基于5G的風電塔式起重機云監管平臺系統的研究

謝海建

(華電鄭州機械設計研究院有限公司，河南 鄭州 450015)

0 引言

受“3060目標”的影響，中國政府將大規模開發風電，這為風電吊裝行業提供了巨大的發展前景。華電鄭州機械院成功研發了自升式、全自立、無附著式FZQ1650型高塔架風電塔機，能有效滿足2 MW～4 MW、180 m高度的風機安裝需求，填補了國內塔機安裝風機的空白。風電塔機具有噸位大、拆裝頻繁及流動性強的特點，同時吊裝隊伍多為小型安裝施工隊，專業素質低。因此，風電塔機在使用中需要解決設備的安全監管問題和故障處理時效性差的問題。

隨著AI技術的發展，基于振動和視頻的監測對設備健康方面的監視日漸成熟，但數據傳輸量大、時延低，對數據傳輸層要求很高。5G作為新一代的信息通信技術，可有效滿足增強型移動寬帶、大規模物聯網和超高可靠低時延通信三大應用場景的信息傳輸需求。將5G、物聯網云平臺技術應用于起重機械，可提升起重機的安全監管、故障分析及處理能力。

1 云監管平臺系統結構模式

搭建基于云平臺的風電塔機大數據中心，對采集的數據通過物聯網傳輸到云平臺，通過分步計算、對得到的數據進行大數據處理，利用大數據處理技術將各類數據進行快速整合，可實現海量數據的加速處理和實時分析。云監控平臺虛擬化三層架構如圖1所示。

圖1 云監控平臺虛擬化三層架構

為了滿足網絡開放互聯、信息共享和隨處可見的要求，風電塔機云監控系統選用B/S(瀏覽器/服務器)模式。在B/S模式中，用戶客服端不需要其他軟件和配置，直接在瀏覽器上通過URL就能遠程訪問監測系統，并能實現同服務器的應答交互；B/S網絡模式將整個系統的靜態文件與業務程序置于Web服務器層，因此，只需配備一臺能滿足系統安全且穩定運行的服務器，瀏覽器層用戶只需要擁有一臺可聯網PC機或移動的設備即可實現功能。風電塔機云監控系統B/S架構如圖2所示。

圖2 風電塔機云監控系統B/S架構

2 系統總體設計

2.1 系統功能需求分析

不同種類的起重機在結構形式、規格與參數上各有差異，但根據GB/T 28264-2017 《起重機械安全監控管理系統》文件要求，結合自身產品特點和實際需求，風電塔機云監測系統應主要具備以下功能：

(1)系統能對起重機關鍵部件，如減速箱、鋼絲繩卷筒、電機、變頻器、力矩限制器、空氣開關及限位開關等的狀態參數進行實時監測與采集，風電塔機云監測項目如表1所示。

表1 風電塔機云監測項目

(2)系統能對關鍵數據進行存儲和歷史回溯。

(3)系統可遠程診斷分析設備故障，特別是對變頻器故障、減速機振動進行故障分析。

2.2 云監控系統總體設計

風電塔機云平臺監控及診斷分析系統總體設計思路如下：通過5G移動網絡，將風電塔式起重機監測數據存入到阿里云服務器中，并通過在云上布置Web服務器，將狀態參數特征信息推送到瀏覽器端并以數值、圖表、曲線等形式在網頁上呈現。授權用戶登入監控系統頁面，對現場設備的各類數據進行分析及診斷，隨時掌握起重設備的現場工況。風電塔機云監控系統總體結構如圖3所示。

圖3 風電塔機云監控系統總體結構

由圖3可以看出，風電塔機云監控系統主要分為如下3個部分：

(1)數據采集。數據的采集包含兩部分：視頻攝像機和減速機振動傳感器通過Internet網建立起5G網關的連接；PLC做為現地控制器，也可視為邊緣計算器，對風電塔機需要監測的部位進行實時的數據采集、特征提取，將數據通過Internet網建立起同5G DTU模塊的連接。

