起重機智聯通訊系統

姜健寧 于 樂 張士杰 靳少朋 崔學強

1北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007 2北京江行聯加智能科技有限公司 北京 100102

0 引言

工業通訊系統是智能制造車間起重機的神經網絡，通過起重機智聯通訊系統有效連接底層傳感器、執行器及客戶上游控制系統。在現階段的起重車間內，通常只有起重機局部機構的通訊方案，與上位系統間往往只有起重量等簡單的數據傳遞，無法保證智能制造車間起重機的集群協調作業和智能起重機全自動運行的安全、精準、高效。因此，通過建立完善的工業通訊系統，利用物聯網信息技術，可實現工業生產全流程要素資源的信息連接，優化生產流程，打通薄弱環節，從而幫助客戶實現效率提升、生產力提升、成本下降、利潤增長。

1 系統分析

起重機智聯通訊系統可分為前端控制層、邊緣處理層、數據管理層等3級網絡架構，圖1為起重機智聯通訊系統的網絡架構示意圖。

圖1 起重機智聯通訊系統的網絡架構示意圖

前端控制層由起重機控制器、變頻器、觸摸屏、稱重傳感器、旋轉編碼器、通訊模塊、視頻監控系統等組成。在智能制造工廠中，每臺起重機都根據工藝要求編寫程序，自動完成起重機的移動、搬運等動作，通過傳感器、攝像頭等設備的數據采集，使起重機對周邊環境和內部系統具有感知和診斷能力。

每臺起重機所使用的控制器為S7-1500，最大傳輸為128 Byte，傳輸速度快，且滿足實時性要求，可進一步實現起重機的高效控制。控制器與起重機大車、小車和起升變頻器做Profinet通訊，可以完全兼容工業以太網和現有的現場總線技術，觸摸屏為起重機提供實時狀態顯示，并與聯動臺配合完成起重機的就地控制。

視頻監控系統使用POE工業交換機，在作業現場布置的攝像頭視頻信號用以太網方式采集，攝像頭均采用POE方式供電，該方式可有效降低供電成本，減少電纜敷設。視頻監控系統采集視頻之后，在邊緣端對視頻數據進行深度學習計算，完成對視頻的智能化應用，并進行智能化監控。

邊緣處理層由1個或多個邊緣計算智能網關構成，前端控制層所采集的信息均通過以太網或串口形式接入邊緣計算網關，邊緣計算網關有多個Lan口和RS232、RS485等工業接口，支持 MQTT、OPC-UA、Modbus、TCP等協議，通過協議轉換實現IT與OT的融合。邊緣計算網關外界顯示器可對采集數據做簡單的處理和分析，在人為授權的情況下，根據預置規則對設備進行自動反饋控制。

數據管理層由工控機和服務器構成，上邊緣處理層篩選出來的數據上傳至數據管理層的服務器，既可通過敷設光纖傳輸，也可通過5G網絡上傳云端，數據管理層對設備進行監測、指令控制、數據業務展示和遠程在線升級等功能進行綜合性管理。

2 系統核心技術

2.1 起重機現場總線通信控制

在智能制造工廠，起重機的控制系統即要隨時監控變頻器的轉速、轉矩以及瞬時電流等狀態信息，還要對起重機進行防搖、防溜鉤等復雜的傳動控制，傳統的硬線控制變頻驅動的方式有較大局限性，除了精度、響應時間、接線復雜等問題，還會受到信號干擾和長距離傳輸時信號衰減。隨著計算機技術、網絡技術和自動控制技術的不斷發展，現場總線的應用日益廣泛，標準化的現場總線具有開發的通信接口，透明的通信協議，允許用戶選用不同制造商生產的分散I/O裝置和現場設備。現場總線滿足了生產過程現場級數據可存取性的重要要求，覆蓋了傳感器/執行器領域的通信需求，又具有單元級領域的所有網絡通信功能。

在智聯通訊系統起重機的控制中，大車機構、小車機構、起升機構都采用ACS880變頻器，并在其控制模板上增加了通信卡。該卡用于Profinet-PN協議的接口，通過該卡可將變頻器與PLC進行Profinet-PN網絡通信，ACS880系列變頻器同時提供了大量常用現場總線的解決方案，使用其內部的99組功能參數表，通過配置變頻器的通用、傳動、I/O、監視以及調整控制等參數可最大限度地實現變頻器的全部通信控制功能。相比起重機傳統的控制方式，利用現場總線技術做通信控制，能有效實現數字量和模擬量的輸入/輸出模塊，智能信號裝置和過程調節裝置與可編程控制器和工控機之間的數據傳輸可遠程讀取起重機驅動裝置的各種參數，對設備的工作狀態進行實時監控，也可通過變頻器實時反饋的狀態快速進行復雜的傳動控制。

