工业无线技术理论与应用（六）

专家：杜品圣 领域：工业无线 行业：汽车 日期：12-03-08 09:51 点击数：3784

   作者;张龙、吴勇志
   
    8 工业无线应用

   工业无线具有诸多优点，它可广泛应用于移动操作和监控、控制器和工程师站之间的快速通讯、实时I/O数据传输、冗余系统、频繁变化难以布线的环境、使用便携式计算机等可移动设备进行快速网络连接、流动工作者可得到信息的区域等。

   8.1 无线蓝牙在门式起重机上的应用

   起重机大车和小车之间的通讯原采用有线方式，即导缆固定于小车导缆装置上，随小车一起往返运行，并把传导电缆引入小车接线箱内，中间滑车悬挂传导电缆在导轨上，靠曳引绳曳引，带动传导，缆线在起重机大车和小车移动时，存在被拉断的风险。

   现控制方案：移动小车和地面站分设通讯子站，并集成安全I/O模块，无线蓝牙代替拖缆传输I/O数据，两个SD卡将两个ILC 170 ETH 2TX控制器（以及适用的IO模块）传输到一个多路系统而无需进行任何编程，组态简单，跨接线使用少，同时集成Safety Bridge技术，允许通过蓝牙传输安全相关的I/O信号。如紧停信号。

   控制系统组成：

    FL BT EPA：无线蓝牙模块，容易集成到PROFINET、Modbus/TCP、Ethernet/IP网络中，兼容Profisafe 2.4、蓝牙PAN（Personal Area Network）、BT2.0协议规范，128位加密技术，内置圆形偏振天线，IP65防护等级，-25℃～+60℃宽温运行；

    ILC 170 ETH 2TX：带2个以太网接口的可编程序控制器，本例用于模块化MUX通讯子站；

   IL MODULAR MUX SD：预置软件存储卡，和ILC170配套使用，实现模块化MUX功能；

   I/O模块：根据控制需求配置的输入/输出模块；

   Safety I/O模块：根据控制需求配置的安全输入/输出模块。

   控制方案优点：

   无线传输，无线缆磨损；

   中距离数据传输，无需复杂电缆敷设；

   使用模块化MUX SD卡，硬件配置和启动简单；

   集成标准I/O模块，不需编写用户程序。

   8.2 PROFINET通过无线蓝牙在环形轨道车中的应用

   在环形轨道上，有多个小车在轨道上运行，小车运行速度、位置等状态由中控室可编程序控制器控制，小车上设置PROFINET子站和蓝牙模块，并在远端设置PROFINET子站和蓝牙模块，中控室PLC和远程子站通讯采用无线蓝牙和PROFINET总线控制技术，小车蓝牙在中控室蓝牙、远端蓝牙之间漫游，其控制方案如图1所示。

   控制系统组成：

   中控室主控系统：ILC 330 PN：带PROFINET功能的PLC；FL BLUETOOTH AP：无线蓝牙模块，支持LAN、PAN、SPP（Serial Port Profile）、BT2.0协议规范，128位加密技术，可外加大增益天线，以加大传输距离，本例外加天线为增益8dBi定向天线（RAD-ISM-2400-ANT-PAN-8-0）；

    小车远程通讯子站：IL PN BK DI8 DO4 2TX：两端口PROFINET通讯耦合器；相应I/O模块；FL BLUETOOTH AP：无线蓝牙模块；RAD-ISM-2400-ANT-PAN-8-0：增益8dBi定向天线；
      
                    
                                    图1 控制方案示意图   

   远端PROFINET子站：配置同小车远程通讯子站。

   控制方案优点：

   PROFINET是最先进的现场总线技术；

   一个无线蓝牙AP，最多可连接7台客户端；

   PROFINET点到点数据传输无线延迟小于15ms，保证系统实时性。

   8.3 无线蓝牙在登机桥中的应用

   现代机场登机桥控制已经实现智能自动控制，根据停靠的不同机型，确定需要移动的登机桥的数量、移动方向和伸展长度，为了实现上述柔性控制要求，在三个登机门分别设置I/O子站，中控PLC和远程子站通讯采用无线蓝牙和PROFINET总线控制技术，机型数据必需预先存储到控制器中，一个附加的SCADA系统连接到含有机型数据、登机门位置数据等信息的SQL系统。根据安全需求，可将网络安全技术mGuard应用到该系统中。

