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無線通信技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2009-04-23 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:重點(diǎn)分析了當(dāng)前領(lǐng)域內(nèi)被廣泛使用的若干類,通過大量的引證并結(jié)合現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)化實(shí)例對(duì)比總結(jié)各類型手段的優(yōu)劣。根據(jù)不同工程項(xiàng)目的配合相應(yīng)的硬軟件技術(shù),實(shí)現(xiàn)通信產(chǎn)品的最優(yōu)化組合。
關(guān)鍵詞:藍(lán)牙;數(shù)傳電臺(tái);GPRS;局域網(wǎng)

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/158091.htm


0 引言
在鐵路和港口的貨場(chǎng)、建筑生產(chǎn)工地,有很多設(shè)備交叉作業(yè),大型戶外工程機(jī)械啟動(dòng)頻繁,工作環(huán)境惡劣,由操作人員現(xiàn)場(chǎng)控制的方式已經(jīng)不適應(yīng)發(fā)展的需要。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,基于對(duì)工程機(jī)械工作信息資源和生產(chǎn)管理的需要,決策者需要及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況,進(jìn)行綜合分析,作出準(zhǔn)確、科學(xué)而有效的決策,指揮現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)工作。今天,幾乎所有的建筑工程機(jī)械設(shè)備通過遙控改造都能實(shí)現(xiàn)遙控,開發(fā)一個(gè)通用的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái),可以快速方便的構(gòu)建出符合用戶需要的無線數(shù)據(jù)通信監(jiān)控系統(tǒng),這必將有良好的應(yīng)用前景。


1 無線的迅猛發(fā)展
LMDS是近年來逐漸發(fā)展起來的一種寬帶無線接入技術(shù),它具有大容量高帶寬和雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn),工作在20GHz~40GHz頻段上,可實(shí)現(xiàn)從每秒幾千比特到25.6Mbs的用戶接入速率,具有很高的可靠性。相對(duì)于目前常見的有線接入方式ADSL、HFC、以太網(wǎng)接入技術(shù),以及MMDS、衛(wèi)星通信接入技術(shù)和不可見光纖無線系統(tǒng)等常見無線接入方式,LMDS非常適合于用戶數(shù)據(jù)密集的接入環(huán)境,可以充分滿足各種新興的寬帶業(yè)務(wù),作為一種無線接入方式,順應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)高速化和寬帶化發(fā)展的趨勢(shì)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wire―lms Sensor Network,WSN)是無線技術(shù)領(lǐng)域最新的、最流行的應(yīng)用。正是由于新,所以現(xiàn)在還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),目前全球有許多研究機(jī)構(gòu)和組織在進(jìn)行技術(shù)與規(guī)格的開發(fā),提出了不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),并以ZigBee和Z―Wave最為成熟,基本形成兩大陣營。追求應(yīng)用領(lǐng)域最大化的ZigBee由于自身近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的特點(diǎn)最后很有可能落在工控、醫(yī)療等信息控制傳輸領(lǐng)域。類似新銳技術(shù)的不斷涌現(xiàn)、成熟和應(yīng)用帶動(dòng)了工程機(jī)械生產(chǎn)發(fā)展的新格局。例如建筑施工安裝技術(shù)中的大型構(gòu)件液壓同步提升技術(shù),采用柔性鋼絞線或剛性立柱承重、提升器集群、計(jì)算機(jī)控制和液壓同步提升等技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代化施工方法,將上萬噸的構(gòu)件在地面拼裝后整體提升到預(yù)定高度安裝就位。但在大多數(shù)工程中,液壓提升器都處于高空位置,若就地控制對(duì)操作人員存在一定安全問題;而且控制系統(tǒng)所處的高空環(huán)境和溫度氣候條件都不利于工作,分析和排除故障都很不方便。無線遙控液壓同步提升技術(shù)通過位于100m外的中央控制室遠(yuǎn)程控制,將龍門起重機(jī)的剛性腿和主梁順利提升到位,大大的提高了現(xiàn)代化生產(chǎn)質(zhì)量。


2 無線通信技術(shù)在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用
2.1 筑路機(jī)械短程無線監(jiān)控中的藍(lán)牙技術(shù)
