無線通信在電動單軌輸送系統(tǒng)中穩(wěn)定性
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摘要：本文通過分析當前國內(nèi)外光通信行業(yè)物流自動化技術發(fā)展的趨勢和要求，結(jié)合自身智能工廠中物流自動化建設的實踐經(jīng)驗，提出了提升工業(yè)無線通信在電動單軌石英棒輸送系統(tǒng)中穩(wěn)定性的基本思路和實現(xiàn)方法。通過充分利用國內(nèi)外先進的工業(yè)無線通信技術，一方面成功實現(xiàn)了電動單軌石英棒輸送系統(tǒng)實時對地定點通信，另一方面成功解決了在高度信號屏蔽性的凈化廠房內(nèi)遠距離通信過程中電動單軌石英棒搬運小車雙向控制數(shù)據(jù)經(jīng)常丟失的技術難題，實現(xiàn)了高純石英玻璃棒在生產(chǎn)制造過程中全自動化搬運，有效降低了現(xiàn)場操作人員的勞動強度，增強了生產(chǎn)過程中物料搬運的安全性，提升了企業(yè)的綜合競爭力。
關鍵詞：光通信；物流自動化；電動單軌；工業(yè)無線網(wǎng)絡；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，“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，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與保障，超大數(shù)據(jù)中心、超級云計算中心、視頻消費飛速增長、移動互聯(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，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)化競爭日趨嚴重，如何在眾多強企中脫穎而出，需要不斷尋求技術創(chuàng)新和突破，物流自動化就是其中一個重要突破口。隨著物流輸送系統(tǒng)自動化程度的不斷提高，無線通信技術在工業(yè)自動化技術中應用日漸成熟，利用無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡混合組網(wǎng)，是未來自動化控制技術的主要發(fā)展方向。同時無線通信技術的引入，也帶來了新的問題，如網(wǎng)絡的實時信號穩(wěn)定性及本身固有的延時和丟包特點[1]。本文以我司使用的電動單軌石英棒輸送系統(tǒng)中搬運小車在正常運行過程中偶發(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)絡穩(wěn)定性進行了深入分析和研究探討。
2電動單軌石英棒輸送系統(tǒng)
該系統(tǒng)參照汽車行業(yè)電動單軌小車（ElectricalMonorailSystem，EMS）進行結(jié)構設計，汽車行業(yè)EMS主要應用于汽車部裝、焊裝、總裝車間物料及零部件的自動運輸。電動單軌石英棒輸送系統(tǒng)同樣由載物車、導軌、道岔、C型扣、剪刀差機構、輔梁組成。集電器觸頭安裝于移動小車上，滑觸線安裝于輸送導軌內(nèi)側(cè)形成有效供電系統(tǒng)。電動單軌石英棒輸送系統(tǒng)結(jié)構設計如圖1所示。
3常用信號通信方式對比
設計初，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)線加路由器進行信號傳輸，因現(xiàn)場小車為懸掛自動運行結(jié)構，通信線若經(jīng)坦克鏈內(nèi)設布局，會受制于道岔及多頻次來回循環(huán)路徑干涉，難以實施。其次，考慮通過滑觸線進行信號傳輸，擬采用VAHLE的Powercom數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)為本電動輸送小車提供實施通信，其優(yōu)點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致信號中斷的現(xiàn)象，需頻繁維護，而維護作業(yè)需在生產(chǎn)現(xiàn)場搭建腳手架進行高空特種作業(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)強度衰減，現(xiàn)場設計了2對1的無線通信方式（即2個接入點1個客戶端的形式進行布局）以便對信號進行增強。系統(tǒng)設計主要通過BECKHOFF的ADS通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)無線傳輸，實現(xiàn)2大功能，功能1：移動小車相關信息的傳輸包括開關狀態(tài)、為實現(xiàn)低成本、免維護、易安裝的目的，嘗試采用無線通信技術。經(jīng)技術評估，選用PHOENIX的FL系列無線通信模組，以FLWLAN5100作為接入點，以WLANEPA作為客戶端，同時選用漏波電纜作為天線，將無線信號延伸至其所鋪設的位置，漏波電纜長度匹配導軌長度，進行暗裝敷設，以確保軌道周圍無線信號全范圍覆蓋，實現(xiàn)現(xiàn)場AP與客戶端之間的無線信號有效傳輸。其漏波電纜鋪設方案如圖2所示。
4生產(chǎn)現(xiàn)場無線通信敷設方案設計
石英棒生產(chǎn)車間中工藝設備呈網(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，在直軌中段設計多節(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行設備檢修。位置信息、運動狀態(tài)、速度信息和剪刀差位置等信號；功能2：主控柜相關控制命令的傳輸包括載物車啟動、停止、剪刀差的升降、道岔動作等控制命令。其無線系統(tǒng)總體架構設計如圖4所示。
