起重机智联通讯系统

2023-03-27姜健宁张士杰靳少朋崔学强

起重运输机械 2023年3期

姜健宁于乐张士杰靳少朋崔学强

1北京起重运输机械设计研究院有限公司北京 100007 2北京江行联加智能科技有限公司北京 100102

0 引言

工业通讯系统是智能制造车间起重机的神经网络，通过起重机智联通讯系统有效连接底层传感器、执行器及客户上游控制系统。在现阶段的起重车间内，通常只有起重机局部机构的通讯方案，与上位系统间往往只有起重量等简单的数据传递，无法保证智能制造车间起重机的集群协调作业和智能起重机全自动运行的安全、精准、高效。因此，通过建立完善的工业通讯系统，利用物联网信息技术，可实现工业生产全流程要素资源的信息连接，优化生产流程，打通薄弱环节，从而帮助客户实现效率提升、生产力提升、成本下降、利润增长。

1 系统分析

起重机智联通讯系统可分为前端控制层、边缘处理层、数据管理层等3级网络架构，图1为起重机智联通讯系统的网络架构示意图。

图1 起重机智联通讯系统的网络架构示意图

前端控制层由起重机控制器、变频器、触摸屏、称重传感器、旋转编码器、通讯模块、视频监控系统等组成。在智能制造工厂中，每台起重机都根据工艺要求编写程序，自动完成起重机的移动、搬运等动作，通过传感器、摄像头等设备的数据采集，使起重机对周边环境和内部系统具有感知和诊断能力。

每台起重机所使用的控制器为S7-1500，最大传输为128 Byte，传输速度快，且满足实时性要求，可进一步实现起重机的高效控制。控制器与起重机大车、小车和起升变频器做Profinet通讯，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线技术，触摸屏为起重机提供实时状态显示，并与联动台配合完成起重机的就地控制。

视频监控系统使用POE工业交换机，在作业现场布置的摄像头视频信号用以太网方式采集，摄像头均采用POE方式供电，该方式可有效降低供电成本，减少电缆敷设。视频监控系统采集视频之后，在边缘端对视频数据进行深度学习计算，完成对视频的智能化应用，并进行智能化监控。

边缘处理层由1个或多个边缘计算智能网关构成，前端控制层所采集的信息均通过以太网或串口形式接入边缘计算网关，边缘计算网关有多个Lan口和RS232、RS485等工业接口，支持 MQTT、OPC-UA、Modbus、TCP等协议，通过协议转换实现IT与OT的融合。边缘计算网关外界显示器可对采集数据做简单的处理和分析，在人为授权的情况下，根据预置规则对设备进行自动反馈控制。

数据管理层由工控机和服务器构成，上边缘处理层筛选出来的数据上传至数据管理层的服务器，既可通过敷设光纤传输，也可通过5G网络上传云端，数据管理层对设备进行监测、指令控制、数据业务展示和远程在线升级等功能进行综合性管理。

2 系统核心技术

2.1 起重机现场总线通信控制

在智能制造工厂，起重机的控制系统即要随时监控变频器的转速、转矩以及瞬时电流等状态信息，还要对起重机进行防摇、防溜钩等复杂的传动控制，传统的硬线控制变频驱动的方式有较大局限性，除了精度、响应时间、接线复杂等问题，还会受到信号干扰和长距离传输时信号衰减。随着计算机技术、网络技术和自动控制技术的不断发展，现场总线的应用日益广泛，标准化的现场总线具有开发的通信接口，透明的通信协议，允许用户选用不同制造商生产的分散I/O装置和现场设备。现场总线满足了生产过程现场级数据可存取性的重要要求，覆盖了传感器/执行器领域的通信需求，又具有单元级领域的所有网络通信功能。

