无线通信在电动单轨石英棒输送系统中稳定性分析

施春林，赵海伦，薛 钦，徐金田

（江苏中天科技精密材料有限公司，江苏 南通 226009）

1 引言

近年来，随着“宽带中国”战略的持续推进，“互联网+”行动计划，以及“一带一路”“中国制造2025”等为代表的国家政策层面因素的推动与保障，超大数据中心、超级云计算中心、视频消费飞速增长、移动互联网(5G)升级换代等，使我国光通信行业保持了较高景气度。同时，伴随着国内人口红利的逐步消失，各大光纤制造厂家产能持续释放，通信行业同质化竞争日趋严重，如何在众多强企中脱颖而出，需要不断寻求技术创新和突破，物流自动化就是其中一个重要突破口。

随着物流输送系统自动化程度的不断提高，无线通信技术在工业自动化技术中应用日渐成熟，利用无线网络和有线网络混合组网，是未来自动化控制技术的主要发展方向。同时无线通信技术的引入，也带来了新的问题，如网络的实时信号稳定性及本身固有的延时和丢包特点。本文以我司使用的电动单轨石英棒输送系统中搬运小车在正常运行过程中偶发停顿故障为例，对生产现场通信使用工业无线网络稳定性进行了深入分析和研究探讨。

2 电动单轨石英棒输送系统

该系统参照汽车行业电动单轨小车（Electrical Monorail System，EMS）进行结构设计，汽车行业EMS主要应用于汽车部装、焊装、总装车间物料及零部件的自动运输。电动单轨石英棒输送系统同样由载物车、导轨、道岔、C型扣、剪刀差机构、辅梁组成。集电器触头安装于移动小车上，滑触线安装于输送导轨内侧形成有效供电系统。电动单轨石英棒输送系统结构设计如图1所示。

图1 输送系统结构

3 常用信号通信方式对比

设计初，信号通信方式优先考虑使用有线通信，即通过超六类网线加路由器进行信号传输，因现场小车为悬挂自动运行结构，通信线若经坦克链内设布局，会受制于道岔及多频次来回循环路径干涉，难以实施。

其次，考虑通过滑触线进行信号传输，拟采用VAHLE的Powercom数据通信系统为本电动输送小车提供实施通信，其优点在于可与法勒滑触线系统配套使用，道岔处采用柔性电缆连接，缺点在于滑触线现场制作安装的效果对信号传输稳定性存在重要影响，系统测试评估过程中频繁出现集电极触头与滑触线不能可靠接触导致信号中断的现象，需频繁维护，而维护作业需在生产现场搭建脚手架进行高空特种作业，对车间环境及安全管控均存在较大隐患，综合评估此方案不符合现场试用要求。

为实现低成本、免维护、易安装的目的，尝试采用无线通信技术。经技术评估，选用PHOENIX的FL系列无线通信模组，以FL WLAN 5100作为接入点，以WLAN EPA作为客户端，同时选用漏波电缆作为天线，将无线信号延伸至其所铺设的位置，漏波电缆长度匹配导轨长度，进行暗装敷设，以确保轨道周围无线信号全范围覆盖，实现现场AP与客户端之间的无线信号有效传输。其漏波电缆铺设方案如图2所示。

图2 漏波通信

4 生产现场无线通信敷设方案设计

石英棒生产车间中工艺设备呈网格状分布，左右跨度约35 m，为了让物料有效流转，现场采用32 m直轨布局，如图3所示，在直轨中段设计多节道岔，方便悬挂小车中途避让，以及一旦任一小车出现故障后可临停岔路进行设备检修。

图3 设备布局及道岔设计

考虑无线信号在传输过程中可能出现强度衰减，现场设计了2对1的无线通信方式（即2个接入点1个客户端的形式进行布局）以便对信号进行增强。系统设计主要通过BECKHOFF的ADS通信协议进行数据无线传输，实现2大功能，功能1：移动小车相关信息的传输包括开关状态、位置信息、运动状态、速度信息和剪刀差位置等信号；功能2：主控柜相关控制命令的传输包括载物车启动、停止、剪刀差的升降、道岔动作等控制命令。其无线系统总体架构设计如图4所示。

