傳統(tǒng)的有線通信方式傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，但隨著時(shí)間和技術(shù)的進(jìn)步，其缺點(diǎn)逐漸暴露出來：①傳統(tǒng)的有線傳輸需要大量的資金和人工成本去架設(shè)電纜；②當(dāng)有線傳輸出現(xiàn)問題的時(shí)候，因?yàn)榧茉O(shè)電纜較長(zhǎng)難以迅速找到故障點(diǎn)；③如設(shè)備需要更新擴(kuò)展，就必須重新布置線纜，還可能會(huì)伴隨著原線路被破壞的風(fēng)險(xiǎn)。而無線通信恰好彌補(bǔ)了有線傳輸方式的不足，因此，無線通信是現(xiàn)代自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。

工業(yè)橋式起重機(jī)中探測(cè)距離較為重要，其主要作用是為了能夠?qū)崟r(shí)反饋行車位置，防止行車走出軌道和行車行駛至控制室禁止區(qū)域，以及避免行車碰撞而造成安全事故。改造為激光通信后能夠提高傳輸速率，使通信能在更短時(shí)間內(nèi)完成，全面提升了穩(wěn)定性、安全性，從而使工業(yè)橋式起重機(jī)擁有更高的可靠性。

激光通信技術(shù)是諸多無線通信技術(shù)中的一種，它以光信號(hào)作為傳輸信息的載體，在大氣中直接傳輸。激光通信方式具有方向性強(qiáng)、亮度高、單色性好、相干性強(qiáng)等特征。根據(jù)傳輸媒介的類型可將其分為大氣激光和光纖兩種類型，大氣激光通信是通過大氣傳輸?shù)耐ㄐ判问剑饫w通信是利用光纖或鏡面反射調(diào)整光信號(hào)的通信形式。

1 常規(guī)系統(tǒng)配置方式存在的問題

垃圾儲(chǔ)坑工業(yè)橋式起重機(jī)自動(dòng)化程度較高，所需要采集的控制信息也更多，目前采集來的控制信息主要通過Profibus-DP通信電纜傳遞給中央控制系統(tǒng)，屬于傳統(tǒng)的有線方式傳輸。

由于垃圾儲(chǔ)坑工業(yè)橋式起重機(jī)的工況十分繁雜，需將其控制配電柜設(shè)在固定土建控制室內(nèi)，若采用有線方式傳輸，則需要從行車上每個(gè)傳感器敷設(shè)線纜到電氣配電室內(nèi)。因此面臨以下幾個(gè)主要問題：

1）Profibus-DP通信電纜成本較高，需采集的信號(hào)數(shù)量較多，電纜使用量較大，且垃圾儲(chǔ)坑廠房寬闊，起重機(jī)運(yùn)行的距離遠(yuǎn)（大車運(yùn)行距離約100m，所需電纜約200m；小車運(yùn)行距離約25m，所需電纜約80m），若采用有線方式傳輸，則使用電纜的成本非常大。

2）電纜的耐久壽命是一個(gè)問題，起重機(jī)的大車、小車主要通過拖令的方式供電，電纜通過電纜滑車布置到行車上，起重機(jī)在使用的過程中大車、小車運(yùn)行速度較快，工作頻繁，電纜隨滑車頻繁地移動(dòng)、折彎極易損壞，從而大大降低了電纜壽命；并且在電纜通電連接的過程中，當(dāng)電纜發(fā)生短路時(shí)，設(shè)備可能會(huì)因此發(fā)生損壞，更甚者會(huì)危害人身安全而引發(fā)安全事故。

3）起重機(jī)所處的環(huán)境較為惡劣，隨之使線纜的使用壽命縮短，更換線纜的頻率也有所提高。另外還存在抗干擾問題，拖令方式供電采用單層滑車，且動(dòng)力與控制信號(hào)難以區(qū)分開，編碼器控制信號(hào)與可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）通信信號(hào)的Profibus-DP通信電纜和動(dòng)力電纜敷設(shè)在一起，容易受到動(dòng)力電纜干擾。尤其是大噸位快速運(yùn)行的起重機(jī)，動(dòng)力干擾更加明顯。

