起重機(jī)無線通信技術(shù)應(yīng)用研究

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摘要：無線通信技術(shù)在起重機(jī)上的應(yīng)用聯(lián)通了起重機(jī)與地面工作站之間的數(shù)據(jù)傳輸，它不但能將起重機(jī)上所有監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)及時準(zhǔn)確地發(fā)送到地面工作站，而且能把地面工作站的指令傳輸給起重機(jī)。介紹了起重機(jī)上無線通信的實現(xiàn)方案，包括硬件配置和軟件調(diào)試。無線網(wǎng)絡(luò)給起重設(shè)備維護(hù)帶來了很多便利，現(xiàn)場維護(hù)管理人員不上車就能夠掌握設(shè)備的運行狀態(tài)、故障報警等信息；無線通信技術(shù)也為無人天車、集群化起重機(jī)管理提供了有力支撐。

關(guān)鍵詞：無線通信技術(shù)；起重機(jī)；數(shù)據(jù)傳輸

引言

起重機(jī)作為吊運大重量物品的專用設(shè)備之一，在企業(yè)生產(chǎn)中的作用無可替代。大多數(shù)生產(chǎn)現(xiàn)場都存在著環(huán)境較差（高溫、粉塵）、工人勞動強(qiáng)度高、效率低、安全可靠性差、維護(hù)管理難度大等問題，而傳統(tǒng)的人工檢修、維護(hù)管理模式已很難適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)高效運轉(zhuǎn)的需要。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及PLC和無線通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，推動起重機(jī)實現(xiàn)了無人操作、自動運行、主動維護(hù)，使起重機(jī)的信息管理系統(tǒng)上了一個新的臺階。所有這些功能的實現(xiàn)，都離不開無線通信網(wǎng)絡(luò)，而無線通信技術(shù)是最基本的技術(shù)支持?？梢?，無線通信網(wǎng)絡(luò)是起重機(jī)上運行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸不可缺少的路徑之一。

1起重機(jī)上無線通信應(yīng)用的必要性

1．1起重機(jī)設(shè)備維護(hù)需求

起重機(jī)是鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)流程中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備之一，由于其工作環(huán)境惡劣，作業(yè)工況多變，容易出現(xiàn)問題。起重機(jī)能否正常運行直接影響著企業(yè)的生產(chǎn)效益，因此用戶對起重機(jī)械的安全性、可靠性、易維護(hù)等要求越來越高，為保證起重機(jī)安全、穩(wěn)定地正常運行，管理維護(hù)工作就顯得尤為重要。如果對設(shè)備運行過程中出現(xiàn)的各種故障或異常情況能夠進(jìn)行及時準(zhǔn)確的判斷或預(yù)測，則可以有效地避免一些故障的發(fā)生，或者能夠提前指定相應(yīng)的維修方案，減少設(shè)備的維修時間，提高生產(chǎn)效率。由于起重機(jī)一般是高空中作業(yè)，維修人員每天爬上起重機(jī)檢查也不太現(xiàn)實，因此需要通過無線通信網(wǎng)絡(luò)，將起重機(jī)上的運行數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，為維護(hù)人員提供大量有效的設(shè)備運行數(shù)據(jù)。這樣地面服務(wù)器站或者中控室就能夠及時了解起重機(jī)上各機(jī)構(gòu)的工作情況，實時監(jiān)測關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)，使得設(shè)備的維護(hù)管理工作簡單容易得多。隨著國標(biāo)GB／T28264—2017《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》的和執(zhí)行，起重機(jī)管理系統(tǒng)越來越得到全面普及和成熟應(yīng)用。利用工控機(jī)、視頻顯示系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取起重機(jī)的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障報警信息。將起重機(jī)上的這些數(shù)據(jù)全部采集到PLC系統(tǒng)，只需要建立無線通信網(wǎng)絡(luò)，就可以在地面站輕松掌握起重機(jī)上的運行數(shù)據(jù)。

1．2智能化的無人天車

隨著人工智能、PLC及變頻器控制等基礎(chǔ)自動化技術(shù)以及信息技術(shù)的發(fā)展，使得起重機(jī)無人化成為可能。全自動無人起重機(jī)是在傳統(tǒng)起重設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)電控技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)等，使起重機(jī)無需人工干預(yù)，自動完成指定的工作。在這個過程中，起重機(jī)需要接收地面發(fā)送的任務(wù)指令，這就必須通過無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)從地面發(fā)送給起重機(jī)的PLC控制系統(tǒng)，要求信息傳輸速度快而且安全可靠，所以智能化的無人天車系統(tǒng)離不開無線通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)支持。

