起重机防碰撞通讯关键要素研究

王勇 王兴权 罗建国

1.大连理工大学常州研究院 江苏常州 213164;2.赤峰市特种设备检验所 内蒙古赤峰 024000

改革开放以来,我国经济建设快速发展,人民生活质量逐步提高,城市基础设施建设也随着加大,而起重机设备作为目前工地建设过程中不可或缺的部分,已经成为了工地建筑中最重要的装备设施之一。在目前的现场环境中,经常会发生因人为操作不当而导致的安全生产事故,市面上虽然已经出现了起重机防碰撞监控设备,但是它们实际的现场效果仍不明显,其根本原因在于防碰撞设备的数据传输问题。数据传输部分作为起重机防碰撞设备最重要的部分,它的性能将直接影响到整个防碰撞设备的效果。本文就针对影响无线模块数据传输的因素进行详细探讨。

1 影响无线传输模块的因素

在实际现场环境中,影响无线模块效果的因素有很多,这些因素的存在会一定程度上降低防碰撞系统的数据传输效果,所以在现场运用中应尽量避免这些影响因素。

1.1 现场环境

无线通讯不同于有线通讯方式,它对于无线模块所处的现场环境要求较高,不能有强信号干扰源,需要空旷无遮挡的环境,甚至天气情况也会影响无线通讯的效果。物理的阻碍物会阻挡无线信号,并且会吸收电磁能量,导致无线信号变弱;无线电波由于具有直线传播的特性,其绕射物体的能力非常弱,传输路径一旦被障碍物遮挡,将会导致无线设备只能接到很微弱的信号甚至无法收到信号;另外,天气状况也会干扰无线信号的传输,例如阴雨天气时的无线信号衰减比较厉害,而在晴天的时候信号衰减通常会比较小。

1.2 传输速率

无线传输需要考虑传输速率,传输速率包括空中速率和波特率,传输速率越大,相同时间传输的数据也就越多。但对于无线通讯方式而言,传输速率越高,通讯出错的概率也就越大。所以在现场运用中需要在这两者之间寻找到平衡点,以达到现场的使用要求。另外,无线模块供应商在宣传时会使用最大传输速率进行宣传,然而在实际现场中一般是无法达到最大传输速率的,这个问题也需要在实际使用中注意。

1.3 信号强度

图1是802.11标准的实验室测试结果,结果显示,信号强度越高传输速率越快。X轴是信号强度,Y轴是传输速率。

图1 网速和信号强度的关系曲线

无线模块的信号强度直接影响数据的传输效果,同样距离的两个无线模块进行数据传输,信号强度强的无线模块数据传输会比较稳定,而信号强度低的无线模块数据出错的机率更大。

1.4 工作频段

工业场合最常使用的是2.4GHz和433MHz频段。无线传输方式不同于有线传输方式,它必须在规定的频段内进行数据传输,如果在同时间、同频段内存在过多的设备,则各个设备之间会存在频道冲突,产生无线信号串扰的问题,解决的办法是调整不同功能的无线模块使之处于不同的频段内。另外,无线模块由于其本身特性导致附近如果有较强的磁场存在,会严重干扰到无线网络的运行,所以在使用时应尽量远离强磁场干扰源,如变压器、变频器、WIFI设备等,否则会造成无线设备无法使用的情况。

1.5 通讯接口

工业现场常用的通讯接口有RS232/485、CAN等。在单节点和数据量比较少的情况下,可以使用RS232/485方式进行数据通讯;而在多节点和大数据量的情况下,宜采用CAN方式进行通讯。CAN由于舍弃了站地址编码方式,具有独特的短报文传输模式,每一帧传输8个字节数据,使得CAN接口具有报文传输时间短、抗干扰能力强的特点,这个特性在防碰撞通讯这种对数据实时性要求较高的场合比较适用。

1.6 工作模式

在无线通讯的工作模式中,需要考虑的主要为主从模式和广播模式。在单节点小数据模式时,宜采用主从模式,该模式对节点网络的负担较小,可靠性较高;在多节点大数据模式中,宜采用广播模式,该模式对节点网络的负担较大,由于每个节点都需要进行数据收发,所以不可避免地会出现数据碰撞,并且随着设备的增加,数据碰撞的概率也越大,所以在用广播模式时,需要注意到这一问题。

2 现有无线网络对比

综合对比各类型无线网络,可适用于防碰撞系统的无线网络为Zigbee网络和LORA网络,其对比如表1所示。

表1 现有无线网络对比

3 现有防碰撞系统方案对比

3.1 使用RS485/RS232的Zigbee模块

RS485/RS232的Zigbee模块见图2。此系统采用RS485/RS232的Zigbee模块与控制器进行串口通讯。Zigbee模块采用了市场上通用的产品模块,并采用透明传输方式。但此系统存在RS485/RS232速度较慢的缺点,并且由于采用透明传输的方式,无法及时处理防碰撞的大数据量问题,因而造成大量数据冲突导致数据传输误码率高。因此,该方案适用于防碰撞设备较少的情况,并且由于价格便宜,广泛使用于小型防碰撞系统。

图2 RS485/RS232的Zigbee模块

3.2 使用定制CAN接口的Zigbee模块

定制CAN接口的Zigbee模块见图3。此系统采用定制的CAN接口Zigbee模块与控制器进行数据通讯,Zigbee模块是基于防碰撞大数据量问题进行定制化开发,优化了Zigbee模块之间、控制器与Zigbee模块之间的数据传输效率。此方式相比RS485/RS232的Zigbee模块性能提升了60%以上,数据交互速率和正确率大幅提高,但是由于存在Zigbee网络的低功率、高丢包率的问题,导致其实际稳定的空中速率较低,此方案适用于中型防碰撞系统中。

图3 定制CAN接口的Zigbee模块

3.3 使用定制CAN接口的LORA模块

定制CAN接口的LORA模块见图4。此系统采用定制的CAN接口LORA模块与控制器进行数据通讯,优化了LORA模块之间、控制器与LORA模块之间的数据传输效率。 LORA无线网络以其远距离、高速度、高信号强度的特点,适用于大型防碰撞系统,其相比CAN接口的Zigbee模块,性能提升30%以上。

图4 定制CAN接口的LORA无线网络

4 结论

在防碰撞系统的研究中,我们通常会将大部分精力集中在起重机的数学模型和算法的研究上,忽视了防碰撞通讯模块对于整个防碰撞系统的重要性。本文通过对现有防碰撞系统及影响无线模块数据传输因素的探讨,总结了无线模块在现场使用中需要注意的事项和现有防碰撞系统方案的特点,对于防碰撞系统的现场应用具有一定的借鉴意义。

经过大量的现场实验数据分析表明,在工业现场宜采用基于CAN接口的LORA无线模块作为起重机防碰撞系统的数据传输设备,可以保障数据的实时性、正确性。