當(dāng)前筑路機(jī)械的發(fā)展方向是開發(fā)各種智能化的筑路工程裝備,傳統(tǒng)的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè),無論主動(dòng)式還是微機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng),均需要將各傳感器提供的在線信號(hào)實(shí)測(cè)值通過相應(yīng)的有線電纜傳輸至微機(jī),與微處理器內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)值相比較。由于各種工況條件的局限,機(jī)載設(shè)備需盡量做到高可靠性和簡(jiǎn)單,這樣僅能對(duì)在振動(dòng)壓實(shí)、攤鋪找平中監(jiān)測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理,無法進(jìn)行較全面系統(tǒng)的分析,可能誤檢、漏檢各種潛在的故障隱患;另一方面,現(xiàn)行的作業(yè)管理缺少統(tǒng)一的施工工藝模式,路面路基質(zhì)量完全由駕駛員的熟練程度決定,無完整的施工操作記錄,不能很好地控制施工進(jìn)度和質(zhì)量。藍(lán)牙技術(shù)以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ),通常作用距離為10cm~10m,如果加大發(fā)射功率作用距離可達(dá)100m,完全可以達(dá)到筑路機(jī)械在線監(jiān)控的要求。由于藍(lán)牙技術(shù)特有的抗干擾性能,在一個(gè)工區(qū)利用一個(gè)中心控制監(jiān)測(cè)單元可以有效地對(duì)七臺(tái)(點(diǎn))設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控,達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。作為一種沒有完全成熟的技術(shù),藍(lán)牙還有待于實(shí)際使用的嚴(yán)格檢驗(yàn);其通訊速率也不是很高,可能會(huì)限制它在其他工程機(jī)械上的推廣。目前主流的軟件和硬件平臺(tái)均不提供對(duì)藍(lán)牙的支持,這使得藍(lán)牙的應(yīng)用成本升高,普及難度增大。類似的Z―Wave傳輸率僅有9.6kbps,以ZigBee來相對(duì)比較,即便不去談?wù)?.4GHz頻段的250Kbps傳輸率,在915MHz頻段上也至少有40Kbps(868MHz頻段上有20Kbps),雖然WSN不強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的傳輸速度、傳輸量,但也不至于過低。由于藍(lán)牙芯片已多年大量生產(chǎn),組件的量?jī)r(jià)均已達(dá)高度成熟,ZigBee當(dāng)初設(shè)定以更低價(jià)格取代藍(lán)牙在控制領(lǐng)域應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)難度也日益增高,現(xiàn)今ZigBee只有把握自身傳輸距離及組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)尋求最佳的使用定位。
2.2 塔吊無線遙控系統(tǒng)中的微功率通信技術(shù)
微功率短距離無線通信技術(shù)作為無線通信實(shí)用技術(shù),一般使用單片射頻收發(fā)芯片,加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無線通信模塊。nRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻收/發(fā)器,工作于433/868/915 MHz 3個(gè)ISM頻道。nRF905提供了強(qiáng)大的跳頻機(jī)制,可以應(yīng)用于許多特殊的場(chǎng)合。
在德國,幾乎所有的20t以上的移動(dòng)式吊車都裝上了比例無線電控制系統(tǒng)。通常,遙控裝置還配置了數(shù)據(jù)反饋設(shè)備,發(fā)射機(jī)上可配置大平面的LCD顯示屏,不斷的向吊車司機(jī)報(bào)告負(fù)荷、起重臂長(zhǎng)、負(fù)荷力矩、油溫、壓力等其它重要的運(yùn)行參數(shù)。目前國內(nèi)建筑工程等行業(yè)使用的塔吊多屬控制室形式,控制室束縛、視線不清、環(huán)境惡劣或指揮配合不當(dāng)?shù)纫蛩亟钥尚纬墒鹿孰[患。我國大量的建筑施工中小型企業(yè)所使用的塔吊型號(hào)多,所以在現(xiàn)有塔吊控制室控制的基礎(chǔ)上,結(jié)合微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù),開發(fā)出低功耗且具有高抗干擾能力和高可靠性的塔吊無線遙控系統(tǒng):以MSP430超低功耗16位微控制器和無線收發(fā)芯片nRF905為核心,采用軟件編碼和硬件譯碼的方式提高系統(tǒng)的抗干擾能力,系統(tǒng)發(fā)射器采用定時(shí)掃描、接收器采用無記憶輸出控制方式,既保證了安全操作可靠性又大幅度提高了生產(chǎn)效率,可廣泛應(yīng)用于塔吊等一般的工業(yè)遙控系統(tǒng)中。
2.3 軍用工程機(jī)械領(lǐng)域中的無線數(shù)傳技術(shù)
傳統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)應(yīng)用在大的SCADA遙控遙測(cè)系統(tǒng),適用于各類點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)傳輸,如電力負(fù)荷監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、鐵路信號(hào)監(jiān)控等工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。短波通訊與GSM移動(dòng)通訊等方式相比具有發(fā)射功率小、傳輸距離遠(yuǎn)、建站迅速、機(jī)動(dòng)性好等特點(diǎn),其通訊范圍半徑可達(dá)十幾千米至幾十千米,是軍用工程機(jī)械無線電通信的主要方式之一。