(2)數據的5G傳輸。利用5G移動網絡，實現風電塔式起重機和阿里云服務器之間的數據無線連接。將中國移動或者中國聯通的SIM卡裝至風電塔機DTU模塊的卡槽，并安裝好GPRS天線，信號穩定后DTU模塊就已經準備好發送數據。DTU模塊發送無線數據被5G基站接收，并最終傳輸至阿里大數據服務中心。

(3)云存儲、監測及故障分析。風電塔機遠程監控系統的數據庫布置在云服務器上，數據庫負責數據的存儲工作，項目存儲的數據概括為以下三類：①風電塔式起重機各個部位的狀態參數；②管理用戶登入數據；③歷史預警信息數據和故障診斷信息等。同時歷史數據保存在數據庫中，需要設定存儲周期，定期清除過期數據及對重要數據進行備份。

3 云端接收數據與存儲

OPC規范定義了一個工業標準，包括一整套接口、屬性和方法的標準集，目的是作為通信驅動接口，允許標準化的讀取和寫入自動化設備上的當前數據。因此，只要控制用的軟件或設備支持OPC，OPC就可以成為各類設備之間進行通信的公用接口。OPC與Active X/COM/DCOM的通訊機制一致，是一種客戶/服務器模式，一個客戶端可以訪問多個服務器，即從多個設備(服務器)中獲取數據。

3.1 云端接收數據與處理程序

在5G DTU模塊內部，已將各個傳感器的地址和數據進行整合，作為一個OPC組態對象進行封裝。因此，在風電塔機云端服務中心，用VB語言開發OPC客戶端，就可以方便地連接多個風電塔機，獲取現場數據。VB程序處理思路：連接OPC Server服務器，建立OPC組，添加OPC標簽，同步讀寫，數據存儲，斷開OPC連接，然后封裝成OPC類模塊。OPC客戶機程序流程如圖4所示。

圖4 OPC客戶機程序流程

3.2 云端數據的存儲

風電塔機遠程監控系統的數據庫布置在云服務器上。用VB開發OPC客戶端，直接讀取5G DTU模塊內部OPC服務器中的數據，利用VB語句定時讀取寫入SQL數據庫，實現數據的云存儲。ADO是一種程序對象，用于表示用戶數據庫中的數據結構和所包含的數據。在VB編輯器中，利用ADO以及ADO的附加組件來創建或修改表和查詢、訪問外部SQL數據庫。

VB用ADO連接SQL Server數據庫，主要代碼如下：

Public Const conn As String ="Provider =SQLOLEDB.1;Password =sa;UserID =sa;Initial Catalog =StudentFiles;Data Source =localhost"

Public Const CONNECT_LOOP_MAX =10′一次執行connect操作，可以訪問數據庫的次數

Private IsConnect As Boolean′標記數據庫是否連接

Private Connect_Num As Integer′標記執行Connect()函數后訪問數據的次數

Private cnn As ADDODB.Connection′連接數據庫的Connect對象

Private re As ADDODB.Recordset′保存結果集的Recordset對象

//連接數據庫

Private Sub Connect()

′如果連接標記為真，則返回。

IF IsConnect =True Then

Exit Sub

End If

Set cnn =New ADODB.Connection′關鍵new用于創建新對象cnn

cnn.ConnectionString =conn

cnn.Open

4 結束語

起重機遠程服務系統對于傳統產業來說是一種增值服務，目前傳統產業已發展到了瓶頸期。作為起重機廠家，要更加關注如何為用戶提供更好的服務和技術支持，這有利于用戶設備的長期安全運行。同時也可以為今后產品的升級改造，甚至新產品的開發提供實際的技術經驗和數據支持。利用5G物聯網技術，將客戶端、數據服務器及Web服務器布置在阿里云主機上，去除了硬件購置成本和日常維護費用，對于中小起重機廠家具有很強的實際應用價值。