基于5G網絡的起重機集中控制系統*

王鴻儒

(太原重工 技術中心，山西 太原 030024)

0 引言

起重機是冶金行業重要的物流設備，無論是在煉鋼車間還是成品庫起重機都起著至關重要的作用[1]。傳統起重機司機需要高空作業、持證上崗，由一個起重機司機操作一臺起重機的傳統生產模式，對起重機司機的要求較高且生產效率難以提升。通過借鑒港口起重機多對多的操作生產經驗，對傳統起重機進行智能化升級，充分利用無線網絡、音視頻系統、自動化控制以及調度算法等先進技術，可以實現在集控室對生產范圍內的所有起重機進行控制和管理的功能[2]。

很多生產車間跨度較大，起重機行走范圍較遠，采用無線網絡連接集控室和起重機是更合理的解決方案。但由于起重機采用集中控制模式后操作人員需要通過音視頻系統監控生產過程，從而對網絡傳輸性能要求較高。與此同時，由于控制信號由地面控制中心傳向現場多臺起重機，如果起重機在工藝動作過程中丟失控制信號，可能會造成重大影響。這些都對整個網絡系統提出了更高性能、更穩定的要求。針對這些需求和難點，充分發揮5G網絡速度快、延時低、穩定性強的優勢構建起重機集中控制系統，可以充分滿足起重行業未來的各種需求。

1 起重機集中控制系統架構

起重機集中控制系統需要充分考慮現場的各類因素，一方面盡可能還原操作人員在現場的視聽感觀，確保遠程操作的安全性；另一方面充分利用自動化技術提升起重機運行自動化程度，減輕操作人員負擔。針對生產現場其他可能發生的安全問題也要有充分的考量，合理利用現有檢測技術和控制手段，結合現場生產經驗建立的起重機集中控制系統架構如圖1所示。

圖1 起重機集中控制系統架構

集中調度系統主要實現集中控制的任務分配和設備管理等功能，它能夠在接收上級系統下發工作任務的同時，允許操作員手動設定修改當前任務，還可以將新任務分配給當前空閑的操作臺和操作員，保證任務的高效執行。安全策略主要負責起重機運行過程中可能遇到的各類特殊情況，進行相應的安全處理，保證系統穩定運行。

遠程控制系統主要實現遠程操作起重機所需的各類控制交互等功能，通過操作模式的選擇，可以根據各種工況在手動、半自動、自動操作模式之間靈活切換。完善的報警系統可以對現場發生的情況進行反饋，使操作人員可以有效地了解起重機運行的周邊環境。智能人機交互功能包含語音交互、語音對講、面部識別認證等功能，進一步提升操作人員的操作體驗。

遠程監測系統主要實現起重機運行狀態和周圍環境的實時監測功能，視頻監測系統主要包含起重機行走視頻監控、吊鉤視頻監控、軌道異物監測、電氣室火災監測等內容。聲音監測包含司機室異響監測、軌道異響監測等內容。音視頻系統可以給操作員提供親臨現場的操作感受，保證生產過程的穩定運行。人員定位是指通過UWB(Ultra Wide Band，超帶寬)系統獲取車間工作人員位置，確保人員和起重機工作互不影響。

控制系統是起重機穩定運行的基礎，主要完成起重機自動控制過程，包含PLC控制、變頻運動控制、防搖擺系統、三維定位、防碰撞和一鍵巡航等功能。

2 集中控制系統中的5G網絡應用

傳統無線AP(Access Point，接入點)的網絡結構難以滿足起重機集中控制的需求，在AP與AP銜接處切換無線網絡接入點經常會造成控制信號丟失、視頻信號卡頓等問題，從而影響遠程操作的功能實現。波導管作為港口常用的無線網絡傳輸方式，帶寬與無線AP模式相似，但在大流量視頻信號傳輸需求時存在帶寬瓶頸。隨著5G技術應用的不斷推廣，智能起重機5G網絡方案逐漸成熟。智能起重機5G網絡架構如圖2所示。

圖2 智能起重機5G網絡架構

使用工業級CPE(Customer Premise Equipment，客戶前置設備)模組可以靈活地將起重機及其他設備接入5G網絡。每臺起重機的信號通過5G基站傳遞至MEC服務器，再傳遞至集中控制調度中心，從而實現生產車間地面系統與各起重機的信息互通。5G網絡解決方案可以將音視頻信號、控制信號等內容進行流暢傳遞，確保起重機集中控制系統的安全穩定運行。

3 起重機安全策略

起重機作為特種設備，安全性是集中控制系統最重要的考核內容。集中控制系統需要根據用戶的使用情況，對可能存在的安全問題進行全方位考慮。根據現場可能出現的安全事件，集中控制系統將可能存在的安全事件劃分為不同等級。針對不同等級的安全事件采取不同的應對辦法，從而保護人員、設備不受損失，安全等級劃分如圖3所示。

圖3 起重機集中控制系統安全等級劃分

安全事件由輕至重分為四個等級。第Ⅰ級為較為輕度的預警事件，采用安全響應為報警提示，在當前任務執行結束后或定期檢查時對報警問題進行處理。第Ⅱ級為影響起重機正常運行的功能缺失事件，采用安全響應為報警提示并對控制程序進行相應聯鎖阻止部分操作功能，以防止起重機帶病工作而造成損失。第Ⅲ級為起重機運行過程中發生的異常事件，采用安全響應為報警并正常停車，要求維護人員對異常事件進行確認并處理。第Ⅳ級為起重機運行過程中發生的突發事件，采用安全響應為報警并緊急停車，此類事件需生產車間立即對突發情況做出響應，防止發生重大生產事故。

4 結語

伴隨著智能化技術的不斷發展，起重機智能化水平也在快速提高，今后起重機全自動運行的場景將會逐步增多。在人工智能技術的加持下，起重機還將能夠自主處理突發問題、診斷故障并進行故障恢復。隨著智能起重機運行工作效率的進一步提升，勢必將為中國起重行業帶來新一輪的發展動力。