无线信号传输装置在散粮装卸系统上的应用

◎ 王康兴

（连云港东粮码头有限公司，江苏 连云港 222000）

1 项目背景

随着国家对生态文明建设的重视程度不断提高，散粮装卸工艺中的环保要求也越来越高，国家发改委在《粮食现代物流发展规划（2006—2015年）》中提出，2015年全国粮食总流通量应达到2.8亿t。实现国家发改委提出的粮食总流通量的目标任务非常艰巨，而加快粮食物流关键技术及装备研究是提高我国粮食流通“四散”化能力的当务之急。

目前在国内外散粮装卸码头上主要利用两种装卸工艺，一种是利用带除尘漏斗的间歇式抓斗装卸船机，另一种是利用带集尘器的连续式装卸船机。连云港东粮码头有限公司在32#、33#泊位上分别设置了3台抓斗装卸船机和2台连续式装卸船机作为公司的主力设备，两个泊位接卸粮食类货种的效率均可达1 000 t·h-1。这两者作为散粮筒仓装卸系统中的重要节点，与筒仓中控的集中控制系统必须保持良好的通信，否则就会造成整条流程线的故障，对装卸船效率产生极大的影响。

2 问题分析

2.1 现状分析

2.1.1 码头-筒仓通信简述

以卸船流程为例，两用机为取料设备，处于首端，筒仓系统机械为输送设备，处于末端，若末端出现故障停机，那么首端设备（两用机）必须停机，否则会造成物料堵塞及其他一系列故障，所以可以将末端设备（如皮带机）的运行信号向首端（两用机）的控制系统进行传输，使此信号作为首端设备的运行条件，即皮带机不运行，两用机就无法运行。此项改造就是利用无线装置代替通信电缆卷筒将此一类的信号进行实时性的传输。

2.1.2 电缆卷筒工作原理

电缆卷筒通常安装于大型机械上，因为电缆卷筒电缆外层的黑色保护装置可耐各种气候条件，完全满足对于不同使用场景的要求，在大多数情况下可以安装在高温或有化学腐蚀的环境，而且具备相应的耐寒、耐磨、耐腐蚀性能和强机械负载承受能力。但是，在实际使用过程中容易出现不运转或者是运转不灵的状况，若出现这些问题不及时处理则很容易影响电缆卷筒的使用寿命或直接损坏电缆。

以连云港东粮码头有限公司33#泊位为例，装卸船两用机与中控的通信采用通信电缆卷筒的方式进行通信（如图1所示），由于现场环境比较恶劣，粉尘多并且常年处于泊位旁海水潮湿腐蚀下，会对现场通信电缆造成很大的损坏，长此以往信号传输容易出现中断及信号不好等故障，同时由于连云港东粮码头有限公司的两用机是20世纪90年代的产品，未在电缆卷筒增加过紧限位以防止拉断，通常在大机行走的时候，司机全程监护，但仍存在会将通信电缆拉断的潜在风险。

图1 电缆卷筒现场图

在连云港东粮码头有限公司2019—2020年的装卸船作业中，就发生过3次电缆卷筒拉断的故障,（电缆断裂情况如图2所示），单次直接故障时间达8 h，而且随着电缆外层的保护装置的多次拉断，其强度和抗干扰性势必会越来越低，随之而来的故障率则会越来越高，所以对电缆卷筒的症结点解决势在必行。

图2 电缆拉断处理图

为了能解决这个潜在的问题，需要满足以下要求。①保证信号传输的稳定性。②结合公司生产要求，使设备调试时间尽可能降低。③使用方便，在后期无大量的维护工作。

2.2 解决方案分析

现有的电缆卷筒系统控制电缆抗拉强度低、易拉断，电缆长期裸露在外，工作环境异常恶劣，现场粉尘度高，磨损和腐蚀很严重，绝缘层遭到破坏，极易造成安全生产事故。同时经常大量地更换有关电缆又造成每年的更换费用达到数万元之巨，维护起来非常困难。若导致生产停顿，则会给公司吞吐量和客户生产带来更大的损失。但维修改造工期也是一个非常重要的问题，码头的生产不可以停顿，所以需要进行两手准备，一方面在短期对电缆卷筒进行功能性的修复，另一方面寻找替代方案。

经过调查研究，可选择的替代方案主要有两种，一种是选购新式电缆卷筒和对应电缆，另一种则是选择通过无线方式进行通信。两种方式的优缺点对比如表1所示。

表1 电缆卷筒与无线通信的优缺点比较表

3 项目主要实施内容

3.1 无线技术简述

现实生活中，无线技术已经应用的非常广泛，而在工业控制中，无线技术的应用与人们生活中常见的的的WIFI上网又有很多的不同，但它们具有一个共性，即便捷性，这是无线信号传输通信系统不可忽视的一个优点。

对于无线系统来说，首先考虑的问题就是稳定性，从技术层面来说明，根据国内实验室出具的产品可靠性数据分析报告显示，无线通信是非常可靠的。但对于实际的现场状况来说，实验室环境还是过于简单，实际应用中无线通信受干扰因素远比有线通信方式多。因此，如何大幅度减少甚至杜绝现场因素的干扰成为采用无线系统所要必须解决的问题。

3.2 采用无线技术需要重点解决的关键技术问题

3.2.1 产生信号干扰的因素

现场实际生产过程中，无论是外接电路、气候条件、环境电磁场或是人为干扰，在产品不进行有效处理的情况下都会严重影响到所有电子仪器的传输数据精度以及产品内部的运行稳定性，这些因素主要分为以下几类。

（1）环境干扰。工业现场的作业条件大多不符合精密仪器的运行条件，安装地点在户外、粉尘较多的车间、存在机械振动的大型机械上，这些工作环境对于电子产品的运行稳定性和使用寿命提出了严苛的考验。