图4 无线系统总体构架

5 无线通信在实际应用中稳定性分析

在系统投运初期，EMS小车整体运行状况良好，能够满足石英棒流转要求，在运行一个月之后，现场操作人员反馈，某个小车在过程中会偶尔出现停顿现象，必须通过手动复位才能恢复运行。通过调试软件进行在线监控及小车实际运行过程跟踪，未发现设备无线供电、限位开关触发、机械卡死等异常状态。通过进一步跟踪和状态记录，EMS小车在多次往返运行过程中停顿的位置很具随机性；因此，初步断定故障原因很有可能为无线通信信号的稳定性受到了一定的干扰。考虑无线网络的特殊性，无线电磁波信号容易受到干扰或者是非法入侵，从而影响无线网络的稳定性及安全性。无线网络的稳定性是指无线网络中信号应该是持续良好的，信号强弱程度应该是保持不变的，信号强度不受外界干扰而有所影响，即使是信号弱的地方也不能出现时强时弱时无的现象。想要提高无线网络的稳定性，就必须对影响无线网络稳定性的因素进行分析，找出影响网络稳定性的原因，制定和实施相应的措施。其影响稳定性的因素主要有信号传输、环境干扰和网络本身之间的干扰。屏蔽环境下信号传输一般通过漏波电缆进行，漏波通信主要涉及2个技术指标。

5.1 传输线特征阻抗

无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗，用表示。同轴电缆的特性阻抗的计算公式为

式中，为同轴电缆外导体铜网内径；为同轴电缆芯线外径；为导体间绝缘介质的相对介电常数。通过计算= 50Ω，其中漏波电缆负载阻抗选用型号为50Ω，与之匹配，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射波，天线取得全部信号功率。

5.2 馈线衰减系数

信号在馈线里传输，除有导体的电阻性损耗外，还有绝缘材料的介质损耗。这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。信号衰减系数计算公式为

式中，为输入到馈线的功率；为长度为（m）的馈线输出功率；计算出衰减系数为19.8 dB/100 m，在实际运行中最远距离为35 m，信号理论衰减值为6.93 dB，受环境因素影响衰减值略微偏大，但不足以影响信号整体稳定性。

现场使用无线网络信号扫描工具（InSSIDer）进行信号监测，对信号名称、强度、信道进行检查并分析，无线网AP数量众多，统计见表1。

表1 无线网AP统计表

PxC_CSI与车间网络Prod同处36信道且信号重叠严重，环境信号检测结果如图5所示。解决方案为对5100模块重新进行参数设定，将2个AP通道分别设置为44和48，成为独立通道，排除干扰可能性。

图5 环境信号检测结果

其次对通信信号监听，将无线模块IP地址与BECKHOFF CX51系列PLC控制器设置在同一网段（169.254.5.X），通过PC调试端进行信号监控，对某一时间段进行数据统计和处理分析，如图6所示。

图6 信号回复耗时监控

经过以上分析可知：①无线信号的反馈时间高于有线信号的反馈时间；②无线信号存在波动性，即稳定性能在某一时刻会受到干扰；③信号回复时间一般为2 ms，最长回复时间为32 ms。针对32 ms延时问题，对PLC控制器扫描周期进行确认，打开TwinCAT3软件，连接主控柜PLC程序，在硬件配置中打开Real-Time查看任务扫描周期为10 ms，结果如图7所示。因现有无线网络配置无法缩短信号回复时间，故采用增加PLC扫描周期至80 ms（数值过大，导致远程通信模块中断），通过测试发现小车停顿现象消除。

图7 系统扫描周期

经研究分析和技术探索，无线模块迭代更新升级应用WLAN 1100替代前期WLAN EPA，再尝试通过无线信号发射功率调整（因车间净化面板墙导致无线回传率过高，可适当降低功率至-5 dBm），可有效提升整个无线网络通信的稳定性；此外，在经济及环境条件许可的情况下，可通过增加无线AP的数量（即增加无线设备分布密度，AP之间漫游切换时间需综合考虑）来提高信号的稳定性。

6 结束语

通过本次无线通信在电动单轨石英棒输送系统稳定性分析，成功摸索出一套提高屏蔽车间电动输送小车系统中无线通信稳定性的技术手段，积累了无线通信设备故障解决的经验，为后续同类设备通信故障的解决提供了很好的借鉴。随着智能制造在国内制造业快速生根发芽，无线通信技术已快速渗透至智能搬运、智能输送、智能仓储等众多物流自动化领域，对通信过程中收发数据的稳定性、准确率的要求将会越来越高，这也将直接影响到设备的高效性、可靠性、安全性等方面；因此，我们需在这方面继续潜心研究，以保证无线通信系统高效助力智能物流。