起重机上无线通信技术及应用

刘秀苗

(太原重工股份有限公司 技术中心，山西 太原 030024)

0 引言

起重机作为吊运大重量物品的专用设备之一,在企业生产中的作用无可替代。大多数生产现场都存在着环境较差(高温、粉尘)、工人劳动强度高、效率低、安全可靠性差、维护管理难度大等问题，而传统的人工检修、维护管理模式已很难适应现代企业高效运转的需要。随着工业互联网技术的飞速发展，以及PLC和无线通信网络的应用，推动起重机实现了无人操作、自动运行、主动维护，使起重机的信息管理系统上了一个新的台阶。所有这些功能的实现，都离不开无线通信网络，而无线通信技术是最基本的技术支持。可见，无线通信网络是起重机上运行状态数据传输不可缺少的路径之一。

1 起重机上无线通信应用的必要性

1.1 起重机设备维护需求

起重机是钢铁行业生产流程中不可或缺的关键设备之一，由于其工作环境恶劣，作业工况多变，容易出现问题。起重机能否正常运行直接影响着企业的生产效益，因此用户对起重机械的安全性、可靠性、易维护等要求越来越高，为保证起重机安全、稳定地正常运行，管理维护工作就显得尤为重要。如果对设备运行过程中出现的各种故障或异常情况能够进行及时准确的判断或预测，则可以有效地避免一些故障的发生，或者能够提前指定相应的维修方案，减少设备的维修时间，提高生产效率。由于起重机一般是高空中作业，维修人员每天爬上起重机检查也不太现实，因此需要通过无线通信网络，将起重机上的运行数据传输到地面，为维护人员提供大量有效的设备运行数据。这样地面服务器站或者中控室就能够及时了解起重机上各机构的工作情况，实时监测关键设备的运行状态，使得设备的维护管理工作简单容易得多。

随着国标GB/T 28264—2017《起重机械安全监控管理系统》的发布和执行，起重机管理系统越来越得到全面普及和成熟应用。利用工控机、视频显示系统能够实时获取起重机的运行状态数据和故障报警信息。将起重机上的这些数据全部采集到PLC系统，只需要建立无线通信网络，就可以在地面站轻松掌握起重机上的运行数据。

1.2 智能化的无人天车

随着人工智能、PLC及变频器控制等基础自动化技术以及信息技术的发展，使得起重机无人化成为可能。全自动无人起重机是在传统起重设备机械结构基础上，利用先进电控技术、传感器技术、通信技术等，使起重机无需人工干预，自动完成指定的工作。在这个过程中，起重机需要接收地面发送的任务指令，这就必须通过无线通信技术将数据从地面发送给起重机的PLC控制系统，要求信息传输速度快而且安全可靠，所以智能化的无人天车系统离不开无线通信网络的技术支持。

1.3 集群化的起重机管理

针对同一跨内有多台起重机工作的场合，如物料仓库的智能化天车，无论是人工操作还是自动运行模式，都需要对任务分配的合理性进行充分的考虑，这就需要一个厂房调度指挥系统，发指令给多台起重机，使其协同作业，相互配合，提高生产效率。而厂房调度指挥系统与多台起重机的联络正是通过无线通信网络实现的，将任务指令发送给相应的起重机，方便协调生产调度、远程指挥作业。

2 无线通信技术方案

实现无线通信网络的先决条件是在使用的起重机上都必须配置有PLC，且保证PLC有以太网RJ45接口，才能够实现无线以太网通信。以西门子产品为例，如果PLC使用最新的S7-1500系列，则CPU本身自带Profinet接口(以太网接口RJ45)，可以直接连接网络通信模块；如果使用不带以太网接口的CPU，比如以前的S7-300系列，则可以增加以太网模块CP343-1，这样PLC也可以通过以太网模块上的RJ45接口连接以太网通信模块。其他品牌的PLC系统类似，也必须带有通信接口才能满足以太网通信的要求。

起重机上的信息包括数据信息和视频信息。其中，数据信息即运行状态信息，由PLC采集接收，包括各机构的限位状态、装置运行状态、起重量等；而视频信息，由摄像头采集传回硬盘录像机，包括吊钩的工作状态视频、轨道上是否有障碍物等录像。所有这些数据和录像，都要通过无线通信传输的方式发送给地面服务器。

起重机是一个在厂房区域沿轨道运行的设备，通常起重机上的电气控制屏柜布置在电气梁内，包含PLC、变频器等，而无线移动(发射)客户端天线，需要安装在电气梁的外侧，才能够保证无线发送接收数据安全可靠。

2.1 方案一

方案一使用光缆连接，现场通信网络布置示意图如图1所示。按照目前市场上大多数的用户要求，需要将起重机上的运行数据和视频信息以无线的方式传输到地面，只需监测而不需要参与控制，即不需要发送指令信息到起重机上，通常采用如图1所示的方案。

图1 现场通信网络布置示意图(用光缆连接)