2.2 智能視頻分析技術

隨著視頻監控的飛速發展，傳統的視頻監控系統由于無法對監控畫面進行系統的分析識別，且人工監控難以實現海量視頻畫面及時、有效地信息處理，大多只能用來進行事后回溯追責使用。因此，基于傳統視頻監控技術，結合人工智能技術衍生出1種全新技術，即做智能視頻分析技術。

智能視頻分析技術是1種基于目標行為的智能監控技術，它能將傳統攝像頭采集到的圖像或圖像序列與事件描述之間建立映射關系，從而使計算機從大量的視頻圖像中分辯識別出關鍵目標的行為，過濾用戶不關心的信息，其實質是自動分析和抽取視頻源中的關鍵信息。

將智能視頻分析技術引入起重機智聯通訊系統的設置中，可通過視頻圖像對起重機極其環境進行全面的智能化分析，對異常情況及時發起告警，最終可聯合現場各類終端設備如傳感器等，提供更加精準地設備狀態監控，輔助實現全自動化、智能化控制。

2.3 邊緣計算技術

隨著大量物聯網設備在工業領域的應用，數據傳輸過程會有PB數量級的數據流量。因此，物聯網終端與云端（調度端）服務器之間頻繁通信時，將導致物聯網終端所在網絡擁塞，產生響應延遲、數據丟包等問題，且會影響設備控制響應的實時性。

邊緣計算技術是由英文 Edge—Computing 翻譯而來，其中Edge 指的是數據源和云端數據中心之間的網絡資源。邊緣計算是指在靠近物或數據源頭的一側，采用網絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺，就近提供最近端服務，其應用程序在邊緣側發起，產生更快的網絡服務響應，滿足行業在實時業務、應用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。邊緣計算處于物理實體與工業連接之間，或處于物理實體的頂端。邊緣計算技術的核心思想是在距離數據源最近的位置來計算，在數據源的網絡邊緣側進行網絡融合、數據計算及存儲，為用戶提供了邊緣化、快速化以及智能化打開方式。邊緣計算的主要優勢有：

1）連接成本低、安全性高 邊緣計算允許公司從源頭過濾數據，而不是在中央數據中心過濾數據。這樣可以減少公司在設備與云之間傳遞敏感信息的機會，從而更好地保護公司及其客戶的安全。另外，減少數據移動消除了對存儲的需求，降低了成本。

2）速度更快 云使用的所有原始信息都通過邊緣設備收集，這些邊緣設備將數據收集并發送給它，邊緣設備僅在發送原始信息和從云接收已處理信息方面起著有限的作用，但發生的交換只能與允許時間延遲的應用程序一起使用。因此，邊緣計算以較低的延遲提供了更好的速度，從而提供了在源頭附近解釋輸入數據的機會。這為需要實時服務的應用程序提供了更大的范圍。

3）可拓展、可靠 通過配置具有足夠計算能力的設備擴展邊緣網絡，用戶無需為其數據需求建立自己的私有或集中式數據中心，所有邊緣數據中心和物聯網設備都位于用戶附近，故網絡中斷的可能性非常小。

將邊緣計算技術引入起重機智聯通訊系統的設置中，將應用、服務和數據部署在分布式的物聯網邊緣節點中，將大部分計算任務下放到邊緣節點的服務器，以滿足業務對高實時性的需求，同時避免大數量、多頻次的與調度端服務器進行數據交互而導致的通信傳輸堵塞，調動邊緣節點內用戶側物聯網終端，實現多種實時信息的互動，實現整體的敏捷優化控制，對起重機智聯通訊系統運行安全性的提升起到重要的促進作用。

邊緣計算層的業務功能有 3 個方面。①設備運行數據接入，對參與邊緣計算節點內設備運行狀況進行分析；②邊緣計算節點內設備運行狀態分析功能，根據設備運行監測數據，分析參與可調節的設備，為下一步邊緣計算節點內調度提供控制依據；③邊緣計算節點內控制功能，當監測到各終端運行狀態后，根據其實時運行狀態，通過對具備可調設備進行控制實現各設備間的協同優化。

