无线控制技术在铁路敞车翻车机系统上的应用研究

夏钱平，熊光宝

（中国电建集团武汉重工装备有限公司，湖北 武汉 430064）

1 前言

铁路敞车翻车机系统是一种大型、高效的机械化卸车设备，用于翻卸铁路敞车运载的煤炭、铁矿石、粮食等散装物料，广泛应用于电力、钢铁、港口及大型物流中心等行业领域。目前，大多数翻车机控制系统采用的是传统硬接线有线控制，存在着监控点数量多、集成难度高、布线复杂、安装调试运维工作量大等诸多问题。

翻车机系统各移动部套与中央控制系统的控制电缆为柔性拖缆电缆，电缆穿过电缆滑车沿轨道伸缩，从而达到来回移动目的。现场工况往往比较恶劣，致使拖动电缆滑动的电缆滑车极易损坏，当电缆滑车故障时极易造成电缆挤压后控制电缆线破皮，造成电缆接地或控制信号线拽断；另一方面，由于采用柔性电缆，电缆随着设备频繁行走，造成电缆内部的控制信号线绝缘降低，出现信号时有时无现象，严重情况下甚至会发生断芯现象，加重了设备检修人员故障查找和处理难度。而采用无线控制技术，不仅能较好地解决上述问题，还能保证设备安全稳定运行，降低设备维护人员的劳动强度，提高设备现场管理水平。

2 翻车机无线控制系统总体设计

翻车机无线控制系统采用无线和总线远程控制方式，无线方式用于需要移动部分的设备，总线方式用于固定敷设的设备。PLC 采用分站式布置，分为PLC 主站、翻车机本体分站、重调机分站、空调机分站、迁车台分站，主站设置在主控室，各设备分站设置在相应设备上。PLC主站上采用无线发射器为SCALANCEW788-1PRO，翻车机本体、重调机、空调机、迁车台分站采用的无线接收器为SCALANCE W744-1PRO，无线发射器与无线接收器之间的通讯采用IEEE 8.211h 标准；频带为2.4GHz 或5GHz，数据传输速率最大为54Mbit/s（图1）。

图1 翻车机系统各设备无线控制系统组成

在翻车机本体、重调机、空调机、迁车台各设备上分别布置1 台机上控制箱，控制箱内布置1 套主控制器及扩展模块、开关量输入模块、开关量输出模块，电源、端子（端子排留有10%裕量）、空开、从模块、通信从模块等。在电缆滑车轨道的一端布置1 台地面站控制箱，箱内布置1 套主模块、通信主模块等。机上控制箱与地面站控制箱之间布置控制电缆滑缆上机，布置于电缆滑车上。翻车机PLC 控制柜至电缆滑车轨道的一端地面站控制箱之间布置1 根单模铠装光纤，翻车机配电室控制柜至地面站控制箱之间依靠光纤通信。地面站控制箱与机上控制箱之间依靠数字无线方式和控制电缆方式实现通讯，且互为备用。

工作时，PLC 分站接收到的信号，如按钮、设备的行程限位、转角或位移的计数等，信号通过无线控制网模块送入PLC 主站，在经过主站内的CPU 按逻辑运算后，再将运算结果通过以太网模块传给无线发射器以无线信号的形式发出，随后与设备分站相连接的无线接收器及与翻车机本体分站相连接的翻车机本体无线接收器都可以无线方式接收到主站发出的信号，通过各自相连接的以太网模块传送到各分站上连接的设备（图2）。

图2 翻车机无线信号输入

3 翻车机系统无线控制技术要点分析

3.1 无线频段选择

无线频段选择作为重中之重，选择免费频段可在后期维护上省掉其它费用支出。因此，在实际测试过程中先后选择了433MHz、950MHz、2.4GHz、5.8GHz 等频段，950MHz 以下属于窄带传输，无法满足工业控制中的快速响应需求。目前，国际上普遍采用的是2.4GHz 和5.8GHz微波频段。无线电波的物理特点是频率越低波长越长，传播过程中的损失越小，覆盖的范围越广，也更容易绕过障碍物；频率越高，则覆盖范围就越小，更难绕过障碍物。考虑到翻车机属于移动设备，现场遮挡较多，5.8GHz 频段针对移动设备优化小，移动丢包率极其严重；2.4GHz频段穿透力要强于5.8GHz 频段，且在降雨环境下信号衰减较低，在16mm/h 的雨量下，雨衰为0.06dB/km。经现场链路测定频谱，在2.4GHz 范围内频率段占有率较低，通道扩容性非常好，故选用该段频率作为主传输频率。

3.2 天线增益选择

在无线和射频领域，天线及馈线选型作为衡量硬件性能指标的重要参数。正确地设计天线及馈线系统，是确保无线信号传输质量的最重要环节。传输计算的目的在于事先掌握地理环境资料、传输条件、合理地配置天馈线系统，以期用经济的开销，取得满足要求的传输质量。在铁路敞车翻车机设备上，为确保无线信号360°无缝覆盖，中心站与终端站最好选用18dB 高增益的360°全向天线。