   控制系统组成：

    中控室主控系统：ILC 330 PN+I/O模块；TP 3105T：10.4"彩色触摸屏；FL BT EPA；

   登机门远程PROFINET子站：IL PN BK DI8 DO4 2TX+I/O模块；FL BT EPA。

    控制方案优点：

   PROFINET更新时间最小为8ms，满足系统实时性要求；

   柔性控制系统，提高工作效率。

   8.4 WLAN在仓储物流中的应用

   随着物流技术的发展，仓储的规模扩大，企业更注重物流的效率，以前仓储管理系统基本处于人工管理或半自动化管理状态，效率不高，其通讯方式大多数以有线通讯为主，不能随时随地更新或获取数据。

   现控制方案采用WLAN AP，根据需要分布于货场，AP通过有线连接到货场的中控系统，无线网络覆盖整个货场，客户端为来回穿梭的叉车（其上安装集成触摸屏和无线客户端）和手持式无线终端，移动客户端在AP上漫游，组成一个无线局域网系统，网络结构如图2所示。
  
                      

                            图2 网络结构示意图  

   无线网络组成：FL WLAN 24 EC 802-11，无线客户端；FLSWITCH LM 8TX，管理型交换机；无线手持终端。

   WLAN模块特性：

   无线接口： 2 个无线频段接口， 2 . 4GHz 频段， 根据IEEE802.11b/g标准，有13个无线信道；5GHz频段，根据IEEE802.11a标准，有19个无线信道；

   安全： 支持WPA/PSK、WEP64bit、WEP128bit三种安全模式及TKIP、CCMP/AES数据加密类型，在AP端，还可以设置MAC地址滤波；

   网络： 支持STP、VLAN、DHCP；

   用户接口： Web页面密码保护，可通过HTTP、HTTPS配置；

   客户端监控： 在AP端可对EC进行连接监控；

   无线传输： 手动、自动、ICS（Intelligent ChannelSelection）通道选择，手动指定数据传输速度或自动选择允许最大的传输速度；

   以太网供电（POE）： 根据IEEE802.3af，支持以太网供电；

    漫游：当一个AP不能覆盖大的移动区域时，需要用到漫游技术，WLAN EC在运动中搜寻不同通道的AP，通过设置可以优化WLAN EC从一个WLAN AP漫游到另一个WLAN AP。

   无线控制方案的优点：

   快速漫游时间为10～50ms，保证移动叉车和手持无线终端随时都可靠地连接到无线网络；

   当WLAN AP通道选择为ICS时，AP可以自主优化通道选择，避免无线通道干扰，使得大范围WLAN覆盖得以实现，移动客户端可以很可靠地连接到WLAN网络；

   数据存取可以在任何地方操作，实时更新数据库。

    8.5 漏波电缆在轨道传输系统中的应用

   漏波电缆是一种天线技术，主要是针对工业现场复杂的空间环境，如钢架、涵洞、隧道等，不利于射频信号有效覆盖的区域，而设计的一种通过特殊馈线电缆传播射频信号的技术。它能够围绕着电缆的指定区域辐射一个规则的信号区，这种功能可以保证在无线客户端和无线接入点之间建立一个稳定可靠的通讯连路，并且能够提供确定的数据循环访问，漏波电缆作为一种用于苛刻要求的无线应用射频电缆，它可以作为一种连接WLAN AP接入点的特殊天线。

   无线网络组成：FL WLAN 24 AP 802-11；FL WLAN EPA：无线LAN模块，容易集成到PROFINET、Modbus/TCP、Ethernet/IP网络中，兼容Profisafe 2.4、IEEE 802.11 b/g协议规范，内置圆形偏振天线，IP65防护等级，-25℃～+60℃宽温运行；FL LCXCABLE METER：漏波电缆，在2.4GHz频段，最大长度为100米，若使用天线分线器，其长度可达200米，根据安全加密类型，单个AP可连接的客户端数量如表1所示。
   
