物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的塔機(jī)一體化控制系統(tǒng)

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［摘要］本文針對傳統(tǒng)塔機(jī)控制系統(tǒng)主要部件互相獨(dú)立、集成化程度不高、不便于管理等缺點(diǎn)，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的塔機(jī)一體化控制系統(tǒng)，將塔機(jī)的電氣控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、電機(jī)、減速機(jī)、頂升系統(tǒng)、鋼絲繩、螺栓等各個(gè)核心部件高度集成于一體，實(shí)現(xiàn)專有模塊不可拆卸，以充分發(fā)揮各機(jī)構(gòu)、各部件的協(xié)作能力，為塔機(jī)綜合管理帶來便利性，提高塔機(jī)的智能化、信息化水平。

［關(guān)鍵詞］塔機(jī)；物聯(lián)網(wǎng)；集成；一體化控制；智能化；信息化

傳統(tǒng)的塔機(jī)控制系統(tǒng)主要由起升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、頂升機(jī)構(gòu)來執(zhí)行控制指令，各個(gè)機(jī)構(gòu)間沒有關(guān)聯(lián)性，通常采用不同制造廠商的產(chǎn)品，操作匹配性不高，不利于塔機(jī)智能化、信息化的發(fā)展。此外，塔機(jī)的電控系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成較為分散，各部件相互獨(dú)立，無深層次的信息交互，“監(jiān)”而不“控”仍是目前大多數(shù)塔機(jī)的現(xiàn)狀；塔機(jī)控制系統(tǒng)各項(xiàng)核心技術(shù)的開發(fā)沒有統(tǒng)一規(guī)劃，成本高但可靠性不高，增加了服務(wù)人員調(diào)試維修的復(fù)雜度；配套部件廠家綜合實(shí)力不足，產(chǎn)品品質(zhì)參差不齊，給塔機(jī)生產(chǎn)廠家提升電氣控制技術(shù)水平造成了障礙。因此，如何對現(xiàn)有的塔機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各種重要的零件與傳感器、采集器進(jìn)行一一匹配，實(shí)現(xiàn)專有模塊不可拆卸，以充分發(fā)揮各機(jī)構(gòu)、各部件的協(xié)作能力，為塔機(jī)綜合管理帶來便利性，提高塔機(jī)的智能化、信息化水平，對本行業(yè)的發(fā)展導(dǎo)向具有極其重要的意義。

1塔機(jī)一體化控制系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

以往塔機(jī)控制系統(tǒng)的主控中心通常采用變頻器+PLC的形式，但隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，人們越來越多地關(guān)注塔機(jī)電控系統(tǒng)的整機(jī)大小、后期維修的便捷性，因此市場上逐漸出現(xiàn)以變頻器+DSP形式的主控中心，稱之為變頻工藝卡。該變頻工藝卡將DSP嵌入板卡作為擴(kuò)展卡插入變頻器的擴(kuò)展槽，繼而替代PLC來完成控制策略的計(jì)算與運(yùn)行，省去了變頻器與PLC之間的工業(yè)通信總線及部分繼電開關(guān)，真正實(shí)現(xiàn)硬件集成化的主控中心。塔機(jī)一體化控制系統(tǒng)由變頻工藝卡實(shí)時(shí)讀取來自司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、故障智能診斷的信號，并通過預(yù)置的控制邏輯來計(jì)算處理上述信號，將計(jì)算得到的驅(qū)動(dòng)信號、處理結(jié)果等輸出至執(zhí)行機(jī)構(gòu)、安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)塔機(jī)主控中心對整機(jī)的控制、監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲傳輸、故障診斷、自保護(hù)等。同時(shí)在大數(shù)據(jù)云平臺搭載的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，讀取安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，自動(dòng)監(jiān)管每次工作循環(huán)的數(shù)據(jù)記錄。若管理人員發(fā)現(xiàn)塔司操作異常等情況，可通過遠(yuǎn)程下發(fā)指令、輸出報(bào)警、遠(yuǎn)程開/關(guān)機(jī)等操作進(jìn)行人為輔助管控。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。如圖1所示，塔機(jī)各主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)部件以變頻工藝卡為中心，通過工業(yè)總線、信號線、RS485通訊線接入執(zhí)行機(jī)構(gòu)、司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺、安全監(jiān)控系統(tǒng)、故障智能診斷的信號。司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺信號只作單向接入變頻工藝卡，執(zhí)行機(jī)構(gòu)、安全監(jiān)控、故障診斷雙向接入變頻工藝卡，即既有信號接入，亦有信號輸出。司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺包括起升手柄、回轉(zhuǎn)/變幅手柄、加節(jié)按鈕、啟動(dòng)按鈕、急停按鈕、復(fù)位按鈕等，作為人為判斷操作信號的給出點(diǎn)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括起升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、液壓頂升機(jī)構(gòu)，作為執(zhí)行信號的接收和執(zhí)行點(diǎn)，同時(shí)將機(jī)構(gòu)的反饋信號例如電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、頂升油缸壓力等信號傳輸至變頻工藝卡；安全監(jiān)控系統(tǒng)包括但不限于重量傳感器、高度傳感器、攝像頭、對話系統(tǒng)等，該系統(tǒng)采集視頻、圖片、限位開關(guān)量、重量模擬量等信號，將信號進(jìn)行放大、變換、運(yùn)算、存儲、顯示等操作，并傳輸相應(yīng)的信號至變頻工藝卡；故障智能診斷包含了專家數(shù)據(jù)庫（存儲塔機(jī)正常運(yùn)行下的各種數(shù)據(jù)），通過采集變頻工藝卡信號，與專家數(shù)據(jù)庫比對進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出故障原因，并輸出至變頻工藝卡；遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺通過GPRS與安全監(jiān)控系統(tǒng)通訊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器、GPS定位、遠(yuǎn)程下發(fā)指令、開關(guān)機(jī)等功能。

