shí)施方案

在挖掘機(jī)下部底架梁增加IP56低壓控制箱1個(gè)，控制箱內(nèi)設(shè)置ET200MP遠(yuǎn)程站點(diǎn)，客戶端W748-M12也安裝在低壓控制箱內(nèi)，其RJ45接頭連接柜內(nèi)ET200MP遠(yuǎn)程I/O站點(diǎn)PROFINET接口。該站點(diǎn)作為下車信號(hào)的控制站，原經(jīng)滑環(huán)傳輸?shù)男盘?hào)全部集中到本地站點(diǎn)。全向天線通過連接電纜引出柜外固定，設(shè)計(jì)單獨(dú)的防油污安裝支架。上車接入點(diǎn)W788-M12安裝在有S7-1500的PLC柜內(nèi)，其RJ45接頭連接至SCLANCE X208交換機(jī)，通過交換機(jī)與1500PLC通訊[2]，全向天線也通過電纜引出PLC柜外。系統(tǒng)組成圖見圖4。

圖4 IWLAN通訊系統(tǒng)組成

挖掘機(jī)下車控制信號(hào)通過IWLAN實(shí)現(xiàn)通訊，解決了挖掘機(jī)智能化、信息化要求下，傳感器增加帶來的集電環(huán)高度受限的關(guān)鍵問題，由于IWLAN的功能強(qiáng)大，對(duì)于挖掘機(jī)的開關(guān)量以及模擬量信號(hào)的傳輸完全滿足，可以認(rèn)為沒有限制。對(duì)于寒冷潮濕工況下應(yīng)用，要在下部低壓控制箱內(nèi)增加自動(dòng)加熱除濕系統(tǒng)。對(duì)于高熱環(huán)境下應(yīng)用，要在控制箱內(nèi)增設(shè)自動(dòng)溫度控制散熱系統(tǒng)。基本上滿足目前所有應(yīng)用工況的使用，包括海拔5 400 m的西藏高原。

挖掘機(jī)工作環(huán)境多數(shù)極端惡劣，灰塵大，空氣潮濕或者飄雪的工況下，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行可能會(huì)造成雪與灰塵結(jié)合成泥附著在發(fā)射天線上，附著層厚6 mm以上會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在最遠(yuǎn)距離端減弱，跳動(dòng)，需要定期（1次/月）維護(hù)信號(hào)天線。如果集電環(huán)再設(shè)計(jì)4個(gè)屏蔽的PROFINET通訊環(huán)，構(gòu)成一條有線連接，連接下車ET200MP和PLC柜內(nèi)交換機(jī)做冗余設(shè)計(jì)，見圖5。利用環(huán)網(wǎng)的通訊優(yōu)點(diǎn)，挖掘機(jī)上下車通訊發(fā)生故障的概率大大降低。

圖5 PROFINET冗余設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的集電環(huán)信號(hào)的傳輸存在碳刷磨損、跳槽、維護(hù)量大的缺點(diǎn)，在信息量大的傳輸方面又受空間的局限。無線局域網(wǎng)IWLAN技術(shù)，特別是采用PROFINET協(xié)議與控制器PLC可以直接通訊，省去中間轉(zhuǎn)換設(shè)備，在安裝使用方面，提高設(shè)備完好率，降低設(shè)備維護(hù)時(shí)間，創(chuàng)新的冗余設(shè)計(jì)和原有的設(shè)計(jì)方式相比，無疑該設(shè)計(jì)方案是相當(dāng)完美的。從已經(jīng)投產(chǎn)的挖掘機(jī)產(chǎn)品上的使用情況來看，使用IWLAN的改進(jìn)設(shè)計(jì)取得了設(shè)計(jì)預(yù)期的效果，獲得了用戶的認(rèn)可。同時(shí)前期設(shè)備的改進(jìn)需求不斷增加，升級(jí)為WLAN信號(hào)傳輸與原有設(shè)備無任何沖突，可行性強(qiáng)，安裝簡(jiǎn)便。