無線信號傳輸裝置在散糧裝卸系統上的應用

◎ 王康興

（連云港東糧碼頭有限公司，江蘇 連云港 222000）

1 項目背景

隨著國家對生態文明建設的重視程度不斷提高，散糧裝卸工藝中的環保要求也越來越高，國家發改委在《糧食現代物流發展規劃（2006—2015年）》中提出，2015年全國糧食總流通量應達到2.8億t。實現國家發改委提出的糧食總流通量的目標任務非常艱巨，而加快糧食物流關鍵技術及裝備研究是提高我國糧食流通“四散”化能力的當務之急。

目前在國內外散糧裝卸碼頭上主要利用兩種裝卸工藝，一種是利用帶除塵漏斗的間歇式抓斗裝卸船機，另一種是利用帶集塵器的連續式裝卸船機。連云港東糧碼頭有限公司在32#、33#泊位上分別設置了3臺抓斗裝卸船機和2臺連續式裝卸船機作為公司的主力設備，兩個泊位接卸糧食類貨種的效率均可達1 000 t·h-1。這兩者作為散糧筒倉裝卸系統中的重要節點，與筒倉中控的集中控制系統必須保持良好的通信，否則就會造成整條流程線的故障，對裝卸船效率產生極大的影響。

2 問題分析

2.1 現狀分析

2.1.1 碼頭-筒倉通信簡述

以卸船流程為例，兩用機為取料設備，處于首端，筒倉系統機械為輸送設備，處于末端，若末端出現故障停機，那么首端設備（兩用機）必須停機，否則會造成物料堵塞及其他一系列故障，所以可以將末端設備（如皮帶機）的運行信號向首端（兩用機）的控制系統進行傳輸，使此信號作為首端設備的運行條件，即皮帶機不運行，兩用機就無法運行。此項改造就是利用無線裝置代替通信電纜卷筒將此一類的信號進行實時性的傳輸。

2.1.2 電纜卷筒工作原理

電纜卷筒通常安裝于大型機械上，因為電纜卷筒電纜外層的黑色保護裝置可耐各種氣候條件，完全滿足對于不同使用場景的要求，在大多數情況下可以安裝在高溫或有化學腐蝕的環境，而且具備相應的耐寒、耐磨、耐腐蝕性能和強機械負載承受能力。但是，在實際使用過程中容易出現不運轉或者是運轉不靈的狀況，若出現這些問題不及時處理則很容易影響電纜卷筒的使用壽命或直接損壞電纜。

以連云港東糧碼頭有限公司33#泊位為例，裝卸船兩用機與中控的通信采用通信電纜卷筒的方式進行通信（如圖1所示），由于現場環境比較惡劣，粉塵多并且常年處于泊位旁海水潮濕腐蝕下，會對現場通信電纜造成很大的損壞，長此以往信號傳輸容易出現中斷及信號不好等故障，同時由于連云港東糧碼頭有限公司的兩用機是20世紀90年代的產品，未在電纜卷筒增加過緊限位以防止拉斷，通常在大機行走的時候，司機全程監護，但仍存在會將通信電纜拉斷的潛在風險。

圖1 電纜卷筒現場圖

在連云港東糧碼頭有限公司2019—2020年的裝卸船作業中，就發生過3次電纜卷筒拉斷的故障,（電纜斷裂情況如圖2所示），單次直接故障時間達8 h，而且隨著電纜外層的保護裝置的多次拉斷，其強度和抗干擾性勢必會越來越低，隨之而來的故障率則會越來越高，所以對電纜卷筒的癥結點解決勢在必行。

圖2 電纜拉斷處理圖

為了能解決這個潛在的問題，需要滿足以下要求。①保證信號傳輸的穩定性。②結合公司生產要求，使設備調試時間盡可能降低。③使用方便，在后期無大量的維護工作。

2.2 解決方案分析

現有的電纜卷筒系統控制電纜抗拉強度低、易拉斷，電纜長期裸露在外，工作環境異常惡劣，現場粉塵度高，磨損和腐蝕很嚴重，絕緣層遭到破壞，極易造成安全生產事故。同時經常大量地更換有關電纜又造成每年的更換費用達到數萬元之巨，維護起來非常困難。若導致生產停頓，則會給公司吞吐量和客戶生產帶來更大的損失。但維修改造工期也是一個非常重要的問題，碼頭的生產不可以停頓，所以需要進行兩手準備，一方面在短期對電纜卷筒進行功能性的修復，另一方面尋找替代方案。