                           表1 一个AP可连接的客户端数量  

                    

    漏波电缆的灵活简易的安装以及整个系统模块化的设计，能够完美用于单轨悬挂轨道系统，甚至弯曲轨道；

   安装于悬挂系统的紧凑设计的WLAN EPA，节省空间；

   特殊设计的圆形偏振天线集成至IP65系统中，无需附加天线电缆，就可以可靠地连接至漏波电缆中。

   8.6 冗余无线系统的应用

   对一些特殊应用场合，需要冗余无线数据传输路径，建立无线冗余链路方法之一是在两个终端设备之间建立WLAN和Bluetooth链路，就象冗余以太网电缆连接。WLAN链路为数据链路，Bluetooth链路为备份链路，当干涉、冲突或其他原因造成WLAN链路中断时，立即快速启用备份蓝牙链路，保证通讯连续性，其控制方案如图3所示。
              
                   

                                    图3 控制方案图  

   冗余系统组成：

    FL WLAN EPA ：无线LAN模块；

    FL BT EPA ：无线蓝牙模块；

    FL SWITCH LM 4TX/2FX：管理型交换机；

    IL MODULAR MUX SD：预置软件存储卡；

    ILC170 ETH 2TX：可编程序控制器；

   I/O模块。

    为了实现上述功能，需要对交换机进行配置，首选需要打开交换机的冗余功能，即能“Rapid Spanning Tree Status”和“FastRing Detection”两功能选项，然后在“RSTP Port Cfg Table”配置页面，将连接蓝牙设备端口2的“Admin Path Cost”值设大，连接WLAN设备端口4的“Admin Path Cost”值设小，如图4所示。

   该控制方案也可以用两个 WLAN路径实现冗余控制，一个WLAN路径工作在2.4GHz频段，另一个WLAN路径工作在5GHz。

   控制方案的优点： 

   冗余传输路径，提高了系统的可靠性；RSTP和FRD技术，保证了网络愈合时间小于200ms。

   8.7 WLAN在汽车悬挂链上的应用

   汽车厂总装线、油漆线等都有许多在空中行走的自行小车，空中小车传输控制系统和主控制系统之间的通讯，以前采用滑触线技术，即有线通讯，通过滑触线和集电器滑动接触进行数据通讯是比较复杂的，一是滑触线在轨道内是平行敷设的，距离比较近，之间仅有基本绝缘，没有屏蔽层的防护，滑触线和集电器滑动接触之间存在很大的阻抗，而且滑动过程中接触的效果也不稳定，还或多或少的存在干扰和各种不稳定因素。二是通讯数据量问题 ，由于轨道和滑触线的尺寸、安装的要求及经济指标等各方面因素的局限，通常滑触线数量都采用8根。目前流行的滑触线数据通讯方式主要有：车载PLC 到站发信方式，现场总线（如PROFIBUS)方式及调制解调方式。
  
                     
                       
                                         图4 配置图

    用无线通讯替代滑触线，控制方案如下：

    在地面主控柜设置一台主控PLC，处理所有地面与小车、小车与小车之间、输送系统与工艺设备的数据交换，同时在主柜安装了一台HMI， 对移动小车进行的启动、停止、吊具的升降及各工序工艺时间的控制和操作，实时显示整线运行情况，在线显示车组状态、位置、所载工件类别、当前工艺节拍状态等信息，并能进行故障诊断和报警。主控系统通过以太网接口与AP连接。

   每台小车安装一台车载PLC，完成小车启动、停止、吊具的升降及各工序工艺时间的控制，实现小车的智能化。通过以太网接口与无线客户端（EC）连接，小车沿轨道运行，EC在AP1和AP2上漫游，主控制系统通过无线局域网、PROFINET和小车控制系统进行数据交换，从而实现车载PLC 与地面主控PLC 的数据交换。控制方案网络拓扑图如图5所示。
  
                    