利用軍用工程機(jī)械車載短波電臺(tái)和監(jiān)控中心無線電基站建立無線通信網(wǎng),可實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械作業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。軍用工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由車載狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、無線自組網(wǎng)(由車載短波電臺(tái)和監(jiān)控中心無線電基站組建的非民用信道通訊網(wǎng)絡(luò))和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心3部分組成。車載狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊主要完成信號(hào)采集、信號(hào)分析、狀態(tài)顯示、故障報(bào)警和人機(jī)交互等功能:首先對(duì)采集到的機(jī)械狀態(tài)信息進(jìn)行分析顯示,而后通過無線自組網(wǎng)將該信息傳輸給監(jiān)控中心并據(jù)此分析機(jī)械狀態(tài);遇有操作故障或下達(dá)指令時(shí),監(jiān)控中心通過無線網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)命令信息傳遞給工程機(jī)械車載狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊,再由該模塊指示操作手執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。
專業(yè)級(jí)別的無線數(shù)傳電臺(tái)組網(wǎng)費(fèi)用都較高,并且通訊距離有一定的限制(平原地帶最遠(yuǎn)為50km),通信效果受建筑物、山體的影響較大。系統(tǒng)需要專業(yè)人員維護(hù)管理,整體建設(shè)、維護(hù)費(fèi)用很高,不便于在工程機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)普及應(yīng)用。雖然近年來SCADA系統(tǒng)發(fā)展迅速,但伴隨著GPRS和CDMA網(wǎng)絡(luò)的日漸成熟,數(shù)傳電臺(tái)的市場(chǎng)反而下降。
2.4 工程車輛中的現(xiàn)代GPRS技術(shù)
GPRS通信充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速、大容量傳輸,高速數(shù)據(jù)傳輸最大可達(dá)160Kbps。其與數(shù)據(jù)中心建立的通信鏈路隨時(shí)收發(fā)用戶數(shù)據(jù)設(shè)備內(nèi)的數(shù)據(jù),按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量進(jìn)行流量計(jì)費(fèi),永久在線并具有很高的實(shí)時(shí)性,在工程機(jī)械系統(tǒng)中常常利用GPS、GIS通過空間衛(wèi)星系統(tǒng)與電子地圖、無線通信網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算機(jī)車輛管理信息系統(tǒng)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)車輛定位、跟蹤和車輛管理等諸多功能。
路面施工工程機(jī)械包括裝載機(jī)、拌和站、自卸車、攤鋪機(jī)、壓路機(jī)等,現(xiàn)代智能工程機(jī)械的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)(國家863項(xiàng)目)由挖掘機(jī)等工程機(jī)械群、GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、GPRS遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)、因特網(wǎng)、客戶機(jī)群監(jiān)控中心系統(tǒng)、便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程企業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)組成。它依靠安裝在工程機(jī)械單機(jī)上的各種傳感器和控制器對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、故障信息和位置參數(shù)進(jìn)行采集,將其轉(zhuǎn)換為CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送到固定地址,并經(jīng)處理器運(yùn)算處理在LCD屏幕上顯示,若超過數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)正常狀態(tài)參數(shù)則啟動(dòng)故障報(bào)警程序提醒操作者;同時(shí)合并GPS定位信息及其它信息由GPRS模塊無線發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò),通過GGSN和SGSN到達(dá)遠(yuǎn)程企業(yè)服務(wù)中心系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)客戶端與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)端的通信。
與專業(yè)無線數(shù)傳電臺(tái)相比,GPRS實(shí)時(shí)性較差,因?yàn)槟壳暗墓W(wǎng)系統(tǒng)是話音優(yōu)先的系統(tǒng),一旦通話接通率低,可能會(huì)遭到投訴,所以要確保通話優(yōu)先。GPRS相對(duì)而言“掉線”及“死機(jī)”問題比較嚴(yán)重,當(dāng)然這不僅是產(chǎn)品本身的問題,與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況也很有關(guān)系,所以系統(tǒng)集成商或客戶很難自行維護(hù),必須要GPRS的運(yùn)營商配合才行,由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占的比例非常小,有時(shí)服務(wù)質(zhì)量難免會(huì)存在一定問題。