3.3 硬件选型

翻车机系统调车设备户外工作，振动强度大，环境恶劣，对硬件要求一般要求比较高。在实际选型中，无线控制装置需满足以下要求：

（1）温度补偿：内置温度补偿专用电路，使得无线模块在-20 ～60℃极限环境下正常工作，满足国内大部分地区环境要求。

（2）防浪涌电路：模块内置防浪涌电路，方式因雷电天气而造成的损坏，进一步提升设备稳定性和适用性。

（3）宽电压设计：采用24VDC 安全超低电压，支持直流19.2 ～28.8V 电压电源输入，可在电压波动较大的电网内稳定工作。

（4）高防护设计：防护等级需满足IP65 标准，选用不锈钢或聚合物材质的控制箱，适合潮湿、多尘、等极 端环境，一切措施均以稳定可靠为前提。

（5）高稳定性，在40℃环境温度下，平均故障间隔时间为61.85 年，具备极高稳定性。

4 无线传输信号高速安全稳定保障措施

无线介质不像有线介质那样处在一种受保护的传输环境之下，在传输过程中，它常常会衰变、中断和发生各种各样的缺陷，如何能保证无线传输信号的高速安全稳定传输是为重中之重，只有安全稳定，才有使用无线控制技术的意义。为此在翻车机无线控制系统中我们采用以下方式保证通讯的高速安全稳定。

（1）多种冗余技术，使系统能依靠事先设计的自动恢复程序将断开的网络链路重新链接起来，并将故障进行隔离。在设备发生故障时能够提供报警、自动覆盖、快速恢复等功能。硬件线路上保留光纤链路通讯，无线网络上借助“工业并行冗余协议”（iPRP），使用PRP 技术。PRP 网络包含两个完全独立的网络，如果其中一个网络中断，则会通过并行冗余网络发送帧，且不会中断/无需进行重新组态。具备PRP 功能的设备至少有两个独立的以太网接口，这些接口分别连接于独立的网络。凭借并行传送，当一个无线链路的传送中断时，可由另一个无线链路进行补偿。

（2）iREF（工业范围扩展功能）技术。若一个接入点有多根已激活的天线，则发射功率被平均分配到这些天线上。iREF 可确保用最适合的天线来处理接入点和每个独立客户端之间的数据通信，最适合的天线由接入点根据所接收数据包的RSSI 值来确定。考虑到天线的增益和可能的电缆损耗，数据包只通过可让客户端获得最大信号强度的天线发送。

在此期间，其它天线停用，法律允许的发射功率仅适用于所选天线。停用的天线不会限制允许的发射功率。由于采用定向数据传输和动态停用不向该特定客户端方向发射信号的天线，因此可减少干扰。除此之外信号强度也会提高，因为激活天线总是能分配到最大允许发射功率。

（3）无线通讯模块验证和加密技术，两通讯设备之间的安全设置必须相匹配，才允许客户端和接入点进行通讯，任何第三方设备无法进行通讯连接。其中可使用提供最高的安全性的WPA2/AES 加密，该加密方式可防止滥用WPA2(RADIUS)/WPA2-PSK 密码，这个密钥仅仅用于认证过程，而不用于传输数据的加密。数据加密的密钥是在认证成功后动态生成，系统将保证“一户一密”，极大提高了系统的安全性。

5 翻车机系统无线控制技术优势

相比于传统的有线控制方式，翻车机系统无线控制技术为系统设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有线控制的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能。

（1）无线控制技术结构简单，经济型强。传统有线控制需根据现场情况设置母线槽、电缆桥架、电缆穿管等，布线数量多、路径复杂，施工难度大、周期长。还需要根据运行环境选择耐高温、防爆、阻燃等要求的电缆、桥架隔板，考虑防火封堵。线路系统安装、查线、调试需要花费大量时间，维护与更换复杂，费用较高，影响设备建设工期。另外，控制电缆长期运行面临着电缆老化、腐蚀破损等其他自然或人为损坏因素。而使用无线控制技术后，可简化设计、施工、调试、运行维护等流程，使工程耗时大大缩短，节省了大量人力和财力。

（2）应用的无线控制技术可随时升级扩容，扩展性高。无线控制网络具备良好的升级扩展性能。因系统需要升级新增设备时，如果采用有线的方式，需要重布新线，施工比较麻烦，而且还有可能破坏原来的通信线路。如果采用无线通信模块建立专用无线数据传输方式，只需将新增设备与无线通信模块相连接就可以实现系统的扩充，具有更好的扩展性，且避免二次施工所带来的费用支出。

（3）无线控制+光纤冗余的分布式架构，安全性高。通讯架构采用无线控制+光纤冗余的分布式架构，设备运行过程中优先使用无线通讯网络，当检测到无线通讯网络信号不满足设备运行需求时自动切换至有线光纤传输系统，避免设备因通讯问题而发生停机故障。另一方面，无线通讯模块之间通讯使用验证和加密，两通讯设备的安全设置必须相匹配，才允许客户端和接入点进行通讯，任何第三方设备无法进行通讯连接。采用最高的安全性的WPA2/AES 加密，该加密系统将保证“一户一密”，不存在像WEP 那样全网共享一个加密密钥的情形。以上各种措施为设备的安全运行提供有力保障，并使得该无线控制系统具有极高的安全型。

（4）合理使用无线控制策略，系统稳定性强。应用的无线通讯系统借助“工业并行冗余协议”(iPRP)，可在无线网络中使用PRP 技术。使用IPRP 可通过两个无线链路并行传送PRP 帧。凭借并行传送，当一个无线链路的传送中断时，可由另一个无线链路进行补偿，增加无线通讯的可用性。再者无线通讯AP 端和客户端采用工业范围扩展功能（iREF），动态停用较低增益的天线，确保用最合适的天线来处理二者之间的数据通讯，从而减少干扰，提高信号强度。采用合适的控制策略均保证了无线系统的稳定性。

6 结语

翻车机无线控制技术已成功用于多个项目中，效果良好。采用无线通讯的部套间控制响应速度高速稳定，设备运行期间产生的抖动对无线控制系统未造成任何影响。相较于有线拖缆，翻车机系统采用无线控制技术后故障率降低，维护成本也大幅降低。翻车机无线控制技术具有控制方便、造价低廉、施工快捷、运行可靠、维护简单等优点，在大型电力装备中具有广泛的推广应用价值。