强电磁场环境无线通信技术研究应用范文
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摘要：为满足电解铝厂数字化和智能化的功能需求，在电解车间强电磁场环境下建立稳定的工业数字化无线通信系统，介绍了工业无线局域网技术在电解铝厂天车通信系统上的应用，并对项目实施中的重点进行了分析和探讨。
关键词：强电磁场；电解铝厂；无线通信；无线局域网；天车通信
1引言
近年来我国无线通信技术得到了迅猛地发展，利用无线电波将计算机设备与网络数据传输系统进行有效的连接，实现工业生产各类信息的有效传递，并成功地解决了远距离传输、电缆敷设困难、地形环境恶劣等传统通信无法克服的一系列问题。随着无线电通信技术中数据处理和数据传输容错、检错等技术的不断发展，无线通信的可靠性和稳定性都得到了极大地提升，工业无线局域网技术在工业领域已经得到了广泛地应用。同时，无线局域网通信技术具有安装方便、灵活性强、性价比高等优势，是继现场总线、工业以太网技术之后工业控制系统领域的又一个热点技术。特别是近几年，工业自动化领域当中无线局域网在各种复杂工业环境中得到了广泛地应用，其优点很多：（1）建设成本低，无须敷设大量通信电缆和搭建电缆桥架，只需在现场设备旁安装无线采集设备；（2）具有良好的可扩展性，监控中心除了和本无线网络内的所有节点通信外还可以让其它的网络或节点通信接入；（3）维护简单、采集数据精确快捷、安装接线容易；（4）在环境较恶劣的环境下也能使用；（5）功耗低，所有系统设备均采用低功耗设计，节能环保、经济实用。
2工业无线局域网络技术的应用前景
近年来，随着国家对技术革新力度的加大，越来越多的铝厂开始对自身原有的设备进行自动化、信息化和智能化改造。以铝厂的电解车间为例，电解多功能智能天车是电解生产的重要设备之一。其主要功能有：打壳、加料、换极、出铝等，在工作中需要频繁移动，难以布设通信和控制电缆。以往，每台电解多功能智能天车每班均配有1名天车司机，操作时需要与地面操作工语言沟通，人工完成上述操作，生产效率较低。因此，提高电解多功能智能天车的生产效率，取消人工操作，实现远程自动控制和有效可靠的通信，成为生产过程中急需解决的问题。电解车间为复杂的强电磁场环境，以笔者单位设计的NEUI500型电解槽为例，电解槽操作平面的最大磁场强度为420Gs，多功能智能天车轨道的操作面的最大磁场强度约为120Gs。因此，需要有一种既能够在复杂强电磁场环境下稳定工作，又具备灵活的、可移动性的通信方式。如何在复杂强电磁场环境下实现稳定、可靠的通信和控制，成为系统设计的关键。经过论证，选择应用工业无线局域网技术来实现电解多功能智能天车与控制中心之间的通信。
3系统的组成
3.1无线接入标准
影响通信距离的因素挺多，主要取决于所用频率、天线类型和增益、安装环境，设备的可靠性，接收灵敏度和发射功率等。经过比选，选择西门子工业无线局域网络技术。西门子工业无线局域网络技术，基于通用的认证标准IEEE802.11，可适用于2.4GHz的网络，自动无线漫游，轮询监控，IP监控，无线链接的可预测数据流和确定响应时效，借助于WPA网络安全机制来控制整个128位码的正常交换，根据进加密标准（AES）进行编码，并与国际标准IEEE802.11兼容，保证了授权信息的安全性和可读性，实现标准的PROFINET通信。通过SIEMENS的自动路由及相关技术，IWLAN可以使电解多功能天车的控制网络无缝、实时集成到工厂的PROFINET控制网络之中，实现电解多功能天车与电解储运系统、净化以系统及槽控系统的网络通信要求。
3.2无线AP
