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摘要：為滿足電解鋁廠數字化和智能化的功能需求，在電解車間強電磁場環境下建立穩定的工業數字化無線通信系統，介紹了工業無線局域網技術在電解鋁廠天車通信系統上的應用，并對項目實施中的重點進行了分析和探討。

關鍵詞：強電磁場；電解鋁廠；無線通信；無線局域網；天車通信

1引言

近年來我國無線通信技術得到了迅猛地發展，利用無線電波將計算機設備與網絡數據傳輸系統進行有效的連接，實現工業生產各類信息的有效傳遞，并成功地解決了遠距離傳輸、電纜敷設困難、地形環境惡劣等傳統通信無法克服的一系列問題。隨著無線電通信技術中數據處理和數據傳輸容錯、檢錯等技術的不斷發展，無線通信的可靠性和穩定性都得到了極大地提升，工業無線局域網技術在工業領域已經得到了廣泛地應用。同時，無線局域網通信技術具有安裝方便、靈活性強、性價比高等優勢，是繼現場總線、工業以太網技術之后工業控制系統領域的又一個熱點技術。特別是近幾年，工業自動化領域當中無線局域網在各種復雜工業環境中得到了廣泛地應用，其優點很多：（1）建設成本低，無須敷設大量通信電纜和搭建電纜橋架，只需在現場設備旁安裝無線采集設備；（2）具有良好的可擴展性，監控中心除了和本無線網絡內的所有節點通信外還可以讓其它的網絡或節點通信接入；（3）維護簡單、采集數據精確快捷、安裝接線容易；（4）在環境較惡劣的環境下也能使用；（5）功耗低，所有系統設備均采用低功耗設計，節能環保、經濟實用。

2工業無線局域網絡技術的應用前景

近年來，隨著國家對技術革新力度的加大，越來越多的鋁廠開始對自身原有的設備進行自動化、信息化和智能化改造。以鋁廠的電解車間為例，電解多功能智能天車是電解生產的重要設備之一。其主要功能有：打殼、加料、換極、出鋁等，在工作中需要頻繁移動，難以布設通信和控制電纜。以往，每臺電解多功能智能天車每班均配有1名天車司機，操作時需要與地面操作工語言溝通，人工完成上述操作，生產效率較低。因此，提高電解多功能智能天車的生產效率，取消人工操作，實現遠程自動控制和有效可靠的通信，成為生產過程中急需解決的問題。電解車間為復雜的強電磁場環境，以筆者單位設計的NEUI500型電解槽為例，電解槽操作平面的最大磁場強度為420Gs，多功能智能天車軌道的操作面的最大磁場強度約為120Gs。因此，需要有一種既能夠在復雜強電磁場環境下穩定工作，又具備靈活的、可移動性的通信方式。如何在復雜強電磁場環境下實現穩定、可靠的通信和控制，成為系統設計的關鍵。經過論證，選擇應用工業無線局域網技術來實現電解多功能智能天車與控制中心之間的通信。

3系統的組成

3.1無線接入標準

影響通信距離的因素挺多，主要取決于所用頻率、天線類型和增益、安裝環境，設備的可靠性，接收靈敏度和發射功率等。經過比選，選擇西門子工業無線局域網絡技術。西門子工業無線局域網絡技術，基于通用的認證標準IEEE802.11，可適用于2.4GHz的網絡，自動無線漫游，輪詢監控，IP監控，無線鏈接的可預測數據流和確定響應時效，借助于WPA網絡安全機制來控制整個128位碼的正常交換，根據進加密標準（AES）進行編碼，并與國際標準IEEE802.11兼容，保證了授權信息的安全性和可讀性，實現標準的PROFINET通信。通過SIEMENS的自動路由及相關技術，IWLAN可以使電解多功能天車的控制網絡無縫、實時集成到工廠的PROFINET控制網絡之中，實現電解多功能天車與電解儲運系統、凈化以系統及槽控系統的網絡通信要求。

