漏波通信技术在铝加工自动仓库堆垛机上的应用实践

前言

堆垛机是自动化立体高架仓库的关键设备，它穿梭在各个料位之间，实现货物自动堆垛和转运功能。其运行时需要通过无线通讯实时地与ＰＬＣ控制系统进行信息传递，无线通讯的质量直接影响堆垛机运行的稳定性，该无线通讯也是自动化立体仓库的关键技术之一。

公司堆垛机设备采用红外无线对射方式进行通讯，该种通讯方式在设备运行至通道较远处时经常出现信号不稳定或通讯中断情况。分析主要原因为：(1) 由于通道较长传输距离远，堆垛机运行至较远处时红外光信号较弱；(2) 堆垛机运行中产生晃动，引起红外对射光线偏移；(3) 设备安装精度不够或部件松动；(4) 红外发光元件长期使用出现光功率衰减；(5) 仓库内空气湿度、能见度、气流等对光传输的影响。

堆垛机运行时通讯中断将造成失联停机，严重时堆垛机运行失控，对设备及人身造成很大的安全隐患，经多次对红外通讯设备调整优化没有明显改善。红外通讯所用激光元件寿命一般在２万小时至４万小时，目前该通讯装置已连续运行１０年，基本达到设计年限，为了使设备更稳定运行，决定对堆垛机的通讯方式进行优化改造。

一、方案的确定

1.1 几种无线通讯技术的比较

目前常用的工业无线通讯方式主要有红外无线通讯、以太网无线通讯和漏波电缆无线通讯，其特点及应用比较见表１。

表1 几种通讯方式的比较

1.2 漏波电缆与漏波通讯技术

漏波电缆是一种特别的同轴电缆，与普通同轴电缆的区别在于外导体上开有用作辐射的周期性槽孔，使得电磁波可以部分地从电缆内穿透到电缆外。当然，电缆外的电磁信号也将传入到电缆内。漏波电缆主要由内导体、绝缘介质、开有周期性槽孔的外导体和电缆护套等构成，射频信号通过槽孔向外辐射，如图１所示。

漏波通讯技术是一种融合了信号馈线传输损耗小以及射频信号衍射性等特点而产生的一种线状天线传输技术。工作时，在漏波馈线电缆周围区域辐射出一个锥形的信号区，无线客户端与无线接入点借助这个信号区可以建立一个稳定可靠的通讯连路，实现了无盲区覆盖的实时通讯。因此该通讯技术特别适用于不利于射频信号覆盖的复杂的空间环境，能够较好的用于轨道系统、移动平台、货架仓库、行车、涵洞、隧道等沿着固定路径运动的系统。

图1 漏波电缆结构示意图

1.3 改造方案

现场堆垛机通道长300ｍ，传输距离较远，设备通讯速率要求1.5Mbit/ｓbit/s，改造要满足原控制系统通讯的需要。通过几种无线通讯方式的比较分析，漏波通讯方案优势明显，完全适合现场环境条件，可消除红外通讯和传统无线通讯方案中不可靠因素的影响，很好地解决了堆垛机移动接入点和控制PLC通信的诸多问题，具有较好的可实施性。通过对比改造选用西门子公司SCALANCE W 漏波通讯方案进行，它主要有三个部分组成：无线接入点设备（AP主机），RCoax漏波馈线电缆和客户端设备。

(1)无线接入点设备即AP主机。SCALANCE W788-1RR，支持2.4Ｇ和5Ｇ两种频段，提供高频电磁场，实现可靠的无线连接，支持高达300Mbit/s的传输速率。

(2)RCoax漏波馈线电缆一般有耦合型、辐射型和漏泄型三种类型。其中辐射型漏波电缆具有电磁能量集中、方向性好、越抗干扰能力强、耦合损耗小等特点，非常适合在立体仓库现场环境的使用。应用时选择西门子公司2.4GHz频段的RCoax漏波电缆，型号为XV1875-2A,可以与西门子SCALANCE W 无线接入点和客户端完美的结合。

(3)客户端设备安装移动的堆垛机上，其接收天线置于无线接入点漏波馈线天线覆盖的无线网络中，用来实现移动设备无线通讯。应用时使用西门子IWLAN/PB Link PN IO模块实现从IWLAN工业以太网PROFINET I/O到Profibus-DP总线的转换，可以保持原控制系统的PROFIBUS硬件变动最少。

图2 高架仓库堆垛机漏波电缆无线通讯方案

根据现场情况及原系统特点确定改造方案如图２所示。接入点采用一个SCALANCE W788-1RR，无线接入点通过功率分配器将信号传输到两条150ｍ的漏波电缆上，实现无线信号全通道覆盖。客户端采用IWLAN/PB Link PN IO模块，安装在堆垛机控制柜内；接收天线安装在堆垛机上，位置距离漏波电缆为4cm-7cm为宜，垂直于漏波电缆，此时的耦合损耗最少。RCoax漏波电缆沿供电滑触线支架水平铺设。

二、需要解决的问题

2.1 漫游对通讯稳定性的影响及处理

由于单段2.4GHz频段漏波电缆有效距离为200ｍ，而堆垛机轨道总长为300ｍ，单条漏波线缆不能满足。起初采用两段漏波电缆布置，每段150ｍ，各连接一个无线接入点W788-1RR，两个无线接入点通过工业交换机相连的方案，但在测试时频繁出现信号中断现象，经检查确定原因为两个漏波电缆网段间存在漫游现象。最后通过对漏波电缆的硬件结构进行更改，在通道中部使用功率分配器，W788-1RR信号经功率分配器接入两段150ｍ电缆中，此时整个系统只存在一个通讯网段，避免了漫游的问题。

2.2 更改原系统组态设置

由于原控制系统采用DP通讯，使用漏波电缆通讯时需要更改系统配置及进行相关参数调整，主要包括漏波电缆参数设置，PLC硬件组态设置，PROFINET控制器更新数据的时间间隔设置，SCALANCE W788-1RR参数设置，IWLAN/PB Link PN IO参数设置。设置IWLAN/PB Link PN IO参数时，需使其与SCALANCE W788-1RR连接后，使用PST配置软件通过无线连接分配IP地址，并进行没置。具体的参数设置过程比较复杂，可参考西门子相关的操作文档。

2.3 现场安装注意要点

RCoax漏波电缆安装在滑触线固定架上，其路径与轨道一致，安装时应注意线缆标示线位置，使其对准支架卡座方向，使用配套的卡具进行固定，安装位置合适，同根线缆上的两个固定卡具之间间隔60cm为宜。架设前做好测量，架好的漏波电缆应平直延伸，中间不应有弯曲、下垂和拐弯情况。同时要重视漏波电缆附件的规范安装，如功分器、接地卡、直流隔断器、衰减器、定向耦合器等，其安装质量将对通信的效果产生直接影响。

三、结论

漏波电缆通讯改造完成后，堆垛机连续试运行6个月，现场检查在轨道不同位置通讯信号良好。此次改造有效解决了堆垛机运行至较远距离时通讯不稳定问题，降低了系统故障率，提高了物流运转率，促进了生产指标的提升。漏波通讯技术实现了无线通讯与漏波电缆的完美融合，避免了无线信号间的相互干扰，保证了数据的可靠性和安全性。该方案集成简单、系统扩展性好、稳定性高，可以很好的满足铝加工企业高架仓库堆垛机设备无线通讯的需要。

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作者：洛阳万基铝加工有限公司陈辉/李文华

来源：《有色金属加工》

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