2.4 物聯網構建工業通訊網絡

物聯網是指通過各種信息傳感設備實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，按原約定的協議將任何物品與互聯網相聯進行信息交換和通訊，實現設備模板的定義與配置，快速實現設備接入，對設備信息、網關配置、測點變量等進行統一管理。重點解決工業現場設備復雜異構協議的數據轉換和標準化接入，同時對工業數據接入安全進行保護和驗證。

1）現場數據采集 現場設備的數據采集與協議轉換是起重機智聯通訊系統的基礎，隨著工業互聯網技術發展推進，邊緣側數據采集逐步推進接口方式和協議規范的標準化，基于標準以太網通訊，通過統一的數據協議格式MQTT、OPC-UA、Modbus、TCP等實現設備數據采集。同時，邊緣計算技術的發展也為起重機數據采集、數據處理提供了更豐富的工具和技術手段，智能制造工廠內的起重機可通過控制系統接口、邊緣網關、邊緣計算節點等方式實現設備數據集成。

邊緣網關作為輕量級邊緣節點，可放置在設備現場附近，部署靈活，主要以協議轉換、數據上報為主。邊緣平臺以X86架構服務器為主，具備較高的計算能力以及獨立運行能力，能夠實現設備數據采集、規則判斷、報警通知等功能，可滿足工廠規模內的設備采集、處理、展現需求。

該通訊系統面向設備接入的復雜場景，工業物聯網平臺支持邊緣網關、邊緣平臺等多種底層接入方案，通過邊緣側協議轉換和處理實現數據格式的標準化和歸一化采集，可匹配不同條件下的設備位置、網絡情況、數據規模、協議特性等產生的復雜接入要求。

2）定義標準協議 在智能制造工廠內設備協議紛繁多樣，在物理通訊、協議接口層面具備復雜性、異構性等特點，起重機智聯通訊系統通過定義標準化數據通訊協議實現接入協議標準化、統一化，能夠解決數據采集過程中設備種類眾多、設備或網關的私有協議多種多樣、標準不統一等問題，應簡化復雜的工業現場設備數據接入和解析工作。

起重機智聯通訊系統協議主要支持MQTT協議、OPC-UA協議、Modbus協議等，通過統一數據采集服務，基于標準協議建立設備連接，從而實現對包括智能設備、網關、非智能設備等的靈活、快速接入能力。

3 系統功能及特點

在智能制造工廠中，起重機智聯通訊系統借助自動化、信息、互聯網等技術對智能制作工廠內的每臺起重機進行一對一通訊。各起重機可分別實現就地獨立控制，也可實現工廠內起重機集群協調工作。根據生產要求，多臺起重機需要緊密進行協同作業時，通過視頻探測技術對物料信息及分布進行掃描識別，管理層在接受數據信息的同時應按照工藝要求對車間內起重機進行任務調度，發布自動運行指令，起重機隨即前往取物地點完成物料的入庫、出庫、倒庫等一系列復雜的工序。

在整個搬運過程中，當多臺起重機同時工作時，常常會出現交叉工作區，廠內視頻監控系統及傳感設備為起重機協同作業提供安全防護，對搬運狀態及周圍環境進行實時監測，數據信息傳入邊緣處理層進行邊緣計算，利用邊緣計算技術實時更新作業現場安全區，減速區及禁止區，預測障礙區碰撞風險，當邊緣處理層發現碰撞風險后，及時向管理層反饋數據，并控制起重機進行自動避讓。該系統功能及特點有：

1）該系統起重機通過通訊網絡實現自動控制，多臺起重機可完成集群協同工作。2）該系統設備遠程監控系統具備邊緣計算能力，實現了數據實時處理、本地預分析，故障實時預警。同時，通過邊緣計算與云端大數據分析協同，實現預測性運維。3）該系統支持PLC程序遠程更新和上下載，具有PLC遠程診斷功能，協助用戶排查故障。4）該系統中的邊緣計算網關可連接攝像頭、支持視頻分析等。5）利用物聯網技術，該系統統一監測物聯設備數、在線設備數、測點變量數、接入網關數、數據消息量等關鍵數據，支持查看物聯設備分布、設備連接趨勢、數據消息趨勢等統計圖表，實現對設備連接情況的全局掌握和統一管控。

4 結論

起重機智聯通訊系統利用自動控制、物聯網、邊緣技術等技術，在智能制造工廠中可實現起重機多機聯動、智能取料、安全防護等功能。在現代工業生產中，可以大大減少勞動力，提高工作生產效率，降低安全事故幾率，該系統可更好地提升起重機的數字化和智能化水平，對制造、物流等行業都有非常大的幫助。