1．3集群化的起重機(jī)管理

針對同一跨內(nèi)有多臺起重機(jī)工作的場合，如物料倉庫的智能化天車，無論是人工操作還是自動運行模式，都需要對任務(wù)分配的合理性進(jìn)行充分的考慮，這就需要一個廠房調(diào)度指揮系統(tǒng)，發(fā)指令給多臺起重機(jī)，使其協(xié)同作業(yè)，相互配合，提高生產(chǎn)效率。而廠房調(diào)度指揮系統(tǒng)與多臺起重機(jī)的聯(lián)絡(luò)正是通過無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的，將任務(wù)指令發(fā)送給相應(yīng)的起重機(jī)，方便協(xié)調(diào)生產(chǎn)調(diào)度、遠(yuǎn)程指揮作業(yè)。

2無線通信技術(shù)方案

實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)的先決條件是在使用的起重機(jī)上都必須配置有PLC，且保證PLC有以太網(wǎng)RJ45接口，才能夠?qū)崿F(xiàn)無線以太網(wǎng)通信。以西門子產(chǎn)品為例，如果PLC使用最新的S7－1500系列，則CPU本身自帶Profinet接口（以太網(wǎng)接口RJ45），可以直接連接網(wǎng)絡(luò)通信模塊；如果使用不帶以太網(wǎng)接口的CPU，比如以前的S7－300系列，則可以增加以太網(wǎng)模塊CP343－1，這樣PLC也可以通過以太網(wǎng)模塊上的RJ45接口連接以太網(wǎng)通信模塊。其他品牌的PLC系統(tǒng)類似，也必須帶有通信接口才能滿足以太網(wǎng)通信的要求。起重機(jī)上的信息包括數(shù)據(jù)信息和視頻信息。其中，數(shù)據(jù)信息即運行狀態(tài)信息，由PLC采集接收，包括各機(jī)構(gòu)的限位狀態(tài)、裝置運行狀態(tài)、起重量等；而視頻信息，由攝像頭采集傳回硬盤錄像機(jī)，包括吊鉤的工作狀態(tài)視頻、軌道上是否有障礙物等錄像。所有這些數(shù)據(jù)和錄像，都要通過無線通信傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給地面服務(wù)器。起重機(jī)是一個在廠房區(qū)域沿軌道運行的設(shè)備，通常起重機(jī)上的電氣控制屏柜布置在電氣梁內(nèi)，包含PLC、變頻器等，而無線移動（發(fā)射）客戶端天線，需要安裝在電氣梁的外側(cè)，才能夠保證無線發(fā)送接收數(shù)據(jù)安全可靠。

2．1方案一

方案一使用光纜連接，現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)布置示意圖如圖1所示。按照目前市場上大多數(shù)的用戶要求，需要將起重機(jī)上的運行數(shù)據(jù)和視頻信息以無線的方式傳輸?shù)降孛妫恍璞O(jiān)測而不需要參與控制，即不需要發(fā)送指令信息到起重機(jī)上，通常采用如圖1所示的方案。起重機(jī)是一個可移動的設(shè)備，需要在跨端設(shè)置基站AP，無線通信有全向天線和定向濾波天線兩種，定向型天線可以增加傳輸距離、過濾諧波，所以本文選用定向型天線。在起重機(jī)上設(shè)置客戶端AP，如果距離再加大可設(shè)置多個AP，那就需要采用網(wǎng)線或光纖將AP連接在一起，然后再連接到地面服務(wù)器。無線基站到地面服務(wù)器采用光纖連接，該方案由于現(xiàn)場環(huán)境存在障礙物，安裝布置光纜施工難度大，工期長，小于100m時可以采用網(wǎng)線。但正是由于使用了光纜，使得無線通信調(diào)試簡單方便，通信穩(wěn)定，抗干擾性強(qiáng)。

2．1．1硬件配置以西門子產(chǎn)品為例，SCALANCEW工業(yè)移動通信解決方案屬于無線以太網(wǎng)解決方案的一種，起重機(jī)無線通信是SCALANCEW系列產(chǎn)品中一個比較典型的應(yīng)用。工業(yè)無線通信的組成分為無線接入設(shè)備、RSMA／N饋線系統(tǒng)和客戶端設(shè)備三個部分。起重機(jī)無線通信解決方案如圖2所示。在每一臺起重機(jī)上都需要安裝客戶端設(shè)備SCALANCEW734，無線接入設(shè)備采用西門子的SCALANCEW786，通過光纜連接地面服務(wù)器。起重機(jī)在移動過程中會出現(xiàn)無線覆蓋區(qū)域切換情況，為解決切換過程中信號的延時問題，采用了由SIEMENS公司開發(fā)的“工業(yè)點協(xié)調(diào)功能”iPCF，它的使用實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)快速漫游?？焖俾问侵缚蛻舳藦囊粋€無線區(qū)域快速切換到另一個無線區(qū)域的過程，在此過程中，客戶端的退出和重新登錄過程稱為“移交”，“移交”發(fā)生得非常快，可以滿足通信的實時性要求。AP1（W786）、AP2（W786）無線接入設(shè)備和客戶端設(shè)備（W734）之間，使用了“iPCF”功能，它的iPCF移交時間降低到50ms以內(nèi)，因此可以確保起重機(jī)在長距離運行過程中的網(wǎng)絡(luò)不間斷通信。

