塔式起重機(jī)防碰撞通訊關(guān)鍵技術(shù)研究

王興權(quán)王 勇羅建國(guó) 侯明健

1.赤峰市特種設(shè)備檢驗(yàn)所 內(nèi)蒙古赤峰 024000；2.蘇州安至上機(jī)電科技有限公司 江蘇蘇州 215500

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的逐漸加大,塔式起重機(jī)作為現(xiàn)代化建設(shè)施工過程中必不可少的工具,已經(jīng)成為施工企業(yè)的重要裝備之一。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中,常會(huì)由于人為操作問題導(dǎo)致塔機(jī)碰撞,從而引發(fā)嚴(yán)重的特種設(shè)備安全事故。但是由于現(xiàn)有的監(jiān)控手段比較落后,不能夠及時(shí)、準(zhǔn)確的預(yù)警隱患、提示風(fēng)險(xiǎn)。在這種背景下,市場(chǎng)上出現(xiàn)了塔機(jī)防碰撞系統(tǒng),在防碰撞系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)傳輸作為群塔間數(shù)據(jù)交換的重要部分,其工作速度的快慢、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、范圍性、可擴(kuò)展性將直接影響到整個(gè)防碰撞系統(tǒng)的可靠性。本文將針對(duì)防碰撞系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行探討。

1 常用無線組網(wǎng)方式介紹

工地現(xiàn)場(chǎng)由于塔機(jī)復(fù)雜的高空作業(yè)環(huán)境,對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)的布線工程極為不便。而且采用有線通訊方式的施工周期過長(zhǎng),成本高,導(dǎo)致在防碰撞系統(tǒng)中一般不采用有線通訊方式。現(xiàn)場(chǎng)宜采用無線組網(wǎng)的方式來解決防碰撞系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸問題。目前無線組網(wǎng)的方式包括無線數(shù)傳電臺(tái)、DTU、藍(lán)牙、超高頻RFID、ZIGBEE、WIFI等。

1.1 無線數(shù)傳電臺(tái)

無線數(shù)傳電臺(tái)是數(shù)字式無線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)的簡(jiǎn)稱,即采用數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字調(diào)制解調(diào),具有前向糾錯(cuò)、均衡軟判斷等功能的無線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái),傳輸范圍可以達(dá)到50km。利用無線數(shù)據(jù)電臺(tái)構(gòu)建的專用網(wǎng)絡(luò),可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者點(diǎn)對(duì)多的數(shù)據(jù)傳輸,具有數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性好、專屬數(shù)據(jù)傳輸通道、適用于惡劣環(huán)境、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。但是在同一頻點(diǎn)上,有且只能有1臺(tái)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù),在點(diǎn)對(duì)多的情況下需要采用輪詢方式,實(shí)時(shí)性降低,網(wǎng)絡(luò)容量有限。

1.2 DTU

DTU是專門用于串口數(shù)據(jù)和IP數(shù)據(jù)交換,并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的無線終端設(shè)備。DTU利用了當(dāng)今社會(huì)廣泛使用的通訊網(wǎng)絡(luò),技術(shù)成熟,覆蓋面廣,故使用DTU方式組成的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)傳輸快、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)。但是DTU受限于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),容易出現(xiàn)掉線、死機(jī)等情況。無線通訊網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)開放的系統(tǒng),容易受到黑客的攻擊,安全性較差。DTU所使用的無線通訊網(wǎng)絡(luò)是按照流量繼續(xù)計(jì)費(fèi),通過網(wǎng)絡(luò)侵入的無用信息也會(huì)被計(jì)費(fèi),運(yùn)行費(fèi)用較高。

1.3 藍(lán)牙

藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù),利用藍(lán)牙技術(shù)能夠有效地簡(jiǎn)化終端設(shè)備之間的通信,數(shù)據(jù)傳輸從而變得更加迅速高效。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù),支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信,工作在全球通用的2.4 GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段,采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。藍(lán)牙不是對(duì)所有應(yīng)用都適合,由于藍(lán)牙協(xié)議及相關(guān)堆棧的復(fù)雜性,會(huì)加大開發(fā)的難度,且這些芯片存在價(jià)格高、抗干擾能力差、傳輸帶寬窄等問題,不適用于施工工地復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)工況。

1.4 ZIGBEE

ZIGBEE是一種短距離的雙向無線通信技術(shù),具有低功耗、低復(fù)雜度、大容量及低成本等特點(diǎn)。主要采用可免費(fèi)使用的2.4GHz的ISM 頻段。傳輸距離一般在10～75m 之間,通過增加發(fā)射功率或增益天線等可以增加傳輸距離。Zigbee提供了三級(jí)安全模式,防止非法獲取數(shù)據(jù),支持無線組網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)容量無上限,與其它無線通訊技術(shù)相比,更適合塔機(jī)工作現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的工況。

