无线通讯技术在斗轮机上的应用

无线通讯技术在斗轮机上的应用

刘春

国家能源集团岳阳发电有限公司 湖南 岳阳 414000

摘要: 电厂的输煤系统是一套庞大的系统。就其皮带机与斗轮机之间的联锁问题就非常难以解决，当皮带机启动时，发出允许斗轮机启动信号，反之则允许皮带机启动。但由于北方地区地冬季寒冷，任何电缆在低温下可靠性都大打折扣了，因此必须对其进行改造，使其适合地区的气候。采用美国生产的2710数传电台（或称无线数传机）和小型PLC对其进行改造，取得了非常满意的效果。
关键词：数传电台　PLC　无线遥控　

随着可编程控制器(PLC)系统的不断完善，以及网络通讯技术在工业中的迅猛发展，电厂输煤系统采用集中控制己成为不可逆转的趋势。但是美中不足的是像斗轮机、叶轮给煤机、翻车机等移动的设备，由于控制电缆上机困难、电缆易断、更换工作量大、成本高等多种因素，使其参与集中控制、工艺联锁变得困难重重。

一、斗轮机无线通讯系统功能

虽然斗轮机与皮带机之间的联锁控制比较简单：当堆料（储煤）时，斗轮机先启动，然后由斗轮机发出控制信号，允许皮带机启动；当取料（取煤）时，皮带机先启动，然后由皮带发出控制信号，允许斗轮机启动，但实现起来却非常困难。原因是要想实现控制就要有控制信号，早期的控制信号都是由控制电缆来完成的，这种电缆是一种特殊的电缆，是一种必须适合斗轮机行走能够卷放的扁平电缆，这种电缆在冬季的时候，由于长期使用，损坏率很高，不仅价格较贵，而且维护量极大；同时要实现对电缆进行实时的收放，就需要采用电缆卷筒，同时电缆卷筒还要与斗轮机的的进退同步，无论是采用力矩电机还是采用变频器控制卷筒解决同步都是一件比较难的事情，既便是可以实现“同步”运行，而由于力矩输出的问题对电缆的冲击也是存在的，尤其是在冬季，这种瞬时不稳定的力矩施加对控制电缆来讲更是雪上加霜。在这种工况下工作的电缆应该来讲出现拉断是必然的结果，而电缆什么时候会断是人为无法预知的，而无论是在堆料还是在取料的工况下，联锁中断会对生产带来不利影响，而如果造成皮带断皮那就是重大的事故了。

而斗轮机无线通讯系统可以从根本上解决以上问题。首先由两台无线电台取代斗轮机与地面之间的控制电缆，当电缆不需要的时候，卷筒部分自然也取消了。将每一个电台上再配上一台小型的PLC，两PLC之间以主从通讯的方式加以程序设定，如此一来斗轮与地面之间的所有联锁信号（包括模拟量信号）都可以互传。电台之间的通讯速度是毫秒级的，这样的滞后对我们的控制系统来讲是毫无影响的。而另一个问题可能会是我们所担心的：如果电台之间的无线信号由于干扰等因素出现瞬间的中断，那么会不会也像电缆断掉一样呢？这一点我们要从主从站的通讯上来解释了，例如：当堆料时，斗轮机将联锁信号发送给皮带机，地面站通过PLC输出点将信号给到皮带控制系统，由于堆料状态的信号以给出为“1”，当运行中出现无线信号中断时，由于地面站没有接收到“0”的指令，那么它就不会改变当前“1”的状态。也就是说，既便是出现无线信号的中断，我们的整个系统还是在正常的工作。综合来讲，斗轮机无线通讯系统不会出现控制信号的中断，只可能出现“1”“0”转换的滞后，而这种滞后又是毫秒级的。

二、斗轮机无线通讯系统的组成

2.1系统主站

系统主站由电台、PLC及通讯接头（RS485通讯）组成。PLC通过通讯设定将输入点的状态发送到从站的输出点，同时将接收到从站PLC输入点的状态输出到本地是输出点。主站PLC通过MODBUS RS485与电台这间通讯，电台再将数据通过馈线传送到全向天线上，实现信号对外的发送和接收。