2．1．2軟件調(diào)試采用西門子PrimarySetupTool工具軟件進(jìn)行調(diào)試，PST是設(shè)置交換機(jī)（包括無線產(chǎn)品）或者管理CP卡地址及設(shè)備的工具，可用于為SIMATICNET網(wǎng)絡(luò)組件、以太網(wǎng)CP及網(wǎng)關(guān)分配地址。進(jìn)入PST軟件，可以設(shè)置IP、FTP／TFTP、BOOTP、DHCP、SMTP、SYSLOG等。起重機(jī)通過各自客戶端SCALANCEW734的無線網(wǎng)卡與AP通過基礎(chǔ)架構(gòu)方式相連接。使用PST軟件可完成SCALANCEW786IP地址設(shè)置等功能，參數(shù)設(shè)置（西門子產(chǎn)品）如圖3所示。

2．2方案二

AP基站帶天線布置在工作跨端頭（軌道平面），稱為跨端基站AP，用來接收跨內(nèi)的起重機(jī)信息。在軌道平面上增加一個跨端轉(zhuǎn)網(wǎng)客戶端，通過光纜與跨端基站AP相連，它帶有天線和光纖信號轉(zhuǎn)換器；通過無線的方式將信號傳輸?shù)降孛鍭P基站，地面接收基站AP再通過網(wǎng)線或光纜連接到地面服務(wù)器。一般地面基站都會設(shè)置在中控室附近，如圖4所示。這種方案施工簡單，在廠房安裝的光纜或網(wǎng)線工程量相對較少，但調(diào)試時需要配置AP基站的參數(shù)。在廠房環(huán)境相對復(fù)雜時推薦使用該方案。起重機(jī)無線通信客戶端、跨端基站AP、跨端轉(zhuǎn)網(wǎng)無線客戶端、地面基站AP均可以選用TP－LINK廠家的TL－CPE520，這種無線網(wǎng)絡(luò)的配置性價比高，能夠快速傳輸視頻數(shù)據(jù)，現(xiàn)場應(yīng)用比較廣泛。

3無線通信4G／5G方案

上述無線通信方案，實現(xiàn)了起重機(jī)與地面的無線通信。在此基礎(chǔ)上，利用拓展網(wǎng)絡(luò)，可使起重機(jī)具有遠(yuǎn)程通信的功能。

3．1手機(jī)SIM卡

在起重機(jī)的跨端AP上安裝網(wǎng)通插卡路由器（如華為B311／B315）和手機(jī)SIM（4G／5G）卡，起重機(jī)便具有遠(yuǎn)程通信的功能，起重機(jī)上的信息數(shù)據(jù)就可以通過互聯(lián)網(wǎng)來訪問，而不僅僅局限于廠房區(qū)域。通過手機(jī)SIM卡接入互聯(lián)網(wǎng)以后，不論你身在何處，只要能夠訪問到互聯(lián)網(wǎng)，就可以通過密碼口令認(rèn)證，訪問到起重機(jī)上的信息。

3．2利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)

如果工廠內(nèi)部有可用的互聯(lián)網(wǎng)，則廠房的地面服務(wù)器可以先連接到工廠網(wǎng)絡(luò)，再連接到互聯(lián)網(wǎng)，這樣既安全可靠，又方便快捷，性價比高。擴(kuò)展應(yīng)用如圖5所示。采用以上兩種方式，都可以通過互聯(lián)網(wǎng)對起重機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。管理人員在辦公室就可以直接瀏覽到起重機(jī)上數(shù)據(jù)；調(diào)試工程師可以在外地遠(yuǎn)程訪問到起重機(jī)上的程序，包括PLC程序代碼、安全監(jiān)控管理程序等，協(xié)助現(xiàn)場人員及時處理故障，也可以修改編輯程序、完善功能、重新下載。因此不僅節(jié)省了時間成本，而且處理問題迅速及時，間接提高了生產(chǎn)效益。

4結(jié)語

無線通信技術(shù)的成功應(yīng)用是起重機(jī)實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能維護(hù)的基本條件，能夠使得起重機(jī)的遠(yuǎn)程維護(hù)更加方便、快捷。而大量信息的采集、存儲、分析研究、歸納總結(jié)，其主要目的是了解和掌握設(shè)備在運行過程中的狀態(tài)，判斷各個機(jī)構(gòu)的零部件是否正常，及早發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并能預(yù)測故障發(fā)生的可能性，實施主動維護(hù)的健康管理技術(shù)手段，從而有效地避免故障的發(fā)生，提升起重機(jī)運行的安全可靠性。無線通信技術(shù)在起重機(jī)上的應(yīng)用起步較晚，還有很大的開發(fā)空間。隨著市場用戶需求的不斷增多，還需要進(jìn)一步優(yōu)化方案，在應(yīng)用中不斷提升技術(shù)水平，它也是起重機(jī)朝智能化方向發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

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作者：劉秀苗 單位：太原重工股份有限公司技術(shù)中心