5無線通信在實際應用中穩(wěn)定性分析
在系統(tǒng)投運初期，EMS小車整體運行狀況良好，能夠滿足石英棒流轉(zhuǎn)要求，在運行一個月之后，現(xiàn)場操作人員反饋，某個小車在過程中會偶爾出現(xiàn)停頓現(xiàn)象，必須通過手動復位才能恢復運行。通過調(diào)試軟件進行在線監(jiān)控及小車實際運行過程跟蹤，未發(fā)現(xiàn)設備無線供電、限位開關觸發(fā)、機械卡死等異常狀態(tài)。通過進一步跟蹤和狀態(tài)記錄，EMS小車在多次往返運行過程中停頓的位置很具隨機性；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)絡的穩(wěn)定性及安全性。無線網(wǎng)絡的穩(wěn)定性是指無線網(wǎng)絡中信號應該是持續(xù)良好的，信號強弱程度應該是保持不變的，信號強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)時強時弱時無的現(xiàn)象[2]。想要提高無線網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，就必須對影響無線網(wǎng)絡穩(wěn)定性的因素進行分析，找出影響網(wǎng)絡穩(wěn)定性的原因，制定和實施相應的措施。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行，漏波通信主要涉及2個技術指標。
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算公式為(1)式中，D為同軸電纜外導體銅網(wǎng)內(nèi)徑；d為同軸電纜芯線外徑；εr為導體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。通過計算z0=50Ω，其中漏波電纜負載阻抗zL選用型號為50Ω，與之匹配，饋線上只存在傳向終端負載的入射波，而沒有由終端負載產(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；計算出衰減系數(shù)為19.8dB/100m，在實際運行中最遠距離為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)絡信號掃描工具（InSSIDer）進行信號監(jiān)測，對信號名稱、強度、信道進行檢查并分析，無線網(wǎng)AP數(shù)量眾多，統(tǒng)計見表1。PxC_CSI與車間網(wǎng)絡Prod同處36信道且信號重疊嚴重，環(huán)境信號檢測結(jié)果如圖5所示。解決方案為對5100模塊重新進行參數(shù)設定，將2個AP通道分別設置為44和48，成為獨立通道，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控制器設置在同一網(wǎng)段（169.254.5.X），通過PC調(diào)試端進行信號監(jiān)控，對某一時間段進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理分析，如圖6所示。經(jīng)過以上分析可知：①無線信號的反饋時間高于有線信號的反饋時間；②無線信號存在波動性，即穩(wěn)定性能在某一時刻會受到干擾；③信號回復時間一般為2ms，最長回復時間為32ms。針對32ms延時問題，對PLC控制器掃描周期進行確認，打開TwinCAT3軟件，連接主控柜PLC程序，在硬件配置中打開Real-Time查看任務掃描周期為10ms，結(jié)果如圖7所示。因現(xiàn)有無線網(wǎng)絡配置無法縮短信號回復時間，故采用增加PLC掃描周期至80ms（數(shù)值過大，導致遠程通信模塊中斷），通過測試發(fā)現(xiàn)小車停頓現(xiàn)象消除。經(jīng)研究分析和技術探索，無線模塊迭代更新升級應用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致無線回傳率過高，可適當降低功率至-5dBm），可有效提升整個無線網(wǎng)絡通信的穩(wěn)定性；此外，在經(jīng)濟及環(huán)境條件許可的情況下，可通過增加無線AP的數(shù)量（即增加無線設備分布密度，AP之間漫游切換時間需綜合考慮）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輸送小車系統(tǒng)中無線通信穩(wěn)定性的技術手段，積累了無線通信設備故障解決的經(jīng)驗，為后續(xù)同類設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，無線通信技術已快速滲透至智能搬運、智能輸送、智能倉儲等眾多物流自動化領域，對通信過程中收發(fā)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、準確率的要求將會越來越高，這也將直接影響到設備的高效性、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。
參考文獻
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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
