西门子IWLAN在WK矿用挖掘机上的应用★

吉孟兰

（太原重工股份有限公司技术中心， 山西 太原 0300024）

1 技术背景

WK矿用挖掘机是用于大型露天矿用来采矿、剥岩的设备，主要由上部工作装置（包括提升、推压、回转三大机构）和下部移动部分（行走机构）组成。通过提升、推压铲斗挖掘物料后，回转至一定角度卸料，移动时靠履带行走。WK矿用挖掘机驱动系统采用目前先进的交流变频技术，控制系统为Siemens S7-1500系列。上部工作部分与下部移动部分的电气连接通过安装在中央枢轴处的集电环，其中有控制信号环12个。电信号通过碳刷与固定的铜环滑接，实现旋转部件的电气连接。接线简单但由于振动大且易发生接触不良打火花，需要定期的维护，需更换碳刷、碳刷压簧等。图1是运行中回转装车的挖掘机，图2是集电环结构的局部。

图1 工作中的挖掘机

图2 集电环局部

随着挖掘机产品智能化、信息化水平的提升，下部行走机构的检测、保护传感器增加，对于驱动系统电机温度、轴承温度、自动排缆装置控制、润滑点检测、气压检测等信号成倍增加。由原来的12个开关量信号增至目前开关量信号20个，模拟量信号12个，特别是模拟量信号受变频驱动电机电源的干扰严重，原有的集电环在空间的局限性上以及传输信号的抗干扰上都已不能满足要求。

2 IWLAN技术特点

工业无线通讯，简称IWC，涵盖了西门子用于工业通讯的三种无线通讯的解决方案：工业无线远程通讯、工业无线局域网IWLAN和WirelessHART。其中IWLAN用于控制器之间、HMI或者I/O系统之间通讯的本地无线网络，支持PROFINET协议以及自动故障防护的PROFIsafe协议，实现固定节点间、移动节点间的高数据传输速率的实时控制与监控。与目前使用的S7-1500现场总线PROFINET无缝衔接。传输速率和可靠性与其他同类型对比见下页图3，IWLAN技术遵循WLAN标准IEEE802.11n的多入多出（MIMO）较单入单出（SISO）允许更高的带宽，拥有更高的可靠性，最高达450 Mbps。

图3 IWLAN 速率与应用范围

即使IWLAN本身具有很多优点，应用于挖掘机还需要很多特殊的设计和考虑。知道挖掘机露天野外作业，灰尘大、振动强烈，电气元件特别是布置在室外的都必须满足振动要求大于10 g，防尘防水IP65以上。根据这些要求选用了IWLAN产品中SCANLANCEW748-1、SCANCELANCE W788-1 组成点对点通讯对[1]。SCALANCE W系列产品满足极端环境应用要求，带宽高450 Mb/s，金属外壳IP65防护，抗振东、抗紫外线、工作频率2.4GHz或5.0 GHz，抗EMC干扰。360°全向天线实现可靠的无线覆盖，快速漫游功能实现PROFINETI/O设备数据传输的实时性。

3 挖掘机IWLAN通讯实施方案

在挖掘机下部底架梁增加IP56低压控制箱1个，控制箱内设置ET200MP远程站点，客户端W748-M12也安装在低压控制箱内，其RJ45接头连接柜内ET200MP远程I/O站点PROFINET接口。该站点作为下车信号的控制站，原经滑环传输的信号全部集中到本地站点。全向天线通过连接电缆引出柜外固定，设计单独的防油污安装支架。上车接入点W788-M12安装在有S7-1500的PLC柜内，其RJ45接头连接至SCLANCE X208交换机，通过交换机与1500PLC通讯[2]，全向天线也通过电缆引出PLC柜外。系统组成图见图4。

图4 IWLAN通讯系统组成

挖掘机下车控制信号通过IWLAN实现通讯，解决了挖掘机智能化、信息化要求下，传感器增加带来的集电环高度受限的关键问题，由于IWLAN的功能强大，对于挖掘机的开关量以及模拟量信号的传输完全满足，可以认为没有限制。对于寒冷潮湿工况下应用，要在下部低压控制箱内增加自动加热除湿系统。对于高热环境下应用，要在控制箱内增设自动温度控制散热系统。基本上满足目前所有应用工况的使用，包括海拔5 400 m的西藏高原。

挖掘机工作环境多数极端恶劣，灰尘大，空气潮湿或者飘雪的工况下，长时间的运行可能会造成雪与灰尘结合成泥附着在发射天线上，附着层厚6 mm以上会导致信号在最远距离端减弱，跳动，需要定期（1次/月）维护信号天线。如果集电环再设计4个屏蔽的PROFINET通讯环，构成一条有线连接，连接下车ET200MP和PLC柜内交换机做冗余设计，见图5。利用环网的通讯优点，挖掘机上下车通讯发生故障的概率大大降低。

图5 PROFINET冗余设计

4 结论

传统的集电环信号的传输存在碳刷磨损、跳槽、维护量大的缺点，在信息量大的传输方面又受空间的局限。无线局域网IWLAN技术，特别是采用PROFINET协议与控制器PLC可以直接通讯，省去中间转换设备，在安装使用方面，提高设备完好率，降低设备维护时间，创新的冗余设计和原有的设计方式相比，无疑该设计方案是相当完美的。从已经投产的挖掘机产品上的使用情况来看，使用IWLAN的改进设计取得了设计预期的效果，获得了用户的认可。同时前期设备的改进需求不断增加，升级为WLAN信号传输与原有设备无任何冲突，可行性强，安装简便。