經過調查研究，可選擇的替代方案主要有兩種，一種是選購新式電纜卷筒和對應電纜，另一種則是選擇通過無線方式進行通信。兩種方式的優缺點對比如表1所示。

表1 電纜卷筒與無線通信的優缺點比較表

3 項目主要實施內容

3.1 無線技術簡述

現實生活中，無線技術已經應用的非常廣泛，而在工業控制中，無線技術的應用與人們生活中常見的的的WIFI上網又有很多的不同，但它們具有一個共性，即便捷性，這是無線信號傳輸通信系統不可忽視的一個優點。

對于無線系統來說，首先考慮的問題就是穩定性，從技術層面來說明，根據國內實驗室出具的產品可靠性數據分析報告顯示，無線通信是非?？煽康?。但對于實際的現場狀況來說，實驗室環境還是過于簡單，實際應用中無線通信受干擾因素遠比有線通信方式多。因此，如何大幅度減少甚至杜絕現場因素的干擾成為采用無線系統所要必須解決的問題。

3.2 采用無線技術需要重點解決的關鍵技術問題

3.2.1 產生信號干擾的因素

現場實際生產過程中，無論是外接電路、氣候條件、環境電磁場或是人為干擾，在產品不進行有效處理的情況下都會嚴重影響到所有電子儀器的傳輸數據精度以及產品內部的運行穩定性，這些因素主要分為以下幾類。

（1）環境干擾。工業現場的作業條件大多不符合精密儀器的運行條件，安裝地點在戶外、粉塵較多的車間、存在機械振動的大型機械上，這些工作環境對于電子產品的運行穩定性和使用壽命提出了嚴苛的考驗。

（2）電磁噪聲干擾。自然界充滿了各種來源和各種頻段的電磁波，會影響儀器儀表的使用和無線通信的信息傳輸，因此分析電磁波特性和解決方式很有必要。宇宙噪音是電離輻射產生的，在一天中不斷變化，噪聲起源于地球大氣層外的銀河系中心部分以及太陽噪音，太陽噪音則隨著太陽活動情況而劇烈變化。雷電是種主要的自然干擾源，雷電產生的干擾可以傳輸到數千公里以外的地方。雷電干擾的時域波形是疊加在一串隨機脈沖背景上的一個大尖峰脈沖。電磁噪聲主要會對通信產生干擾，而雷電能量尖蜂脈沖更可以對很多設備造成損壞，因此無線終端需要有效降低噪聲對設備產生干擾和損壞設備的可能性，以盡可能避免損失。

（3）人為干擾。人為產生的電磁干擾根本原因是導體中有電壓或電流的變化，即較大dV/dt或dI/dt。dV/dt或dI/dt能夠使導體產生電磁波輻射。一方面，人們可以利用這一特點實現特定功能，例如，無線通信、雷達或其他功能，另一方面，電子設備在工作時，由于導體中的dV/dt或dI/dt會產生伴隨電磁輻射。無論主觀上出于什么目的，客觀上對電磁環境都造成了污染。另外，裝卸船兩用機在生產過程中會經常有一些大功率的設備（電機、變頻器）頻繁開關，也會出現一些容性、感性的干擾，影響儀器儀表正常顯示或采集。凡是有電壓電流突變的場合，都會有電磁干擾存在。數字脈沖電路就是一種典型的干擾源，隨著電子技術的廣泛應用，電磁污染情況會越來越嚴重。