2.5 監(jiān)控港口工程機(jī)械中的無線局域網(wǎng)技術(shù)
無線局域網(wǎng)不需要自己建立基站,無需申請(qǐng)專用頻道,無需網(wǎng)絡(luò)維護(hù),享有及時(shí)網(wǎng)絡(luò)升級(jí),技術(shù)比較成熟,功耗比較小。相對(duì)于傳輸距離只有兩三百米的專用射頻芯片nRF0433,無線網(wǎng)橋利用電磁波收發(fā)信號(hào),數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)llM~54Mbit/s,傳輸距離達(dá)到30km。在無公網(wǎng)信號(hào)或信號(hào)較差的標(biāo)位安裝WLAN設(shè)備,能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)無盲區(qū)覆蓋。
港口碼頭上,機(jī)械設(shè)備是在露天野外工作的,經(jīng)常會(huì)遇到極為惡劣的環(huán)境,如刮風(fēng)、下雨、下雪、閃電、雷鳴,還有其他一些空間電磁干擾等。所以要求港口無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)必須有很好的抗干擾能力和穩(wěn)定傳輸?shù)哪芰?。北京艾克塞?Axelwave)公司利用無線局域網(wǎng)進(jìn)行港口遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通訊,可以實(shí)現(xiàn)控制室與作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息雙向傳輸。整套監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)周圍和內(nèi)部部署了若干無線基站,使得無線信號(hào)完全覆蓋到整個(gè)作業(yè)場(chǎng)地;同時(shí)在作業(yè)機(jī)械上安裝車載無線終端,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員配備手持無線終端,將一個(gè)個(gè)移動(dòng)的“信息孤島”變成一個(gè)個(gè)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)理貨人員通過無線網(wǎng)絡(luò),可將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)作業(yè)信息傳回堆場(chǎng)管理控制中心;大型作業(yè)機(jī)械的工作狀態(tài)和各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo),可實(shí)時(shí)傳輸至中央控制室,實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)機(jī)械的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。特別值得注意的問題是無線局域網(wǎng)對(duì)于組網(wǎng)的環(huán)境要求比較嚴(yán)格,信號(hào)強(qiáng)弱受建筑、樹木等遮擋物的影響比較明顯,金屬棚頂反射和雨衰也是信號(hào)傳輸中要考慮的問題,所以環(huán)境布局在構(gòu)架無線通信系統(tǒng)的時(shí)候歷來都是設(shè)計(jì)人員規(guī)劃的重心。


3 結(jié)論
本文結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有各類無線通信工程項(xiàng)目和成熟技術(shù),針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)的性質(zhì)特征總結(jié)架設(shè)無線工作數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn),分析論述了在工程機(jī)械上可行的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用方案,得出如下結(jié)論:
(1)類似建筑起重機(jī)這種大電流電機(jī)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲,干擾有線局域網(wǎng)信號(hào),由于沒有電纜引起的電器噪聲,無線傳輸技術(shù)在某些不利條件下的糾錯(cuò)性能很可靠。但伴隨著GPRS技術(shù)的廣泛,傳統(tǒng)數(shù)傳電臺(tái)的在工程領(lǐng)域中的地位逐漸被取代。
(2)利用基于GSM網(wǎng)的GPRS服務(wù)具有投資少、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、終端設(shè)備簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)可靠性高、傳輸速度快、服務(wù)便宜、接入方便等諸如無線電臺(tái)、衛(wèi)星通信、數(shù)字集群通信系統(tǒng)難以比擬的優(yōu)點(diǎn)。
(3)無線局域網(wǎng)可選用無線網(wǎng)橋建立工程機(jī)械的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),無需申請(qǐng)專用頻道,技術(shù)比較成熟,使用費(fèi)用低。尤其無線網(wǎng)橋已在倉貨、醫(yī)療、交通、武警等應(yīng)用領(lǐng)域收到了良好的效果,先進(jìn)將其引入到工程機(jī)械的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用研發(fā)上是很理想的選擇。
此外,通過對(duì)上述生產(chǎn)實(shí)例的論述分析,也給日后進(jìn)一步開發(fā)工程機(jī)群大型在線監(jiān)控系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)和發(fā)展路線。

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