|用激光通信代替通信电缆，工业桥式起重机更安全高效，可靠易维护

广州环投技术设备有限公司的研究人员谢俊朗、韦翔，在2020年第9期《电气技术》杂志上撰文指出，由于垃圾储坑内环境恶劣，并且起重机在使用的过程中移动速度快， Profibus-DP通信电缆在电缆滑车上来回弯曲动作频繁，导致Profibus-DP通信电缆使用寿命缩短，易出现接触不良、断线等状况，且Profibus-DP通信电缆较长，出现故障后查找故障点难度较大，恢复时间长，严重影响起重机的可靠性和生产的安全稳定性。因此，通过采用激光通信代替Profibus-DP通信电缆，极大地提高了起重机的安全性、可靠性、高效性、易维护性。

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传统的有线通信方式传输稳定、抗干扰能力强，但随着时间和技术的进步，其缺点逐渐暴露出来：①传统的有线传输需要大量的资金和人工成本去架设电缆；②当有线传输出现问题的时候，因为架设电缆较长难以迅速找到故障点；③如设备需要更新扩展，就必须重新布置线缆，还可能会伴随着原线路被破坏的风险。而无线通信恰好弥补了有线传输方式的不足，因此，无线通信是现代自动化的发展趋势。
工业桥式起重机中探测距离较为重要，其主要作用是为了能够实时反馈行车位置，防止行车走出轨道和行车行驶至控制室禁止区域，以及避免行车碰撞而造成安全事故。改造为激光通信后能够提高传输速率，使通信能在更短时间内完成，全面提升了稳定性、安全性，从而使工业桥式起重机拥有更高的可靠性。
激光通信技术是诸多无线通信技术中的一种，它以光信号作为传输信息的载体，在大气中直接传输。激光通信方式具有方向性强、亮度高、单色性好、相干性强等特征。根据传输媒介的类型可将其分为大气激光和光纤两种类型，大气激光通信是通过大气传输的通信形式，光纤通信是利用光纤或镜面反射调整光信号的通信形式。
1 常规系统配置方式存在的问题
垃圾储坑工业桥式起重机自动化程度较高，所需要采集的控制信息也更多，目前采集来的控制信息主要通过Profibus-DP通信电缆传递给中央控制系统，属于传统的有线方式传输。
由于垃圾储坑工业桥式起重机的工况十分繁杂，需将其控制配电柜设在固定土建控制室内，若采用有线方式传输，则需要从行车上每个传感器敷设线缆到电气配电室内。因此面临以下几个主要问题：
1）Profibus-DP通信电缆成本较高，需采集的信号数量较多，电缆使用量较大，且垃圾储坑厂房宽阔，起重机运行的距离远（大车运行距离约100m ，所需电缆约200m；小车运行距离约25m ，所需电缆约80m），若采用有线方式传输，则使用电缆的成本非常大。
2）电缆的耐久寿命是一个问题，起重机的大车、小车主要通过拖令的方式供电，电缆通过电缆滑车布置到行车上，起重机在使用的过程中大车、小车运行速度较快，工作频繁，电缆随滑车频繁地移动、折弯极易损坏，从而大大降低了电缆寿命；并且在电缆通电连接的过程中，当电缆发生短路时，设备可能会因此发生损坏，更甚者会危害人身安全而引发安全事故。
3）起重机所处的环境较为恶劣，随之使线缆的使用寿命缩短，更换线缆的频率也有所提高。另外还存在抗干扰问题，拖令方式供电采用单层滑车，且动力与控制信号难以区分开，编码器控制信号与可编程逻辑控制器（programmable logic controller, PLC）通信信号的Profibus-DP通信电缆和动力电缆敷设在一起，容易受到动力电缆干扰。尤其是大吨位快速运行的起重机，动力干扰更加明显。
2 优化方案
本次改造优化将保留原工业桥式起重机的配电控制系统、中央控制室内联动台、照明空调控制、拖令电缆，仅对原工业桥式起重机的大车的通信方式由传统的电缆传输改造为激光技术。分页标题
激光通信采用两台DDLS 200设备组成控制信息传输系统：在起重机的大车端梁安装一台DDLS 200光学数据传输器，如图1所示；另一台DDLS 200光学数据传输器被安装在轨道的末端，整体安装位置如图2所示。
将两台DDLS 200光学数据传输器架设在两个互为相对、平行、平坦且通常是垂直的壁面，且两台相对的DDLS 200之间的视线不受阻挡。必须确定在最小操作距离Amin之处，两台设备的光学轴互相对准的误差不超过±Amin×0.01 ，以确保两台设备的传输/接收光束落在张角的范围内。
光学元器件的张角（辐射角）与光学轴夹±0.5°（广角：±1.0°或±1.5° ，相对），使用调整螺丝作精密对准，两台DDLS 200光学数据传输器的水平和垂直对准角应分别不超过±6° 。为防止DDLS 200光学数据传输器以双工操作进行资料传输的期间互相干扰，使用两个成对的不同频率。这些频率在控制台上以型号….1和….2以及频率f1和频率f2等标签标示，如图3所示。

