基于5G網(wǎng)絡(luò)的起重機(jī)集中控制系統(tǒng)*

王鴻儒

(太原重工 技術(shù)中心，山西 太原 030024)

0 引言

起重機(jī)是冶金行業(yè)重要的物流設(shè)備，無論是在煉鋼車間還是成品庫起重機(jī)都起著至關(guān)重要的作用[1]。傳統(tǒng)起重機(jī)司機(jī)需要高空作業(yè)、持證上崗，由一個(gè)起重機(jī)司機(jī)操作一臺(tái)起重機(jī)的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，對起重機(jī)司機(jī)的要求較高且生產(chǎn)效率難以提升。通過借鑒港口起重機(jī)多對多的操作生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對傳統(tǒng)起重機(jī)進(jìn)行智能化升級(jí)，充分利用無線網(wǎng)絡(luò)、音視頻系統(tǒng)、自動(dòng)化控制以及調(diào)度算法等先進(jìn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在集控室對生產(chǎn)范圍內(nèi)的所有起重機(jī)進(jìn)行控制和管理的功能[2]。

很多生產(chǎn)車間跨度較大，起重機(jī)行走范圍較遠(yuǎn)，采用無線網(wǎng)絡(luò)連接集控室和起重機(jī)是更合理的解決方案。但由于起重機(jī)采用集中控制模式后操作人員需要通過音視頻系統(tǒng)監(jiān)控生產(chǎn)過程，從而對網(wǎng)絡(luò)傳輸性能要求較高。與此同時(shí)，由于控制信號(hào)由地面控制中心傳向現(xiàn)場多臺(tái)起重機(jī)，如果起重機(jī)在工藝動(dòng)作過程中丟失控制信號(hào)，可能會(huì)造成重大影響。這些都對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提出了更高性能、更穩(wěn)定的要求。針對這些需求和難點(diǎn)，充分發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)速度快、延時(shí)低、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢構(gòu)建起重機(jī)集中控制系統(tǒng)，可以充分滿足起重行業(yè)未來的各種需求。

1 起重機(jī)集中控制系統(tǒng)架構(gòu)

起重機(jī)集中控制系統(tǒng)需要充分考慮現(xiàn)場的各類因素，一方面盡可能還原操作人員在現(xiàn)場的視聽感觀，確保遠(yuǎn)程操作的安全性；另一方面充分利用自動(dòng)化技術(shù)提升起重機(jī)運(yùn)行自動(dòng)化程度，減輕操作人員負(fù)擔(dān)。針對生產(chǎn)現(xiàn)場其他可能發(fā)生的安全問題也要有充分的考量，合理利用現(xiàn)有檢測技術(shù)和控制手段，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)建立的起重機(jī)集中控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 起重機(jī)集中控制系統(tǒng)架構(gòu)

集中調(diào)度系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)集中控制的任務(wù)分配和設(shè)備管理等功能，它能夠在接收上級(jí)系統(tǒng)下發(fā)工作任務(wù)的同時(shí)，允許操作員手動(dòng)設(shè)定修改當(dāng)前任務(wù)，還可以將新任務(wù)分配給當(dāng)前空閑的操作臺(tái)和操作員，保證任務(wù)的高效執(zhí)行。安全策略主要負(fù)責(zé)起重機(jī)運(yùn)行過程中可能遇到的各類特殊情況，進(jìn)行相應(yīng)的安全處理，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作起重機(jī)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(jù)各種工況在手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)操作模式之間靈活切換。完善的報(bào)警系統(tǒng)可以對現(xiàn)場發(fā)生的情況進(jìn)行反饋，使操作人員可以有效地了解起重機(jī)運(yùn)行的周邊環(huán)境。智能人機(jī)交互功能包含語音交互、語音對講、面部識(shí)別認(rèn)證等功能，進(jìn)一步提升操作人員的操作體驗(yàn)。

遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，視頻監(jiān)測系統(tǒng)主要包含起重機(jī)行走視頻監(jiān)控、吊鉤視頻監(jiān)控、軌道異物監(jiān)測、電氣室火災(zāi)監(jiān)測等內(nèi)容。聲音監(jiān)測包含司機(jī)室異響監(jiān)測、軌道異響監(jiān)測等內(nèi)容。音視頻系統(tǒng)可以給操作員提供親臨現(xiàn)場的操作感受，保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運(yùn)行。人員定位是指通過UWB(Ultra Wide Band，超帶寬)系統(tǒng)獲取車間工作人員位置，確保人員和起重機(jī)工作互不影響。

