工业无线技术IPCF协议漫游通讯在挖掘机上的应用

岳海峰

（1.矿山采掘装备及智能制造国家重点实验室， 山西 太原 030024； 2.太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原 030024）

1 常规点对点无线传输在设备应用中存在的问题

对于大型旋转设备，如矿用挖掘机相对固定部分与旋转部分间的电气信号连接大致有集电环形式与目前采用的无线传输方式两种。集电环信号传输又有信号环和通信环两种，前者一个环传输一个信号，受空间限制，传输数量不高，且碳刷与铜环接触磨损故障率相对较高，后者可以通过通讯环传输通讯数字信号，容量较前者大很多，但由于传输信号电压较低，传输频率接近噪声频率，在挖掘机变频驱动存在极大电磁噪声干扰环境下，对集电环工艺要求很高，且无法避免接触磨损。工业无线采用信号无接触式传输，传输频段在2.4 GHz以上，相对传输信号容量大，数字量、模拟量信号都可以传输，随着设备智能化、信息化功能增多可以满足越来越多的信号有效传输。挖掘机作业环境差，灰尘大，震动强烈，存在油污污染，设备旋转角度不定，旋转速度变化大，由于结构的设计无法满足无线天线的始终可见性，在实际应用中发现单一的点对点传输也存在些问题需要针对性解决。单一的多增加天线，天线的长度越大信号衰减量也大，增加天线可能无效，相反的情况在设备运转中某一位置信号强度超过一定值产生的振聋效应也会使信号传输失败。控制信号要求实时性强，信号传输百毫秒级中断会造成设备的非正常损坏甚至安全问题。为了能够更加可靠稳定传输控制信号，提高系统的稳定性，采取新的设计策略。

2 新的挖掘机无线传输方案规划以及硬件配置

挖掘机下部设置一个信号点Profinet IO站点，客户端采用一个6DB全向天线，通过3 m天线连接线连接至客户端接口。挖掘机上部平台左侧润滑室Profinet IO站点设置一个AP接入点，通过5 m天线连接线接至平台下表面6DB全向天线，挖掘机上部平台右侧PLC柜设置一个AP接入点，通过5 m天线连接至平台下表面6DB全向天线。2个AP与下部客户端呈布置，上部平台全向天线朝下，下部全向天线朝上。天线安装位置尽量避开遮挡，最大可能实现AP与客户端的可视传输，另外天线具有极性区分，无线信号发射端与接收端尽量保持相同极化方向，未接天线的模块一端需要增加50 Ω终端电阻，见图1。

图1 具备IPCF漫游功能的无线传输配置

新方案采用IPCF通讯协议的漫游方式，以解决挖掘机在旋转作业中无线天线相对位置的变化下信号的稳定可靠联接。漫游是指客户端在移动过程中从前一个相连的AP断开，连接到另一个AP的过程。在这个切换过程中，数据是不能进行传输的，所以漫游时间是越短越好。相对于DCF协议（分布式协调功能协议，DCF是基于CSMA/CA的随机竞争接入方式），iPCF（点协调功能）协议中，访问接入点（AP）控制着客户端的通信，这样就避免了冲突，并且数据传输间隔是确定性的。客户端在两个AP之间漫游的情况下，漫游时间低于50 ms。

3 项目实施现场信号勘测与设备安装（见下页图2）

项目实施现场应用工业无线产品，首先要了解现有的无线环境。目前的工业无线开放了2.4 GHz和5 GHz两个频段资源来使用。2.4 GHz频段一个信道占22 MHz，每个信道步进5 MHz，可用无干扰信道只有3个，现场如果有无线发射、WIFI路由、蓝牙甚至微波炉信号可能会造成同频信号叠加，导致信号丢失，是否必需使用2.4 GHz频段根据项目现场确定。5 GHz频段一个信道占20 MHz，每个信道步进5 MHz，可用无干扰信道多大9个，如需现场协调可与用户协商使用。建议使用5 GHz频段，频段可选择数更多，被其他WLAN设备干扰的概率更低，但信号穿透能力更弱。本项目施工现场应用软件Analyzer测试后得知现场有2.4 GHz信号信道，无5GHz信道使用，因此挖掘机应用5 GHz频段9个信道中2个信道，并做相关的备注。

图2 挖掘机现场信号勘测与设备安装

挖掘机2个AP和一个客户端均采用柜体内安装，天线馈线2.4 GHz应用时信号衰减度为0.55 dB/m，5GHz应用时信号衰减度为0.88 dB/m，尽可能避免不必要的损耗，天线馈线够用即可。控制系统中信号强度在-65～-40 dB最好，过高的信号强度会带来过增益，极端情况下可能会造成芯片损伤。挖掘机首次应用时初步布置天线位置，参数设置完成后应旋转设备，根据所接收到的信号强度（分贝数）检查是否需要调整全向天线位置，使其满足要求。