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图1 DDLS 200光学数据传输器安装位置

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图2 起重机光学数据传感器安装位置

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图3 光学数据在两个频率上传输
DDLS 200的功能如一台同鲍率转换器。在转换鲍率的期间，必须确认具较低鲍率之区段有充分的频宽可用来处理进来的数据。 DDLS 200光学数据传输器操作范围为30～500m ，采用电绝缘的介面， DDLS 200不占用Profibus位址，具有可关掉整合性重复器功能（信号处理），与协定种类无关的资料传输，亦即传输FMS、DP、MPI、FMS/DP等混合式操作协定， PROFISAFE ，可连接式汇流排终端器（终端连接），可设定6种鲍率。参数详细见表1 。

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表1 DDLS 200光学数据传输器参数
通信协议采用传统的Profibus-DP协议， Profibus-DP通信协议（简称DP协议）是工业自动化系统中单元级和现场级通信的主流，用于PLC与现场级分布式I/O设备，能实现最大12MHz快速循环数据交换。同时为项目的实施节约信号电缆的布线。 DP协议是Profibus中应用最广的通信协议方式。
工业桥式起重机通过通信模块ET 200（采集相关的保护信号，并且参与状态控制）、绝对值编码器ZE 65（采集绝对位置XY坐标）、脉冲编码器NM701NR3（升降机闭环速度反馈，并且提供Z轴的坐标）、称重单元WST 3（提供实时反馈负载的当前重量）进行信号采集，实现实时行车位置以及重量测控。
工业桥式起重机系统架构网络图如图4所示，其中DDLS 200光学数据传输器已替代原用Profibus-DP通信电缆W1 。

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图4 工业桥式起重机系统架构网络图
控制室控制配电柜内的PLC硬件组态由CPU、电源模块、模拟量模块、DI DO模块组成，作为主站。起重机大车、小车行车上的PLC硬件组态由电源模块、通信模块ET 200M、DI DO模块、DDLS 200光学数据传输器等组成，作为分站。安装于轨道末端的光学数据传输器，当接收到从大车端梁上的光学数据传输器发射回来的数据时，通过交换将数据传递给控制室内CPU 。
3 改造效果
为了验证激光通信应用在工业桥式起重机中的有效性，收集记录了改造前后的相关数据并进行对比实验，包括PLC之间的通信延迟、最大支持的波特率以及传输故障使看门狗程序强制的周期，其结果见表2 。分页标题

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表2 改造前后通信质量对比
可以看到，改造之后各个指标都存在不同程度的提升：①通信延迟缩短了80% ，意味着通信能在更短时间内完成，提高了高效性；②波特率提高了33% ，表示更高的传输速率，从而使PLC之间更快地收发指令；③更低的故障率和更长的故障复位周期则说明了激光通信具有更好的传输稳定性和可靠性，同时降低了风险发生的频率，让作业更加安全。
综上所述，改造之后的工业桥式起重机效率更高，更稳定可靠，完全满足作业需求，可以替代传统的有线方式进行传输。
4 结论
激光通信方式通信质量较好，不但信号稳定，而且杜绝了因线缆故障所导致的信号中断和通信故障，并在数据传输速率、通信延迟方面有了显著提升。同时，通过使用光学数据传输器实现工业化数据通信，省去了连接的通信电缆和中继器RS 485等大批量电气材料，大大节约了材料成本和维护成本。
在传统的有线方式传输中，连接故障（如接触不良、断线等状况）在起重机整体故障率中占了较大比重，而激光通信方式恰恰省去了这一环节，从而有效提高了起重机的可靠性。
以往起重机因Profibus-DP通信电缆断线，需要消耗大量的资源以及时间成本来更换Profibus-DP通信电缆，这对整个电厂的生产及其运营效益造成巨大的影响，而激光通信方式只需光学数据传输器摆放在正确的位置并连接软件即可，真正地做到快捷轻便，极大地提高了起重机的安全性、可靠性、高效性、易维护性。理论上可运用在任何工业桥式起重机设备上。
【|用激光通信代替通信电缆，工业桥式起重机更安全高效，可靠易维护】本文编自2020年第9期《电气技术》，标题为“基于DDLS 200光学数据传感器的工业桥式起重机激光通信系统” ，作者为谢俊朗、韦翔。