起重機(jī)上無線通信技術(shù)及應(yīng)用

劉秀苗

(太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024)

0 引言

起重機(jī)作為吊運(yùn)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(dòng)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(yùn)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(dòng)起重機(jī)實(shí)現(xiàn)了無人操作、自動(dòng)運(yùn)行、主動(dòng)維護(hù)，使起重機(jī)的信息管理系統(tǒng)上了一個(gè)新的臺(tái)階。所有這些功能的實(shí)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?？梢姡瑹o線通信網(wǎng)絡(luò)是起重機(jī)上運(yùn)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(yùn)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(yùn)行，管理維護(hù)工作就顯得尤為重要。如果對設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種故障或異常情況能夠進(jìn)行及時(shí)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(shí)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(shí)，因此需要通過無線通信網(wǎng)絡(luò)，將起重機(jī)上的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛妫瑸榫S護(hù)人員提供大量有效的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。這樣地面服務(wù)器站或者中控室就能夠及時(shí)了解起重機(jī)上各機(jī)構(gòu)的工作情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)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/T 28264—2017《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》的發(fā)布和執(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(shí)獲取起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障報(bào)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(yùn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)完成指定的工作。在這個(gè)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(tái)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(dòng)運(yùn)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(gè)廠房調(diào)度指揮系統(tǒng)，發(fā)指令給多臺(tái)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(tái)起重機(jī)的聯(lián)絡(luò)正是通過無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(shí)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(yùn)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(yùn)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(gè)在廠房區(qū)域沿軌道運(yùn)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(dòng)(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(yùn)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。

圖1 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)布置示意圖(用光纜連接)

起重機(jī)是一個(gè)可移動(dòng)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?yàn)V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(gè)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100 m時(shí)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，SCALANCE W工業(yè)移動(dòng)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SCALANCE W系列產(chǎn)品中一個(gè)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(gè)部分。起重機(jī)無線通信解決方案如圖2所示。

圖2 起重機(jī)無線通信解決方案(采用西門子產(chǎn)品)

在每一臺(tái)起重機(jī)上都需要安裝客戶端設(shè)備SCALANCE W734，無線接入設(shè)備采用西門子的SCALANCE W786，通過光纜連接地面服務(wù)器。起重機(jī)在移動(dòng)過程中會(huì)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(shí)問題，采用了由SIEMENS公司開發(fā)的“工業(yè)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能”iPCF，它的使用實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)快速漫游。快速漫游是指客戶端從一個(gè)無線區(qū)域快速切換到另一個(gè)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?？欤梢詽M足通信的實(shí)時(shí)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(shí)間降低到50 ms以內(nèi)，因此可以確保起重機(jī)在長距離運(yùn)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Primary Setup Tool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SIMATIC NET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SCALANCE W734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SCALANCE W786 IP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(gè)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(huì)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(shí)需要配置AP基站的參數(shù)。在廠房環(huán)境相對復(fù)雜時(shí)推薦使用該方案。

圖3 參數(shù)設(shè)置(西門子產(chǎn)品)

圖4 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)布置示意圖(用無線連接)

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(jià)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(shí)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(jià)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(shí)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(shí)間成本，而且處理問題迅速及時(shí)，間接提高了生產(chǎn)效益。

圖5 擴(kuò)展應(yīng)用

4 結(jié)語

無線通信技術(shù)的成功應(yīng)用是起重機(jī)實(shí)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(chǔ)、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(yùn)行過程中的狀態(tài)，判斷各個(gè)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(shí)施主動(dòng)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(yùn)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。