摘要：缅甸达贡山镍矿项目原料堆场有两台堆取料机，堆取料机主要用于矿山来料的堆料作业及干燥窑所需原料的取料作业。原设计堆取料机PLC与干燥窑DCS信号联络及安全联锁为有线传输控制，通过车上固定式控制电缆、车上移动式控制卷缆、地面固定式控制电缆三部分连通实现有线信号传输。正常生产过程中，移动式控制卷缆故障率较高，给生产造成严重影响，引入先进的无线传输控制替代传统的有线传输控制，实现堆取料机PLC与干燥窑DCS信号联络及安全联锁无线化，节约线缆及卷缆装置费用，进一步优化控制，降低故障率，减轻维护量，达到稳产增产目标。无线传输控制在堆取料机上的应用与推广证明新技术在企业的发展前景是广阔的，也是企业降本增效的有效措施。
关键词：堆取料机,有线传输,无线传输,优化控制,降本增效
1有线与无线传输控制简介
1.1有线传输控制
缅甸达贡山镍矿项目原料堆场有两台堆取料机，原设计堆取料机PLC与干燥窑DCS信号联络及安全联锁为有线传输控制，通过车上固定式控制电缆、车上移动式控制卷缆、地面固定式控制电缆三部分连通实现有线信号传输。第一部分电缆走向为，堆取料机配电室至车上集电环输电箱，电缆较短；第二部分电缆走向为，车上集电环输电箱至地面通讯电缆中转端子箱，电缆采用24×2.5mm2一根200m；第三部分电缆走向为，地面通讯电缆中转端子箱至干燥窑DCS机柜室，电缆采用14×1.5mm2两根共计1200m。
单台堆取料机控制卷缆装置包括：电缆卷筒1个、专用减速机1台、集电环输电箱1个、纠偏装置1套、力矩电机2台、冷却风机1台及钢结构框架安装基座1套。
堆取料机电缆卷筒由力矩电机驱动，车上配电室出来的控制电缆与电缆卷筒上控制卷缆是通过集电环输电箱内碳刷滑环连通进行信号的传输，通常情况下，堆取料机PLC需要和干燥窑DCS进行数据传输，实现堆取料机与地面皮带控制联锁，完成直通、堆料、取料模式的运行和停止等功能。
1.2无线传输控制
无线通讯技术，是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的通信方式。无线通信技术主要包括以下几种。
微波通信。利用微波进行信息传输，适用于远距离通信，但需要每隔一定距离建立中继站。
卫星通信。通过通信卫星作为中继站，实现地面站之间的通信，覆盖范围广，适用于偏远地区。
无线广播。通过电磁波在空气中传输信息，包括调频广播、调幅广播等。
移动通信。基于无线电技术，通过移动终端实现语音、短信、数据等信息的传输，如GSM、CDMA、3G、4G和5G等。
红外线通信。通过红外线传输信息，适用于近距离传输，如遥控器、红外传感器等。
蓝牙通信。一种短距离无线通信技术，用于连接固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的数据交换。
Wi-Fi通信。无线局域网通信技术，使用高频无线电信号发送和接收数据，适用于家庭、办公室和公共场所的网络连接。
ZigBee通信。一种低速低功耗、短距离、自组网的无线局域网通信技术，适用于智能家居、工业监控等领域。
LoRa技术。一种超远距离无线传输方案，适用于低功耗广域网（LPWAN）应用。
Z-Wave协议。一种无线组网规格，适用于智能家居和楼宇自动化系统。
这些技术各有特点，适用于不同的应用场景和需求。例如，微波通信和卫星通信适用于长距离通信和覆盖广的区域；无线广播、移动通信、蓝牙和Wi-Fi适用于日常生活中的短距离到长距离通信；而ZigBee和LoRa则更适合于低功耗和远距离的物联网应用。
无线通讯摆脱了传统通讯技术存在的不足，无需借助于有线连接就能实现机器之间的对话交流，主要借助于无线电波连接，以达到各类数据信息传输的需要。
无线传输控制装置采用无线通讯技术，可直接代替有线进行点对点、一点对多点、多点对一点的开关量信号及模拟量信号单双向传输。
本项目采用在堆取料机PLC柜和干燥窑DCS柜各安装一套双向无线传输控制装置，实现堆取料机PLC与干燥窑DCS信号联络及安全联锁无线化、实时双向数据传输。
2无线传输控制应用背景
堆取料机有线传输控制正常联锁运行过程中，因信号电缆损坏导致安全联锁频繁动作，通讯信号异常次数越来越多，给正常生产带来严重影响。对运行中存在的问题、造成信号异常的原因及影响、各种成本做个全面分析。
2.1控制电缆故障率较高，易引起故障停机