（2）电磁噪声干扰。自然界充满了各种来源和各种频段的电磁波，会影响仪器仪表的使用和无线通信的信息传输，因此分析电磁波特性和解决方式很有必要。宇宙噪音是电离辐射产生的，在一天中不断变化，噪声起源于地球大气层外的银河系中心部分以及太阳噪音，太阳噪音则随着太阳活动情况而剧烈变化。雷电是种主要的自然干扰源，雷电产生的干扰可以传输到数千公里以外的地方。雷电干扰的时域波形是叠加在一串随机脉冲背景上的一个大尖峰脉冲。电磁噪声主要会对通信产生干扰，而雷电能量尖蜂脉冲更可以对很多设备造成损坏，因此无线终端需要有效降低噪声对设备产生干扰和损坏设备的可能性，以尽可能避免损失。

（3）人为干扰。人为产生的电磁干扰根本原因是导体中有电压或电流的变化，即较大dV/dt或dI/dt。dV/dt或dI/dt能够使导体产生电磁波辐射。一方面，人们可以利用这一特点实现特定功能，例如，无线通信、雷达或其他功能，另一方面，电子设备在工作时，由于导体中的dV/dt或dI/dt会产生伴随电磁辐射。无论主观上出于什么目的，客观上对电磁环境都造成了污染。另外，装卸船两用机在生产过程中会经常有一些大功率的设备（电机、变频器）频繁开关，也会出现一些容性、感性的干扰，影响仪器仪表正常显示或采集。凡是有电压电流突变的场合，都会有电磁干扰存在。数字脉冲电路就是一种典型的干扰源，随着电子技术的广泛应用，电磁污染情况会越来越严重。

3.2.2 干扰源处理方式

基于以上所提出的干扰问题，总结了如下几点的解决方法和处理意见。通过实际测验，有效解决在33#泊位中无线通信设备所遇到的干扰问题。

（1）环境气候干扰的解决方法。无线信号装置的箱体采用封闭设计，尽可能地隔离外界环境，使得内部仪器处于稳定的工作环境。

（2）电磁噪声干扰解决方法。电磁干扰的三要素是干扰源、敏感源和耦合路径，这三要素缺少一个，电磁干扰问题都不会存在。因此要从这三要素入手，找出最方便的解决方法，一般干扰源和敏感源都属于不可控因素，只能根据经验和对于现场码头环境给出一些有效的解决方法。因此，解决电磁干扰的方法，通常是从耦合路径上着手，这也是最常用的方法，如通过加屏蔽、加滤波等手段。具体的解决方法：①选择封闭性箱体结构，可以有效屏蔽外界电磁干扰。②选择短波加密无线传输技术的模块，从传输方式上尽可能避免被干扰的可能性。③设备设计做避雷考虑，避免终端设备的损毁，终端外部箱体有效屏蔽了外部电磁场对终端内部电路的影响。以上3种方式可以同时使用来降低电磁干扰。

（3）人为干扰的解决方法。将无线通信终端做成一个装置，也就是箱体结构。无线设备起到的不仅仅是传输效果，也包含了数据处理能力，自身可以形成一套完整且独立的系统。外部电路与无线通信装置均采用了完善的隔离电路，保证将外部电路包括容性、感性对终端内部电路的运行的干扰降到最低。

4 实施步骤

（1）根据图纸及实际情况找到装卸船允许的信号线及公共线。

（2）根据电路图制作出对应的信号控制箱；这里采用IP55等级以上的终端箱以及IP68的外置天线来规避气候所造成的干扰问题。

（3）采用原电缆卷筒信号以及两路无线通信的双路传输，设计电气原理图，并根据电路图接线。无线传输装置电路图如图3所示。

图3 无线传输装置电路图

（4）装卸船允许信号分别接入中控室和两用机的PLC控制系统，信号传输模拟图如图4所示。

图4 无线信号传输模拟图

5 项目总结

5.1 特色和创新之处

（1）电缆卷筒的取消降低了设备故障症结点。

（2）双路信号稳定，流程运行安全有效。

（3）装卸船无症结点困扰，装卸船效率明显提升。

5.2 项目进度安排

（1）2020年2月底完成电缆卷筒的故障修复及信号线路的确认。

（2）2020年3月底完成设备的采购以及信号控制电箱的安装。

（3）2020年4月底完成调试以及进行两个月的故障监控工作。

5.3 成果目标

（1）通过无线通信代替电缆卷筒装置，保证两用机及筒仓的通信正常，切实降低流程线的故障率并降低公司的成本投入。

（2）无线系统的使用可以使中控对流量更加敏锐，提高中控对流程线的把控能力，提高生产效率。

改造前与改造后的设备状况对比如表2所示。

表2 改造前与改造后的设备状况表

5.4 经济、社会效益

（1）自动集中控制，已改造两用机的无线通信系统,可根据需求控制流量大小，降低设备故障率，首先应用于33#泊位1#、2#两用机散粮装卸上，接下来将应用在32#泊位门机大漏斗设备中，对于连云港东粮码头有限公司“水转水”装卸起到前瞻作用。

（2）通过改造，实现了33#泊位散粮装卸的每年故障率与故障时长的明显降低，故障时长由原来的49 h降为0.5 h。

（3）通过改造切实降低了连云港东粮码头有限公司的成本投入，两用机使用电缆卷筒设备为30万元/台，并且还有电动机的能源消耗和人工看护带来的各种成本约10万元。

6 结语

散货码头装卸的流程线方式使码头装卸机械与仓储之间要有可靠的通信方式，采用无线信号传输的方式可以降低通信电缆的铺设成本，减少设备故障率，从而保证装卸船作业的效率。