控制系統(tǒng)是起重機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，主要完成起重機(jī)自動(dòng)控制過程，包含PLC控制、變頻運(yùn)動(dòng)控制、防搖擺系統(tǒng)、三維定位、防碰撞和一鍵巡航等功能。

2 集中控制系統(tǒng)中的5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

傳統(tǒng)無線AP(Access Point，接入點(diǎn))的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)難以滿足起重機(jī)集中控制的需求，在AP與AP銜接處切換無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)經(jīng)常會(huì)造成控制信號(hào)丟失、視頻信號(hào)卡頓等問題，從而影響遠(yuǎn)程操作的功能實(shí)現(xiàn)。波導(dǎo)管作為港口常用的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，帶寬與無線AP模式相似，但在大流量視頻信號(hào)傳輸需求時(shí)存在帶寬瓶頸。隨著5G技術(shù)應(yīng)用的不斷推廣，智能起重機(jī)5G網(wǎng)絡(luò)方案逐漸成熟。智能起重機(jī)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能起重機(jī)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

使用工業(yè)級(jí)CPE(Customer Premise Equipment，客戶前置設(shè)備)模組可以靈活地將起重機(jī)及其他設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)。每臺(tái)起重機(jī)的信號(hào)通過5G基站傳遞至MEC服務(wù)器，再傳遞至集中控制調(diào)度中心，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間地面系統(tǒng)與各起重機(jī)的信息互通。5G網(wǎng)絡(luò)解決方案可以將音視頻信號(hào)、控制信號(hào)等內(nèi)容進(jìn)行流暢傳遞，確保起重機(jī)集中控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 起重機(jī)安全策略

起重機(jī)作為特種設(shè)備，安全性是集中控制系統(tǒng)最重要的考核內(nèi)容。集中控制系統(tǒng)需要根據(jù)用戶的使用情況，對可能存在的安全問題進(jìn)行全方位考慮。根據(jù)現(xiàn)場可能出現(xiàn)的安全事件，集中控制系統(tǒng)將可能存在的安全事件劃分為不同等級(jí)。針對不同等級(jí)的安全事件采取不同的應(yīng)對辦法，從而保護(hù)人員、設(shè)備不受損失，安全等級(jí)劃分如圖3所示。

圖3 起重機(jī)集中控制系統(tǒng)安全等級(jí)劃分

安全事件由輕至重分為四個(gè)等級(jí)。第Ⅰ級(jí)為較為輕度的預(yù)警事件，采用安全響應(yīng)為報(bào)警提示，在當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后或定期檢查時(shí)對報(bào)警問題進(jìn)行處理。第Ⅱ級(jí)為影響起重機(jī)正常運(yùn)行的功能缺失事件，采用安全響應(yīng)為報(bào)警提示并對控制程序進(jìn)行相應(yīng)聯(lián)鎖阻止部分操作功能，以防止起重機(jī)帶病工作而造成損失。第Ⅲ級(jí)為起重機(jī)運(yùn)行過程中發(fā)生的異常事件，采用安全響應(yīng)為報(bào)警并正常停車，要求維護(hù)人員對異常事件進(jìn)行確認(rèn)并處理。第Ⅳ級(jí)為起重機(jī)運(yùn)行過程中發(fā)生的突發(fā)事件，采用安全響應(yīng)為報(bào)警并緊急停車，此類事件需生產(chǎn)車間立即對突發(fā)情況做出響應(yīng)，防止發(fā)生重大生產(chǎn)事故。

4 結(jié)語

伴隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，起重機(jī)智能化水平也在快速提高，今后起重機(jī)全自動(dòng)運(yùn)行的場景將會(huì)逐步增多。在人工智能技術(shù)的加持下，起重機(jī)還將能夠自主處理突發(fā)問題、診斷故障并進(jìn)行故障恢復(fù)。隨著智能起重機(jī)運(yùn)行工作效率的進(jìn)一步提升，勢必將為中國起重行業(yè)帶來新一輪的發(fā)展動(dòng)力。