起重机是一个可移动的设备，需要在跨端设置基站AP，无线通信有全向天线和定向滤波天线两种，定向型天线可以增加传输距离、过滤谐波，所以本文选用定向型天线。在起重机上设置客户端AP，如果距离再加大可设置多个AP，那就需要采用网线或光纤将AP连接在一起，然后再连接到地面服务器。无线基站到地面服务器采用光纤连接，该方案由于现场环境存在障碍物，安装布置光缆施工难度大，工期长，小于100 m时可以采用网线。但正是由于使用了光缆，使得无线通信调试简单方便，通信稳定，抗干扰性强。

2.1.1 硬件配置

以西门子产品为例，SCALANCE W工业移动通信解决方案属于无线以太网解决方案的一种，起重机无线通信是SCALANCE W系列产品中一个比较典型的应用。工业无线通信的组成分为无线接入设备、RSMA/N馈线系统和客户端设备三个部分。起重机无线通信解决方案如图2所示。

图2 起重机无线通信解决方案(采用西门子产品)

在每一台起重机上都需要安装客户端设备SCALANCE W734，无线接入设备采用西门子的SCALANCE W786，通过光缆连接地面服务器。起重机在移动过程中会出现无线覆盖区域切换情况，为解决切换过程中信号的延时问题，采用了由SIEMENS公司开发的“工业点协调功能”iPCF，它的使用实现了网络快速漫游。快速漫游是指客户端从一个无线区域快速切换到另一个无线区域的过程，在此过程中，客户端的退出和重新登录过程称为“移交”，“移交”发生得非常快，可以满足通信的实时性要求。

AP1(W786)、AP2(W786)无线接入设备和客户端设备(W734)之间，使用了“iPCF”功能，它的iPCF移交时间降低到50 ms以内，因此可以确保起重机在长距离运行过程中的网络不间断通信。

2.1.2 软件调试

采用西门子Primary Setup Tool工具软件进行调试，PST是设置交换机(包括无线产品)或者管理CP卡地址及设备的工具，可用于为SIMATIC NET网络组件、以太网CP及网关分配地址。进入PST软件，可以设置IP、FTP/TFTP、BOOTP、DHCP、SMTP、SYSLOG等。

起重机通过各自客户端SCALANCE W734的无线网卡与AP通过基础架构方式相连接。使用PST软件可完成SCALANCE W786 IP地址设置等功能，参数设置(西门子产品)如图3所示。

2.2 方案二

AP基站带天线布置在工作跨端头(轨道平面)，称为跨端基站AP，用来接收跨内的起重机信息。在轨道平面上增加一个跨端转网客户端，通过光缆与跨端基站AP相连，它带有天线和光纤信号转换器；通过无线的方式将信号传输到地面AP基站，地面接收基站AP再通过网线或光缆连接到地面服务器。一般地面基站都会设置在中控室附近，如图4所示。

这种方案施工简单，在厂房安装的光缆或网线工程量相对较少，但调试时需要配置AP基站的参数。在厂房环境相对复杂时推荐使用该方案。

图3 参数设置(西门子产品)

图4 现场通信网络布置示意图(用无线连接)

起重机无线通信客户端、跨端基站AP、跨端转网无线客户端、地面基站AP均可以选用TP-LINK厂家的TL-CPE520，这种无线网络的配置性价比高，能够快速传输视频数据，现场应用比较广泛。

3 无线通信4G/5G方案

上述无线通信方案，实现了起重机与地面的无线通信。在此基础上，利用拓展网络，可使起重机具有远程通信的功能。

3.1 手机SIM卡

在起重机的跨端AP上安装网通插卡路由器(如华为B311/B315)和手机SIM(4G/5G)卡，起重机便具有远程通信的功能，起重机上的信息数据就可以通过互联网来访问，而不仅仅局限于厂房区域。通过手机SIM卡接入互联网以后，不论你身在何处，只要能够访问到互联网，就可以通过密码口令认证，访问到起重机上的信息。

3.2 利用现有网络

如果工厂内部有可用的互联网，则厂房的地面服务器可以先连接到工厂网络，再连接到互联网，这样既安全可靠，又方便快捷，性价比高。

扩展应用如图5所示。采用以上两种方式，都可以通过互联网对起重机进行远程访问。管理人员在办公室就可以直接浏览到起重机上数据；调试工程师可以在外地远程访问到起重机上的程序，包括PLC程序代码、安全监控管理程序等，协助现场人员及时处理故障，也可以修改编辑程序、完善功能、重新下载。因此不仅节省了时间成本，而且处理问题迅速及时，间接提高了生产效益。

图5 扩展应用

4 结语

无线通信技术的成功应用是起重机实现远程智能维护的基本条件，能够使得起重机的远程维护更加方便、快捷。而大量信息的采集、存储、分析研究、归纳总结，其主要目的是了解和掌握设备在运行过程中的状态，判断各个机构的零部件是否正常，及早发现故障及其原因，并能预测故障发生的可能性，实施主动维护的健康管理技术手段，从而有效地避免故障的发生，提升起重机运行的安全可靠性。

无线通信技术在起重机上的应用起步较晚，还有很大的开发空间。随着市场用户需求的不断增多，还需要进一步优化方案，在应用中不断提升技术水平，它也是起重机朝智能化方向发展的基础技术支撑。