4 项目软件参数配置

该项目包括2个型号W774-1RJ45的AP接入点，和1个型号为W734-1RJ45客户端，先分别对AP和客户端进行基本参数的设置，然后激活iPCF漫游功能。

首先通过以太网电缆连接已经上电的AP，使用IP地址分配软件通过笔记本网卡搜索，找到硬件默认IP地址为0.0.0.0，根据项目实施组态进行IP分配。本项目挖掘机采用的是S7-1500产品PLC，现场总线为Profinet通讯，IP分配为192.168.0.31。然后在IE浏览器中打开192.168.0.31，进入初始页面，根据向导设置项目参数。由于本项目有2个AP接入点，设置第一个AP名称“System Name”为AP1，产品使用国家选项“Country Code”根据需要选择，涉及到相应国家对工业无线信道的使用情况。设置天线“antennas”选项，选择同类型天线增益最大的型号，“Cable Length[m]”设置为10，以获得额外的发射功率增益（实际的发射功率会超过20 dB，每增加3 dB功率增加一倍）。如果有需要，还可以通过人为设置额外衰减“Additional Attenuation[dB]”来进一步加大发射功率，例如设置为3 dB。若所设置的天线与要求的功率不符，有警告提示可酌情修改发射功率，直到合理为止。设置完天线后进入“Basic”页面，启用5 GHz时使用802.11.a模式，启用2.4GHz时使用802.11.g模式。本项目使用5 GHz，每一个AP设置一个信道，结合之前对无线环境的勘测，设置AP1使用36信道。最后在“security”中根据需要设置AP的连接密码【1】。AP2的设置只需重复上述步骤，将AP2的 IP地址分配为 192.168.0.32，在“System Name”名称改为AP2，设置AP2使用40信道，其他设置均相同。

客户端Client的设置同样首先分配IP地址，本项目设置为192.168.0.33，进入天线设置页面，名称更改方法、国家选择以及客户端天线页面设置方法与AP一致。“SystemName”设置为Client，如客户端只有一个天线，第二个天线接口选择50Ω的电阻。“Allowed Channels”勾选 AP的 36、40信道，指定信道连接可以节省自动搜索时间，有助与漫游交接时间缩短。“Roaming Threshold”（漫游阈值）,选项 high为信号强度相差大时切换到强度高的AP，medium为中度，low为轻微的强度差就会切换到高强度的ap，本项目设置为medium。

设置完成后，将 AP1、AP2、Client的“ifeatures”选项中的IPCF激活【2】，然后进行传输信号测试。

5 项目无线应用的实施效果验证及注意事项

初步布置天线位置以及天线馈线的长度后，需要通过应用效果验证是否能够达到无线信号传输的较理想状态，总能够保持在-40～-65 dB。连接客户端 Client，打开 Interfaces>WLAN 的“Signal Recorder”页面，设置采样时间间隔100 ms，样本数据10000点【3】。首先测试在只有一个AP1接入点的情况下信号在挖掘机360°的旋转中最低功率-75 dB，且丢包率高，出现通信中断现象，这与客户端采取了一定的防护遮挡有关。启动2个AP接入点，支持iPCF漫游功能后，静态下的信号传输见下页图3，旋转挖掘机信号测试见下页图4。

静态为挖掘机如图2所示位置下，AP1与Client之间进行数据交换，AP1发出信号强度-55 dB，Client接收信号强度-50 dB，信号稳定无丢包。720°旋转信号测试，图4中横轴960 s后客户端更改了接入点（漫游），通过黑色竖线进行显示。切换阈值为-65 dB，切换后幅值为-50 dB。整个一周客户端Client接收信号强度不超过-40 dB，最小值-65 dB，在不同位置下AP1、AP2间实现切换漫游。达到了使用的理想指标范围，实现了信号传输的可靠性。

图3 静态下信号测试

图4 旋转动态信号测试

6 结论

本项目首次在大型矿用挖掘机上应用工业无线IPCF漫游通讯技术，实现上部旋转部分与下部相对固定部分间电气元件控制信号的可靠传输，在工业环境灰尘大、油污大、天线在作业范围内存在不可见盲区条件下，通过合理的前期环境判别、天线以及馈线的有效布置、可见的信号强度评估能够将控制信号的联接强度保持在-40～-65dB，实现客户端在两个接入点间的漫游通信，解决了以往工业无线一对一发射与接收在挖掘机作业回转移动中信号传输中断的问题。相对于传统的集电环方式，在信号传输数量与传输物理通路的抗干扰性上具有很大的优势。