在智联通讯系统起重机的控制中，大车机构、小车机构、起升机构都采用ACS880变频器，并在其控制模板上增加了通信卡。该卡用于Profinet-PN协议的接口，通过该卡可将变频器与PLC进行Profinet-PN网络通信，ACS880系列变频器同时提供了大量常用现场总线的解决方案，使用其内部的99组功能参数表，通过配置变频器的通用、传动、I/O、监视以及调整控制等参数可最大限度地实现变频器的全部通信控制功能。相比起重机传统的控制方式，利用现场总线技术做通信控制，能有效实现数字量和模拟量的输入/输出模块，智能信号装置和过程调节装置与可编程控制器和工控机之间的数据传输可远程读取起重机驱动装置的各种参数，对设备的工作状态进行实时监控，也可通过变频器实时反馈的状态快速进行复杂的传动控制。

2.2 智能视频分析技术

随着视频监控的飞速发展，传统的视频监控系统由于无法对监控画面进行系统的分析识别，且人工监控难以实现海量视频画面及时、有效地信息处理，大多只能用来进行事后回溯追责使用。因此，基于传统视频监控技术，结合人工智能技术衍生出1种全新技术，即做智能视频分析技术。

智能视频分析技术是1种基于目标行为的智能监控技术，它能将传统摄像头采集到的图像或图像序列与事件描述之间建立映射关系，从而使计算机从大量的视频图像中分辩识别出关键目标的行为，过滤用户不关心的信息，其实质是自动分析和抽取视频源中的关键信息。

将智能视频分析技术引入起重机智联通讯系统的设置中，可通过视频图像对起重机极其环境进行全面的智能化分析，对异常情况及时发起告警，最终可联合现场各类终端设备如传感器等，提供更加精准地设备状态监控，辅助实现全自动化、智能化控制。

2.3 边缘计算技术

随着大量物联网设备在工业领域的应用，数据传输过程会有PB数量级的数据流量。因此，物联网终端与云端（调度端）服务器之间频繁通信时，将导致物联网终端所在网络拥塞，产生响应延迟、数据丢包等问题，且会影响设备控制响应的实时性。

边缘计算技术是由英文 Edge—Computing 翻译而来，其中Edge 指的是数据源和云端数据中心之间的网络资源。边缘计算是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务，其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。边缘计算处于物理实体与工业连接之间，或处于物理实体的顶端。边缘计算技术的核心思想是在距离数据源最近的位置来计算，在数据源的网络边缘侧进行网络融合、数据计算及存储，为用户提供了边缘化、快速化以及智能化打开方式。边缘计算的主要优势有：

1）连接成本低、安全性高边缘计算允许公司从源头过滤数据，而不是在中央数据中心过滤数据。这样可以减少公司在设备与云之间传递敏感信息的机会，从而更好地保护公司及其客户的安全。另外，减少数据移动消除了对存储的需求，降低了成本。

2）速度更快云使用的所有原始信息都通过边缘设备收集，这些边缘设备将数据收集并发送给它，边缘设备仅在发送原始信息和从云接收已处理信息方面起着有限的作用，但发生的交换只能与允许时间延迟的应用程序一起使用。因此，边缘计算以较低的延迟提供了更好的速度，从而提供了在源头附近解释输入数据的机会。这为需要实时服务的应用程序提供了更大的范围。

3）可拓展、可靠通过配置具有足够计算能力的设备扩展边缘网络，用户无需为其数据需求建立自己的私有或集中式数据中心，所有边缘数据中心和物联网设备都位于用户附近，故网络中断的可能性非常小。

将边缘计算技术引入起重机智联通讯系统的设置中，将应用、服务和数据部署在分布式的物联网边缘节点中，将大部分计算任务下放到边缘节点的服务器，以满足业务对高实时性的需求，同时避免大数量、多频次的与调度端服务器进行数据交互而导致的通信传输堵塞，调动边缘节点内用户侧物联网终端，实现多种实时信息的互动，实现整体的敏捷优化控制，对起重机智联通讯系统运行安全性的提升起到重要的促进作用。

边缘计算层的业务功能有 3 个方面。①设备运行数据接入，对参与边缘计算节点内设备运行状况进行分析；②边缘计算节点内设备运行状态分析功能，根据设备运行监测数据，分析参与可调节的设备，为下一步边缘计算节点内调度提供控制依据；③边缘计算节点内控制功能，当监测到各终端运行状态后，根据其实时运行状态，通过对具备可调设备进行控制实现各设备间的协同优化。