在本项目中，整个系统由电解储运、净化以及槽控系统、电解多功能天车的控制站和无线以太网模块组成。无线模块一端为无线网络，另一端为工业以太网接口，接入控制系统网络。在无线局域网覆盖范围中，多台电解多功能天车控制站的接入端都可在无线信号覆盖区域中自由移动，并能够实时交换数据。无线通信AP模块采用西门子SCALANCEW788-1RJ45，天线采用西门子ANT793-6MN。为了远离电磁场，将无线通信模块的控制箱安装在电解车间厂房的最上部。无线通信AP模块的电源采用开关电源进行隔离，通信网络采用光缆，并设置光电转换模块进行网络转换，所有的元器件都放置在全封闭的控制箱内，用来屏蔽外部的电磁场干扰。只有通信天线安装在外部，发送和接收无线信号，只要电磁强度不发生剧烈变化，对无线信号的影响可以忽略不计。西门子SCALANCEW788-1RJ45的防护等级为IP65，工作环境为-20℃~+60℃，通过屏蔽保护方式可以适应目前的电磁场环境。在电解车间厂房的形状扁，长度比较长的情况下，我们设置多个AP实现了电解车间的全覆盖，并考虑了电解多功能天车上的线接入点client从一个AP跳到另一个AP的时候的跳频接入情况。其系统架构，如图1所示。
3.3无线接入点client
电解多功能天车的控制站的无线接入点client，采用西门子SCALANCEW748-1RJ45，天线采用西门子ANT793-6MN。为了保证信号的接收和发送达到最大可能，天线设置电解多功能天车的最高点，与无线通信AP模块的天线处于同一个水平面上，并且四周没有遮挡。另外，考虑到设备接收无线信号会因环境因素出现不稳定的情况，一旦信号连接质量降低，能够自动切换为低数据传输速率。
4存在问题和解决方法
系统测试过程中，工业无线局域网络工作很稳定，网内Ping值也在5ms以内。当电解多功能天车上的无线接入点client从一个AP跳到另一个AP时，出现次数最多的问题是跳频，导致网络延时较大，网内Ping值会高达100ms。前期系统没有配置网络平衡的情况下，接入AP之间还会发生震荡，client不停地在两个AP之间跳动接入，加剧网络延时，导致通信数据包丢失。经过两个方面的程序优化后，满足无线通信要求：（1）减轻和均分无线网络负载，在满足工艺要求的条件下，尽可能地增大通信数据的发送间隔，不要在同一时间点去发送大量的数据；（2）让数据经过处理后再经过无线传送。另一个问题是对无线网络状态进行监控。一旦系统或者设备发生故障，需要分析出究竟是因为网络通信延时造成的故障或是其他原因。虽然控制系统PLC可以对网络子站是否丢失进行诊断，但是网络子站丢失基本上都是上百ms的通信延时后才会发现丢失。在对信号实时性要求比较高的应用中，有时候几十ms的信号延时就有可能造成设备工作的异常。因此在做选型设计的时候还是要进行综合考虑。关于无线网络信号强度的分析，西门子的客户端集成了信号强度记录功能，可以在客户端的移动过程中把信号强度记录下来，并以图形化的方式在SCADA系统中显示。无线网络信号强度记录和保存，还有一些无线的分析软件工具可以帮助分析，如Fluke提供的AirMagnetSurvey无线网络勘察验收工具等。对于工业无线局域网络技术，信号质量非常重要，而信号质量主要取决于安装环境和天线，不同的应用和现场条件决定着各自的安装方式千差万别，有一些经验原则可供参考：（1）尽可能让接收发送天线可直视，无遮挡。（2）注意天线的安装方向。譬如柱状的全向天线，其电波发射方向是主要是垂直于天线轴的水平方向。（3）对于不确定的场合，建议天线安装在可调节的支架上，这样方便现场调节，而如果是固定的如焊接死的支架，调整会很困难。（4）无线信号也不是愈强愈好，最好维持在手册里给出的值之间。（5）利用客户端的信号强度记录功能，查看在整个运行过程中哪些区间信号薄弱，哪些区间信号过强，调整后再作对比。
5结论
该系统自投入运行后，通信非常稳定，并且经过了雷雨等天气的考验。通过无线通信和控制系统的配合，在控制中心实现了远程故障诊断，提高了维护效率。同时，工艺中各环节真正紧密结合在一起，为生产提供了有力保障，提高了生产效率。无线局域网技术在强电磁场环境下的成功应用，为解决这类问题提供了一个新的方法。
作者：方运涛 刘柯楠 魏迎春 单位：东北大学设计研究院有限公司