堆取料机在移动过程中，常规控制电缆容易被砸伤、划伤或人为误伤等情况，同时为保证电缆收放正常，卷筒在移动过程中电缆与其保持一定张力，一旦卷筒出现异常，极易造成电缆拉扯过度受损，导致控制信号异常。控制电缆故障率随时间逐渐增加，并且故障点不易查找，容易因操作时间差引起物料堵塞等故障。生产运行过程中，因线路故障有时无法及时反馈到联锁的设备，只能操作人员手动停机，易造成较大的财产损失，严重时可能引发工厂生产事故。
堆取料机与地面通讯电缆中转端子箱之间控制卷缆及卷筒装置问题导致系统联锁停机每年约40多次，故障处理时间长，维护量大。
地面通讯电缆中转端子箱与干燥窑DCS机柜室之间控制电缆受损严重，被老鼠咬坏次数较多，故障点查询十分困难，备用芯已全部使用，若再出现故障必须重新敷设电缆。
系统频繁联锁停机导致矿山管状皮带经常在重载运行下突然停车，对皮带本身及传动设备装置造成损伤，影响生产有序进行。
卷筒电机及其滑环故障时有发生，力矩电机持续发热，每四个月进行一次轴承更换保养，电机制动器每年更换2套。
2.2投资损耗大，维护费用高
通讯卷缆由于要不停地随堆取料机卷动，磨损严重，每年都要更换新电缆，增加了材料及维护费用。堆取料机一条进口电缆约10万，电缆卷筒装置约18万，电缆中间接线箱及辅助设施约5万，电缆敷设和安装需要大量人员完成，每年更换卷缆及维护电缆卷筒成套设备，需要花费大量的人力、财力。
2.3采用无线传输控制的必要性
堆取料机总体故障率居高不下，判断故障难度大且处理时间较长、维护难度加大。引入先进的无线传输控制替代传统的有线传输控制，可解决上述问题。
更换为无线传输控制后，原来高成本的力矩电机、冷却风机、专用减速机、电缆卷筒、集电环输电箱、车上固定式控制电缆、车上移动式控制卷缆、纠偏装置、钢结构框架安装基座、地面固定式控制电缆、地面通讯电缆中转端子箱等设备均可省掉不用，既节省设备款及维修更换的成本，又不用担心现场粉尘环境造成的信号不稳定的情况出现。堆取料机有线联锁电缆反复折损、拉断等状况所造成的断路、短路、接地等故障不再发生。
采用无线通讯方式来实现堆取料机的联锁通讯，无线传输控制装置自身的功率消耗最大20W（相当于一个灯泡的瓦数），每年两条运输线可节省电费10万元之多。
3无线传输装置选型
本项目堆取料机使用PLC为西门子S7-300系列，干燥窑DCS使用和利时MACSV系列。
根据堆取料机PLC与DCS通讯信号特点，一般选用无线双向开关量信号传输器4DI/4DO或8DI/8DO基本满足需求；若要增加传输一些模拟量信号，如称重信号、位置信号等，最好选用无线双向混合型信号传输器，4AI/4AO+8DI/8DO可满足需求。
本次无线传输控制改造，堆取料机PLC至干燥窑DCS通讯信号有直通运行、堆料运行、取料运行；干燥窑DCS至堆取料机PLC通讯信号有系统皮带运行、取料指令、堆料指令、直通指令。
根据现场通讯信号量及距离需求，本着经济实用，首选了西安达泰电子有限责任公司开发的无线双向开关量信号传输器，型号为DTD112HC-44，其自身特点如下。
接收、发射具备双向功能，可与系统有效连接。
发射端4DI/4DO、接收端4DO/4DI成对使用，把电信号转换成高频振荡信号并由天线发射出去。
使用空间小，PLC控制柜、现场中转箱、DCS控制柜安装方便。
传输方式，塑料PVC外壳，全数字加密无线传输方式，无线可靠传输距离在3公里范围内均可使用。
抗干扰能力，内部集成工业级高抭干扰EMI单元。9dBi高增益全向天线，中心频率433MHz。
无需编程，方便调试使用。低功耗，绿色节能环保。
4无线传输装置安装、调试、试运行
考虑到第一次使用该产品，先在其中一台堆取料机上试运行，选择在通讯卷缆及地面固定式控制电缆损坏严重的2#堆取料机实施。
4.1实施方案
考虑到2#堆取料机距离干燥窑DCS机柜室相对远一些、中间料条多一些，先采用在堆取料机配电室和地面通讯电缆中转端子箱各安装一台双向开关量无线传输器运行方案，实现2#堆取料机至地面通讯电缆中转端子箱通讯信号无线传输，地面通讯电缆中转端子箱至DCS机柜室仍保留原有固定式通讯电缆通讯方式。堆取料机行走往复运行距离390m，地面通讯电缆中转端子箱在堆取料机运行区间的中间位置，因此无线信号传输控制在200m范围内，完全满足无线传输条件。
4.2安装注意事项
无线发射装置为24VDC电压信号，因此信号源的电压必须保持稳定，安装时，接线端子做打磨处理，线路采用屏蔽防护。
防止信号干扰，加装隔离继电器对各路信号源进行前期处理，确保信号稳定，防止无线模块通道误动作。
考虑多料条遮挡因素、多雷暴天气状况，选择合适的位置安装高增益全向天线并做好防雷击措施。