3.2.2 干擾源處理方式

基于以上所提出的干擾問題，總結了如下幾點的解決方法和處理意見。通過實際測驗，有效解決在33#泊位中無線通信設備所遇到的干擾問題。

（1）環境氣候干擾的解決方法。無線信號裝置的箱體采用封閉設計，盡可能地隔離外界環境，使得內部儀器處于穩定的工作環境。

（2）電磁噪聲干擾解決方法。電磁干擾的三要素是干擾源、敏感源和耦合路徑，這三要素缺少一個，電磁干擾問題都不會存在。因此要從這三要素入手，找出最方便的解決方法，一般干擾源和敏感源都屬于不可控因素，只能根據經驗和對于現場碼頭環境給出一些有效的解決方法。因此，解決電磁干擾的方法，通常是從耦合路徑上著手，這也是最常用的方法，如通過加屏蔽、加濾波等手段。具體的解決方法：①選擇封閉性箱體結構，可以有效屏蔽外界電磁干擾。②選擇短波加密無線傳輸技術的模塊，從傳輸方式上盡可能避免被干擾的可能性。③設備設計做避雷考慮，避免終端設備的損毀，終端外部箱體有效屏蔽了外部電磁場對終端內部電路的影響。以上3種方式可以同時使用來降低電磁干擾。

（3）人為干擾的解決方法。將無線通信終端做成一個裝置，也就是箱體結構。無線設備起到的不僅僅是傳輸效果，也包含了數據處理能力，自身可以形成一套完整且獨立的系統。外部電路與無線通信裝置均采用了完善的隔離電路，保證將外部電路包括容性、感性對終端內部電路的運行的干擾降到最低。

4 實施步驟

（1）根據圖紙及實際情況找到裝卸船允許的信號線及公共線。

（2）根據電路圖制作出對應的信號控制箱；這里采用IP55等級以上的終端箱以及IP68的外置天線來規避氣候所造成的干擾問題。

（3）采用原電纜卷筒信號以及兩路無線通信的雙路傳輸，設計電氣原理圖，并根據電路圖接線。無線傳輸裝置電路圖如圖3所示。

圖3 無線傳輸裝置電路圖

（4）裝卸船允許信號分別接入中控室和兩用機的PLC控制系統，信號傳輸模擬圖如圖4所示。

圖4 無線信號傳輸模擬圖

5 項目總結

5.1 特色和創新之處

（1）電纜卷筒的取消降低了設備故障癥結點。

（2）雙路信號穩定，流程運行安全有效。

（3）裝卸船無癥結點困擾，裝卸船效率明顯提升。

5.2 項目進度安排

（1）2020年2月底完成電纜卷筒的故障修復及信號線路的確認。

（2）2020年3月底完成設備的采購以及信號控制電箱的安裝。

（3）2020年4月底完成調試以及進行兩個月的故障監控工作。

5.3 成果目標

（1）通過無線通信代替電纜卷筒裝置，保證兩用機及筒倉的通信正常，切實降低流程線的故障率并降低公司的成本投入。

（2）無線系統的使用可以使中控對流量更加敏銳，提高中控對流程線的把控能力，提高生產效率。

改造前與改造后的設備狀況對比如表2所示。

表2 改造前與改造后的設備狀況表

5.4 經濟、社會效益

（1）自動集中控制，已改造兩用機的無線通信系統,可根據需求控制流量大小，降低設備故障率，首先應用于33#泊位1#、2#兩用機散糧裝卸上，接下來將應用在32#泊位門機大漏斗設備中，對于連云港東糧碼頭有限公司“水轉水”裝卸起到前瞻作用。

（2）通過改造，實現了33#泊位散糧裝卸的每年故障率與故障時長的明顯降低，故障時長由原來的49 h降為0.5 h。

（3）通過改造切實降低了連云港東糧碼頭有限公司的成本投入，兩用機使用電纜卷筒設備為30萬元/臺，并且還有電動機的能源消耗和人工看護帶來的各種成本約10萬元。

6 結語

散貨碼頭裝卸的流程線方式使碼頭裝卸機械與倉儲之間要有可靠的通信方式，采用無線信號傳輸的方式可以降低通信電纜的鋪設成本，減少設備故障率，從而保證裝卸船作業的效率。