1.5 WIFI

WIFI是一個(gè)無線局域網(wǎng)（ WLAN ）標(biāo)準(zhǔn),主要用于小范圍內(nèi)局域網(wǎng)的用戶與終端設(shè)備之間的無線接入。其使用的是開放的 2.54GHz 微波頻段,既可以作為有線網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充,還可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立組網(wǎng),傳輸速率最高可達(dá)11Mbps,在辦公環(huán)境下傳輸距離約100m左右,在室外可達(dá) 300m ,且無需直線傳播。WIFI的射頻和基帶協(xié)議相對(duì)來說比較復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)成本較高、平均功耗大,這些缺陷在本系統(tǒng)的無線通訊傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中顯然是不可取的。

1.6 LORA

（6） LORA模塊與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,優(yōu)化LORA模塊之間、控制器與LORA模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸效率,LORA無線網(wǎng)絡(luò)以其遠(yuǎn)距離、高速度、高信號(hào)強(qiáng)度的特點(diǎn),適合運(yùn)用在大型防碰撞系統(tǒng)中,相比CAN接口的Zigbee其模塊性能提升30%以上。

表1 無線組網(wǎng)方式比較

2 常用通訊接口

現(xiàn)有的塔機(jī)防碰撞系統(tǒng)主要采用以自主研發(fā)的嵌入式板或者PLC控制器為主。通訊接口作為連接控制器和無線組網(wǎng)之間的橋梁,如何保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性和抗干擾性,是解決防碰撞系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。一般常用的通訊接口有RS232/485,PROFIBUS,CAN等。

2.1 RS232/485

RS232/485是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn),最初由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制訂并發(fā)布。RS-232作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口,保證了不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。EIA于1983年制定當(dāng)前RS485標(biāo)準(zhǔn),增加了多點(diǎn)、雙向通信能力,即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上,同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性,擴(kuò)展了總線共模范圍。由于EIA提出的建議標(biāo)準(zhǔn)都是以“RS”作為前綴,所以在通訊工業(yè)領(lǐng)域,仍然習(xí)慣將上述標(biāo)準(zhǔn)以RS作前綴稱謂。

2.2 PROFIBUS

PROFIBUS是一種國(guó)際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層,其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線,也可以是光纜,當(dāng)用雙絞線時(shí),傳輸距離最長(zhǎng)可達(dá)9.6km,用光纖時(shí),最大傳輸長(zhǎng)度為90km,最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。 采用單一的總線方位協(xié)議,包括主站之間的令牌傳遞與從站之間的主從方式。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榫€型、樹型或總線型,兩端帶有有源的總線終端電阻。

2.3 CAN

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)稱,通信速率可達(dá)1Mbps,CAN總線接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能,可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的幀處理,包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。CAN協(xié)議的最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼,而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu),每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè),因而傳輸時(shí)間短,受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí),具有自動(dòng)關(guān)閉的功能,以切斷該點(diǎn)與總線的聯(lián)系,使總線上的其它節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響,具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

3 無線通訊和現(xiàn)場(chǎng)總線選擇

數(shù)據(jù)傳輸模塊的核心是在保持設(shè)備穩(wěn)定可靠工作的前提下,用最快的速率將數(shù)據(jù)發(fā)送給盡可能多的設(shè)備。這就要求無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍要大,能夠連接盡可能多的設(shè)備,因此無線網(wǎng)絡(luò)需要具備以下幾個(gè)條件:（1）覆蓋范圍大,（2)網(wǎng)絡(luò)容量大,（3）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高。

通過上述對(duì)無線組網(wǎng)方式的介紹,綜合安全性、性能、成本等方面,宜采用ZIGBEE作為無線組網(wǎng)方案,在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的電磁環(huán)境中保證設(shè)備傳輸?shù)姆€(wěn)定性、安全性和及時(shí)性。

良好的無線組網(wǎng)方案還需要硬件接口的支持。在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中,需要在大數(shù)據(jù)量的情況下盡可能提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。這就需要硬件接口具有數(shù)據(jù)防沖突機(jī)制,當(dāng)出現(xiàn)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時(shí),優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù),而優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)則主動(dòng)停止發(fā)送,而這正好就是CAN總線的優(yōu)勢(shì)。它采用總線仲裁技術(shù),解決了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率的問題,并且在某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí),自動(dòng)關(guān)閉該節(jié)點(diǎn),使其他節(jié)點(diǎn)不受影響,CAN總線具有的技術(shù)優(yōu)越性,使防碰撞數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}得到了解決。

經(jīng)過大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),宜采用基于CAN接口的LORA無線模塊作為起重機(jī)防碰撞系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備,可以保障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、正確性。

4 結(jié)論

在塔機(jī)防碰撞系統(tǒng)的研究中,我們往往將將精力集中在了塔機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立、碰撞算法的研究上,但是再好的算法沒有快速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸方式做支撐是不行的。本文通過對(duì)現(xiàn)有塔機(jī)防碰撞系統(tǒng)現(xiàn)狀的研究,提出了目前情況下最優(yōu)數(shù)據(jù)傳輸方案。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的使用中也很好地驗(yàn)證了理論的推斷。這種設(shè)計(jì)方案對(duì)于其他類型的控制系統(tǒng)應(yīng)用也有一定的借鑒意義。