                                   图5 控制方案网络拓扑图

    控制系统组成：

    主控系统

    ILC 390 PN：带PROFIBUS接口的PLC；

    TP 3105T：10.4"彩色触摸屏；

    FL SWITCH LM 5 TX：管理型交换机；

    FL WLAN 24 AP 802-11：无线接入点；

   I/O模块。

   小车系统

    ILC 170 ETH：可做PROFINET从站的PLC；

   FL WLAN 24 EC 802-11：无线客户端；

   I/O模块。

   控制方案的优点：

   安装简单方便，免除了硬线连接所需的排线施工和校验的工作，大幅度地降低了现场施工工作量；

   消除滑触线通讯方式产生的抖动、干扰、丢失等弊端，特别是解决滑触线方式信号传输量限制的根本问题；

   系统柔性程度高，调试简单方便 ，节省了开发和调试时间。

    8.8 无线I/O在焊接机器人上的应用

   在汽车焊装线上有很多机器人，根据工艺要求有单工位，也有多工位，焊枪随工件来回移动，其控制由主控柜PLC控制，根据控制工艺要求，选用无线基站和无线I/O控制方式，控制方案拓扑图如图6所示。
  
                       

                             图6 控制方案拓扑图 

   控制系统组成：

   PLC：根据客户需求选择，总线可选择PROFINET、PROFIBUS、INTERBUS等；

    总线通讯耦合器：FLM BK PN M12 DI 8 M12-2TX：PROFINET通讯耦合器；FLM BK PB M12 DI 8 M12：PROFIBUS通讯耦合器；FLM BK IB M12 DI 8 M12：INTERBUS通讯耦合器等根据需要选择；

   无线基站：FLM BT BS 3：可连接3个无线I/O的无线基站；

   无线I/O： FLM BT DI 16 M12：16点数字量输入模块；FLM BT DIO 8/8 M12：8点数字量输入输出模块；ILB BT ADIO2/2/16/16：2点模拟量输入输出模块，16点数字量输入输出模块；无线I/O模块根据需要选择。

   控制方案的优点：

   无线基站可用于多种现场总线中；

   用ID-PLUG配对，操作简单，只需几分钟就可以完成。

   8.9 Trusted Wireless在水处理行业中的应用

    在水处理行业，从中控室上位机监控水塔水位，如果水塔水位低于低限水位后，则启动水泵从蓄水池抽水到水塔，至水塔水位达到高限水位。当监控到蓄水池水位低于低限水位后，则通过无线控制远程从站，启动水泵从水源处取水，经过化学物理处理后，再用水泵抽到蓄水池。这一系列过程从远程从站多点控制和多点数据采集，到数据通过中继远程传输水位等信息采集，均通过无线的方式实现，在中控室即可监控整个水处理过程，省去了信号线布线的时间和成本，免除了后期线缆维护和更换的成本。控制方案拓扑如图7所示
  
                   

                                          图7 控制方案拓扑图 

   系统组成：RAD-ISM-2400-DATA-BD-BUS：串口无线模块，可远距离双向传输RS232/RS485数据，最远可传输几公里，图7 控制方案拓扑图最多可构成254个站的网状网络，可设置地址，每个站既可以做主站、从站又可以做中继站，并具有自动漫游功能，可实现点对点、点对多点、多点对一点的数据传输方式，通过侧面总线接口，可扩展数字量、模拟量模块；

   I/O模块：RAD-IN-8D：8点数字量输入模块；RADOUT-8D-REL：8点数字量继电器输出模块；RAD-IN-4A-I：4点电流型模拟量输入模块；RAD-OUT-4A-I：4点电流型模拟量输出模块；RAD-IN+OUT-2D-1A-I：2点数字量输入输出，1点电流型模拟量输入输出模块；RAD-IN-2D-CNT：2点脉冲输入模块；RAD-OUT-2D-CNT：2点脉冲输出模块；模块数量类型根据现场需求选择。

   控制方案的优点：

   远距离传输多达254从站，可以很容易组建大型无线网络；

   漫游功能可实现可靠的冗余连接；即某个接入点出故障时，可快速连接至另一个接入点。

   张龙（1974-）

   男，1996年毕业于北京理工大学自动控制专业，研究方向为现场总线、工业以太网、功能安全和工业无线等技术。 

    摘自《自动化博览》2012年第二期