2.2系统从站

系统主站由电台、PLC及通讯接头（RS485通讯）组成。与主站的组网方式相同，不过作为从站它只执行主站的命令。从站PLC通过MODBUS RS485与电台这间通讯，电台再将数据通过馈线传送到全向天线上，实现信号对外的接收和发送。

2.3无线方式传输数据

数据传输可以简单地分为有线（包括架设光缆、电缆或租用电信专线）和无线（分为建立专用无线数据传输系统或借用CDPD、GSM、CDMA等公用网信息平台）二大方式。相比较，用无线电台建立专用无线数据传输方式比其它方式具有投资少、开通快和运行维护简单等优点。
    现在国内大部分的遥控遥测电台是用调频模拟车载电台加MODEM芯片改制的，它不是专业的数据传输产品，而是工作于230MHz数传频段的对讲机，用这种电台传输数据确实不可靠。原因是有二个根本性的问题不能解决：PTT控制发射延时（100ms以上）带来前导数据字符丢失和调频静尾噪声带来的多余字符干扰，特别是在高速数据传输或收发快速转换的应用如接PLC等。在传输速率低、距离近、可靠性要求不高，如可以多次采集等，因为其价格低廉，用的很多。但是在要求高速、远距离、高可靠的传输中，我们要选用直接数字调制解调、有前向纠错、用DSP（Digital Signal Processing 数字信号处理）技术的产品，如美国MDS、DATALINC等厂家的设备。其二是要根据主站及分站的分布和地理环境等具体情况进行组网设计和现场测试。

2.3.1理论计算

相距较远的两个点之间能不能通？通了以后误码率是多少？抗干扰稳定性有多强？在理论上取决于如下两个因素。
2.3.1.1　视距传输
     电波信号的传输根据工作波长（频段）的长短不同具有地面波传输（长波）、电离层反射传输（短波）、空中传输（超短波、微波）三种方式，我国无线电管理委员会将专用无线数据传输业务主要分配到220～240MHz频段（另外还有800MHz、2.4GHz等频段），这个频段的电波传播是通过空中进行的。由于地球曲率的影响，两个点（天线高度分别为H米和h米）之间最大可视距离D公里为D=4.12（H1/2+h1/2）。

假设主站天线架设在办公楼顶（高约100m），远程站天线架设在平房顶上（高约4m），则D=4.12（1001/2+41/2）=49.44公里。
考虑到230兆频段电波具有一定的绕射能力，该种假设架设天线，理论上最远可以通到50公里左右。
    同样假设主站和远程站天线高都是1米（如手持），则理论上最大传输距离为6公里左右。因此天线架设的相对高度是决定通讯距离的第一因素。
2.3.1.2　接收场强
    电波从电台发出，经过馈线和天线，通过空中向远方传播，信号受到衰减，到远端接收机时，场强电平为：
Pr=Pt+Gt+Gr-Lt-Lr-Lo
Pr：正常接收电平（dBm）
Pt：发信功率（dBm）
Gt、Gr：收发天线增益（dBm）
Lt、Lr：收发馈线损耗（dBm）
Lo：自由空间损耗（dBm），Lo=32.45+20logf (MHz) +20logD (Km)

三、结语
依照以上配置和实践方式对斗轮机无线通讯系统进行改造，系统运行正常，操作简单，实用性强，而且使整个输煤控制系统综合自动化水平达到了一个全新的高度，整个系统十分稳定可靠，几乎没有维护工作量，使用效果极佳，它把斗轮机与皮带机的联锁控制隐患彻底消除了，更重要的是它将无线网络应用于工业控制，表现出了其特有的优越性，一种新型的复合型的工业控制网络系统将会在工控领域占领一席之地。

参考文献：

1. MASTER-K 指令手册

2. MDS 工业数据传输系统手册