2 優(yōu)化方案

本次改造優(yōu)化將保留原工業(yè)橋式起重機(jī)的配電控制系統(tǒng)、中央控制室內(nèi)聯(lián)動(dòng)臺(tái)、照明空調(diào)控制、拖令電纜，僅對(duì)原工業(yè)橋式起重機(jī)的大車的通信方式由傳統(tǒng)的電纜傳輸改造為激光技術(shù)。

激光通信采用兩臺(tái)DDLS 200設(shè)備組成控制信息傳輸系統(tǒng)：在起重機(jī)的大車端梁安裝一臺(tái)DDLS 200光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸器，如圖1所示；另一臺(tái)DDLS 200光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸器被安裝在軌道的末端，整體安裝位置如圖2所示。

將兩臺(tái)DDLS 200光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸器架設(shè)在兩個(gè)互為相對(duì)、平行、平坦且通常是垂直的壁面，且兩臺(tái)相對(duì)的DDLS 200之間的視線不受阻擋。必須確定在最小操作距離Amin之處，兩臺(tái)設(shè)備的光學(xué)軸互相對(duì)準(zhǔn)的誤差不超過±Amin×0.01，以確保兩臺(tái)設(shè)備的傳輸/接收光束落在張角的范圍內(nèi)。

光學(xué)元器件的張角（輻射角）與光學(xué)軸夾±0.5°（廣角：±1.0°或±1.5°，相對(duì)），使用調(diào)整螺絲作精密對(duì)準(zhǔn)，兩臺(tái)DDLS 200光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸器的水平和垂直對(duì)準(zhǔn)角應(yīng)分別不超過±6°。為防止DDLS 200光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸器以雙工操作進(jìn)行資料傳輸?shù)钠陂g互相干擾，使用兩個(gè)成對(duì)的不同頻率。這些頻率在控制臺(tái)上以型號(hào)….1和….2以及頻率f1和頻率f2等標(biāo)簽標(biāo)示，如圖3所示。

圖1 DDLS 200光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸器安裝位置

圖2 起重機(jī)光學(xué)數(shù)據(jù)傳感器安裝位置

圖3 光學(xué)數(shù)據(jù)在兩個(gè)頻率上傳輸

DDLS 200的功能如一臺(tái)同鮑率轉(zhuǎn)換器。在轉(zhuǎn)換鮑率的期間，必須確認(rèn)具較低鮑率之區(qū)段有充分的頻寬可用來處理進(jìn)來的數(shù)據(jù)。DDLS 200光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸器操作范圍為30～500m，采用電絕緣的介面，DDLS 200不占用Profibus位址，具有可關(guān)掉整合性重復(fù)器功能（信號(hào)處理），與協(xié)定種類無關(guān)的資料傳輸，亦即傳輸FMS、DP、MPI、FMS/DP等混合式操作協(xié)定，PROFISAFE，可連接式匯流排終端器（終端連接），可設(shè)定6種鮑率。參數(shù)詳細(xì)見表1。

表1 DDLS 200光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸器參數(shù)

通信協(xié)議采用傳統(tǒng)的Profibus-DP協(xié)議，Profibus-DP通信協(xié)議（簡(jiǎn)稱DP協(xié)議）是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信的主流，用于PLC與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)分布式I/O設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)最大12MHz快速循環(huán)數(shù)據(jù)交換。同時(shí)為項(xiàng)目的實(shí)施節(jié)約信號(hào)電纜的布線。DP協(xié)議是Profibus中應(yīng)用最廣的通信協(xié)議方式。