2.4 物联网构建工业通讯网络

物联网是指通过各种信息传感设备实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，按原约定的协议将任何物品与互联网相联进行信息交换和通讯，实现设备模板的定义与配置，快速实现设备接入，对设备信息、网关配置、测点变量等进行统一管理。重点解决工业现场设备复杂异构协议的数据转换和标准化接入，同时对工业数据接入安全进行保护和验证。

1）现场数据采集现场设备的数据采集与协议转换是起重机智联通讯系统的基础，随着工业互联网技术发展推进，边缘侧数据采集逐步推进接口方式和协议规范的标准化，基于标准以太网通讯，通过统一的数据协议格式MQTT、OPC-UA、Modbus、TCP等实现设备数据采集。同时，边缘计算技术的发展也为起重机数据采集、数据处理提供了更丰富的工具和技术手段，智能制造工厂内的起重机可通过控制系统接口、边缘网关、边缘计算节点等方式实现设备数据集成。

边缘网关作为轻量级边缘节点，可放置在设备现场附近，部署灵活，主要以协议转换、数据上报为主。边缘平台以X86架构服务器为主，具备较高的计算能力以及独立运行能力，能够实现设备数据采集、规则判断、报警通知等功能，可满足工厂规模内的设备采集、处理、展现需求。

该通讯系统面向设备接入的复杂场景，工业物联网平台支持边缘网关、边缘平台等多种底层接入方案，通过边缘侧协议转换和处理实现数据格式的标准化和归一化采集，可匹配不同条件下的设备位置、网络情况、数据规模、协议特性等产生的复杂接入要求。

2）定义标准协议在智能制造工厂内设备协议纷繁多样，在物理通讯、协议接口层面具备复杂性、异构性等特点，起重机智联通讯系统通过定义标准化数据通讯协议实现接入协议标准化、统一化，能够解决数据采集过程中设备种类众多、设备或网关的私有协议多种多样、标准不统一等问题，应简化复杂的工业现场设备数据接入和解析工作。

起重机智联通讯系统协议主要支持MQTT协议、OPC-UA协议、Modbus协议等，通过统一数据采集服务，基于标准协议建立设备连接，从而实现对包括智能设备、网关、非智能设备等的灵活、快速接入能力。

3 系统功能及特点

在智能制造工厂中，起重机智联通讯系统借助自动化、信息、互联网等技术对智能制作工厂内的每台起重机进行一对一通讯。各起重机可分别实现就地独立控制，也可实现工厂内起重机集群协调工作。根据生产要求，多台起重机需要紧密进行协同作业时，通过视频探测技术对物料信息及分布进行扫描识别，管理层在接受数据信息的同时应按照工艺要求对车间内起重机进行任务调度，发布自动运行指令，起重机随即前往取物地点完成物料的入库、出库、倒库等一系列复杂的工序。

在整个搬运过程中，当多台起重机同时工作时，常常会出现交叉工作区，厂内视频监控系统及传感设备为起重机协同作业提供安全防护，对搬运状态及周围环境进行实时监测，数据信息传入边缘处理层进行边缘计算，利用边缘计算技术实时更新作业现场安全区，减速区及禁止区，预测障碍区碰撞风险，当边缘处理层发现碰撞风险后，及时向管理层反馈数据，并控制起重机进行自动避让。该系统功能及特点有：

1）该系统起重机通过通讯网络实现自动控制，多台起重机可完成集群协同工作。2）该系统设备远程监控系统具备边缘计算能力，实现了数据实时处理、本地预分析，故障实时预警。同时，通过边缘计算与云端大数据分析协同，实现预测性运维。3）该系统支持PLC程序远程更新和上下载，具有PLC远程诊断功能，协助用户排查故障。4）该系统中的边缘计算网关可连接摄像头、支持视频分析等。5）利用物联网技术，该系统统一监测物联设备数、在线设备数、测点变量数、接入网关数、数据消息量等关键数据，支持查看物联设备分布、设备连接趋势、数据消息趋势等统计图表，实现对设备连接情况的全局掌握和统一管控。