3.2無線AP

在本項目中，整個系統由電解儲運、凈化以及槽控系統、電解多功能天車的控制站和無線以太網模塊組成。無線模塊一端為無線網絡，另一端為工業以太網接口，接入控制系統網絡。在無線局域網覆蓋范圍中，多臺電解多功能天車控制站的接入端都可在無線信號覆蓋區域中自由移動，并能夠實時交換數據。無線通信AP模塊采用西門子SCALANCEW788-1RJ45，天線采用西門子ANT793-6MN。為了遠離電磁場，將無線通信模塊的控制箱安裝在電解車間廠房的最上部。無線通信AP模塊的電源采用開關電源進行隔離，通信網絡采用光纜，并設置光電轉換模塊進行網絡轉換，所有的元器件都放置在全封閉的控制箱內，用來屏蔽外部的電磁場干擾。只有通信天線安裝在外部，發送和接收無線信號，只要電磁強度不發生劇烈變化，對無線信號的影響可以忽略不計。西門子SCALANCEW788-1RJ45的防護等級為IP65，工作環境為-20℃~+60℃，通過屏蔽保護方式可以適應目前的電磁場環境。在電解車間廠房的形狀扁，長度比較長的情況下，我們設置多個AP實現了電解車間的全覆蓋，并考慮了電解多功能天車上的線接入點client從一個AP跳到另一個AP的時候的跳頻接入情況。其系統架構，如圖1所示。

3.3無線接入點client

電解多功能天車的控制站的無線接入點client，采用西門子SCALANCEW748-1RJ45，天線采用西門子ANT793-6MN。為了保證信號的接收和發送達到最大可能，天線設置電解多功能天車的最高點，與無線通信AP模塊的天線處于同一個水平面上，并且四周沒有遮擋。另外，考慮到設備接收無線信號會因環境因素出現不穩定的情況，一旦信號連接質量降低，能夠自動切換為低數據傳輸速率。

4存在問題和解決方法

系統測試過程中，工業無線局域網絡工作很穩定，網內Ping值也在5ms以內。當電解多功能天車上的無線接入點client從一個AP跳到另一個AP時，出現次數最多的問題是跳頻，導致網絡延時較大，網內Ping值會高達100ms。前期系統沒有配置網絡平衡的情況下，接入AP之間還會發生震蕩，client不停地在兩個AP之間跳動接入，加劇網絡延時，導致通信數據包丟失。經過兩個方面的程序優化后，滿足無線通信要求：（1）減輕和均分無線網絡負載，在滿足工藝要求的條件下，盡可能地增大通信數據的發送間隔，不要在同一時間點去發送大量的數據；（2）讓數據經過處理后再經過無線傳送。另一個問題是對無線網絡狀態進行監控。一旦系統或者設備發生故障，需要分析出究竟是因為網絡通信延時造成的故障或是其他原因。雖然控制系統PLC可以對網絡子站是否丟失進行診斷，但是網絡子站丟失基本上都是上百ms的通信延時后才會發現丟失。在對信號實時性要求比較高的應用中，有時候幾十ms的信號延時就有可能造成設備工作的異常。因此在做選型設計的時候還是要進行綜合考慮。關于無線網絡信號強度的分析，西門子的客戶端集成了信號強度記錄功能，可以在客戶端的移動過程中把信號強度記錄下來，并以圖形化的方式在SCADA系統中顯示。無線網絡信號強度記錄和保存，還有一些無線的分析軟件工具可以幫助分析，如Fluke提供的AirMagnetSurvey無線網絡勘察驗收工具等。對于工業無線局域網絡技術，信號質量非常重要，而信號質量主要取決于安裝環境和天線，不同的應用和現場條件決定著各自的安裝方式千差萬別，有一些經驗原則可供參考：（1）盡可能讓接收發送天線可直視，無遮擋。（2）注意天線的安裝方向。譬如柱狀的全向天線，其電波發射方向是主要是垂直于天線軸的水平方向。（3）對于不確定的場合，建議天線安裝在可調節的支架上，這樣方便現場調節，而如果是固定的如焊接死的支架，調整會很困難。（4）無線信號也不是愈強愈好，最好維持在手冊里給出的值之間。（5）利用客戶端的信號強度記錄功能，查看在整個運行過程中哪些區間信號薄弱，哪些區間信號過強，調整后再作對比。

5結論

該系統自投入運行后，通信非常穩定，并且經過了雷雨等天氣的考驗。通過無線通信和控制系統的配合，在控制中心實現了遠程故障診斷，提高了維護效率。同時，工藝中各環節真正緊密結合在一起，為生產提供了有力保障，提高了生產效率。無線局域網技術在強電磁場環境下的成功應用，為解決這類問題提供了一個新的方法。

作者：方運濤 劉柯楠 魏迎春 單位：東北大學設計研究院有限公司