工業(yè)橋式起重機(jī)通過通信模塊ET 200（采集相關(guān)的保護(hù)信號(hào)，并且參與狀態(tài)控制）、絕對(duì)值編碼器ZE 65（采集絕對(duì)位置XY坐標(biāo)）、脈沖編碼器NM701NR3（升降機(jī)閉環(huán)速度反饋，并且提供Z軸的坐標(biāo)）、稱重單元WST 3（提供實(shí)時(shí)反饋負(fù)載的當(dāng)前重量）進(jìn)行信號(hào)采集，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)行車位置以及重量測(cè)控。

工業(yè)橋式起重機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖如圖4所示，其中DDLS 200光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸器已替代原用Profibus-DP通信電纜W1。

圖4 工業(yè)橋式起重機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖

控制室控制配電柜內(nèi)的PLC硬件組態(tài)由CPU、電源模塊、模擬量模塊、DI DO模塊組成，作為主站。起重機(jī)大車、小車行車上的PLC硬件組態(tài)由電源模塊、通信模塊ET 200M、DI DO模塊、DDLS 200光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸器等組成，作為分站。安裝于軌道末端的光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸器，當(dāng)接收到從大車端梁上的光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸器發(fā)射回來的數(shù)據(jù)時(shí)，通過交換將數(shù)據(jù)傳遞給控制室內(nèi)CPU。

3 改造效果

為了驗(yàn)證激光通信應(yīng)用在工業(yè)橋式起重機(jī)中的有效性，收集記錄了改造前后的相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，包括PLC之間的通信延遲、最大支持的波特率以及傳輸故障使看門狗程序強(qiáng)制的周期，其結(jié)果見表2。

表2 改造前后通信質(zhì)量對(duì)比

可以看到，改造之后各個(gè)指標(biāo)都存在不同程度的提升：①通信延遲縮短了80%，意味著通信能在更短時(shí)間內(nèi)完成，提高了高效性；②波特率提高了33%，表示更高的傳輸速率，從而使PLC之間更快地收發(fā)指令；③更低的故障率和更長(zhǎng)的故障復(fù)位周期則說明了激光通信具有更好的傳輸穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)降低了風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的頻率，讓作業(yè)更加安全。

綜上所述，改造之后的工業(yè)橋式起重機(jī)效率更高，更穩(wěn)定可靠，完全滿足作業(yè)需求，可以替代傳統(tǒng)的有線方式進(jìn)行傳輸。

4 結(jié)論

激光通信方式通信質(zhì)量較好，不但信號(hào)穩(wěn)定，而且杜絕了因線纜故障所導(dǎo)致的信號(hào)中斷和通信故障，并在數(shù)據(jù)傳輸速率、通信延遲方面有了顯著提升。同時(shí)，通過使用光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸器實(shí)現(xiàn)工業(yè)化數(shù)據(jù)通信，省去了連接的通信電纜和中繼器RS 485等大批量電氣材料，大大節(jié)約了材料成本和維護(hù)成本。

在傳統(tǒng)的有線方式傳輸中，連接故障（如接觸不良、斷線等狀況）在起重機(jī)整體故障率中占了較大比重，而激光通信方式恰恰省去了這一環(huán)節(jié)，從而有效提高了起重機(jī)的可靠性。

以往起重機(jī)因Profibus-DP通信電纜斷線，需要消耗大量的資源以及時(shí)間成本來更換Profibus-DP通信電纜，這對(duì)整個(gè)電廠的生產(chǎn)及其運(yùn)營(yíng)效益造成巨大的影響，而激光通信方式只需光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸器擺放在正確的位置并連接軟件即可，真正地做到快捷輕便，極大地提高了起重機(jī)的安全性、可靠性、高效性、易維護(hù)性。理論上可運(yùn)用在任何工業(yè)橋式起重機(jī)設(shè)備上。

本文編自2020年第9期《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“基于DDLS 200光學(xué)數(shù)據(jù)傳感器的工業(yè)橋式起重機(jī)激光通信系統(tǒng)”，作者為謝俊朗、韋翔。