充分考虑潮湿、高温工况因素，对无线传输控制箱做隔温防潮处理。
无线传输装置输入、输出信号接线方式和PLC、DCS模块接线类似，具体接线方式详见产品使用说明书，各型号间稍有差别，工作原理大同小异。
安装无线传输装置时，将无线发射终端安装在堆取料机控制柜，无线接收终端安装在地面通讯电缆中转端子箱。
无线信号对应关系为，无线发射终端的输入对应无线接收终端的输出，无线发射终端的输出对应无线接收终端的输入。
接线对应关系为，堆取料机控制柜内PLC输出经中间继电器接至无线发射终端输入，无线发射终端输出经中间继电器接至PLC输入；地面通讯电缆中转端子箱内无线接收终端输出经中间继电器及控制电缆接至干燥窑DCS输入，干燥窑DCS输出经控制电缆及地面通讯电缆中转端子箱内中间继电器接至无线接收终端输入。
4.3调试步骤
将外接吸盘天线的SMA接头旋紧在发射端和接收端的天线座上。
把两个吸盘天线分别吸置在机柜顶部，窗户外面，或者房子顶部。
给无线传输器电源端子引入24V直流电源，建议选择电源电流大于2A。
观察产品的信号灯闪烁是否正常，发射端红色灯每秒闪烁一次，接收端绿色灯每两秒变化一次。如果LED灯不闪烁处于常亮状态，则说明无线通信不正常。
把开关按键接入发射端DI端子，当按键按下时观察接收端DO相应的继电器触点是否吸合，如此反复一一测试DI与DO的对应关系是否正常。
4.4使用注意事项
天线不可开路或短路，两个天线之间的距离必须大于5m，离地高度2m以上。
必须使用低损耗的电缆作馈线，可以选用15米内的天线延长馈线。
连接或拆除信号线时请勿带电操作。
开机前请仔细检查电源及信号连线是否都正确无误。
现场跟踪运行监测结果，远、近距离无线信号传输均平稳可靠，收发指令准确无误，无闪断、滞后等现象出现，系统运行良好，稳定性高，抗干扰能力强。
5无线传输控制方案优势与推广
5.1无线传输控制方案优势
节省改造周期，无需大型施工。免除布线维护困扰，一天之内就可以轻松的完成改造并达到通讯稳定性要求。
安装简单，无需编程。无线通讯终端只需要接入信号并供给电源即可开始使用。普通电工就可以完成安装。
数据传输可靠，全数字无线加密传输。通讯协议进行了再次加密处理。
无运行费用，无需插卡。后期在使用过程中，不需要支付任何无线设备运营费用。
低功耗，绿色节能环保。
5.2推广
无线传输控制在2#堆取料机应用效果显著，在1#堆取料机进行推广应用。
考虑到1#堆取料机后期计划实施全自动堆取料控制改造，通讯信号数量会有所增加，此次选择发射端8DI/8DO、接收端8DO/8DI成对使用的无线双向开关量信号传输器，其型号为DTD122HC-T88（发射端）、DTD122HC-R88（接收端）。
1#堆取料机距离干燥窑DCS机柜室相对近一些，采用堆取料机配电室和干燥窑DCS机柜室各安装一台双向开关量无线传输器，实现1#堆取料机PLC至干燥窑DCS通讯信号无线传输，省去车上固定式控制电缆、车上移动式控制卷缆、地面固定式控制电缆三部分。无线信号传输控制在400m~800m范围内往复，满足无线传输条件。
安装无线传输装置时，将无线发射终端安装在堆取料机控制柜，无线接收终端安装在干燥窑DCS机柜。
接线对应关系为，堆取料机控制柜内PLC输出经中间继电器接至无线发射终端输入，无线发射终端输出经中间继电器接至PLC输入；干燥窑DCS机柜内DCS输出经中间继电器接至无线接收终端输入，无线接收终端输出经中间继电器接至DCS输入。
现场跟踪运行监测结果同2#堆取料机无线传输运行效果，远、近距离无线信号传输均平稳可靠，收发指令准确无误，无闪断、滞后等现象出现，系统运行良好，稳定性高，抗干扰能力强。
在实际应用中，可根据自身需求选择传输方案，新建项目选此方案更经济。DI/DO中间继电器是否选配可视PLC与DCS信号电压类型及接线方式灵活选择，满足无线传输器使用要求即可。根据现场实际运行效果，无线传输控制可推广应用至各类移动、固定设备远距离通讯。
6结论
2020年在堆取料机上实施无线传输控制应用至今已安全稳定运行4年多。堆取料机PLC与干燥窑DCS信号联络及安全联锁无线化，大幅节约了电缆使用量及用电量，整个原料输送控制系统的联锁稳定性提高，实现了优化控制，设备维护率及故障率降低，减轻了维护量，降低了维护费用，为节能降耗做出了有力保障，达到了稳产增产目标，产生了良好的经济效益，具有较大的推广价值。
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