2塔機(jī)一體化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

經(jīng)過對塔機(jī)客戶的調(diào)研和安全事故的分析得知，塔機(jī)事故主要源于兩大類：（1）超載超力矩起吊重物、鋼絲繩斷裂等；（2）施工人員違規(guī)安拆、監(jiān)管不到位等。對于后者只能從加大監(jiān)管力度、提高施工人員的專業(yè)素質(zhì)等方面入手；對于前者可以從設(shè)計(jì)源頭來防范違規(guī)操作和某些意外事件，即集成塔機(jī)主要部件不可拆卸。對此，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)的身份認(rèn)證方案，如圖2所示。如圖2所示，設(shè)備身份認(rèn)證采用雙重?cái)?shù)字簽名的身份認(rèn)證技術(shù)手段，認(rèn)證過程存在于主要核心部件（電機(jī)、減速機(jī)、頂升油缸、鋼絲繩、螺栓等）與安全監(jiān)控系統(tǒng)之間、安全監(jiān)控系統(tǒng)與變頻工藝卡之間。各核心部件通過內(nèi)置、外置的傳感器或檢測器芯片完成與安全監(jiān)控系統(tǒng)的信息交互，例如電機(jī)溫度監(jiān)測器、鋼絲繩檢測器、螺栓傳感器等。首先變頻工藝卡生成自己的公鑰、私鑰和系統(tǒng)初始密鑰，將公鑰和系統(tǒng)初始密鑰預(yù)先下發(fā)至各核心部件中，將系統(tǒng)初始密鑰下發(fā)至安全監(jiān)控系統(tǒng)中，自身持有私鑰，由此為各核心部件和安全監(jiān)控系統(tǒng)分配一個(gè)身份ID；每次一體化控制系統(tǒng)上電時(shí)，核心部件終端生成一個(gè)偽隨機(jī)身份ID，經(jīng)Hash函數(shù)計(jì)算后先由變頻工藝卡的公鑰加密得到數(shù)字簽名1，再使用系統(tǒng)初始密鑰加密，得到該終端的數(shù)字簽名2，將數(shù)字簽名1和數(shù)字簽名2附上偽隨機(jī)身份數(shù)據(jù)一并發(fā)送至安全監(jiān)控系統(tǒng)；安全監(jiān)控系統(tǒng)接收到消息后，使用系統(tǒng)初始密鑰解密計(jì)算數(shù)字簽名2，驗(yàn)證其是否與數(shù)字簽名1相等。若不相等，安全監(jiān)控系統(tǒng)舍棄該條信息；若相等，將該條信息發(fā)送至變頻工藝卡；變頻工藝卡接收到消息后，使用私鑰解密數(shù)字簽名1，驗(yàn)證其是否與偽隨機(jī)身份數(shù)據(jù)相等。若不相等，報(bào)通訊故障；若相等，正常通訊，等待該部件終端傳遞采集的數(shù)據(jù)信號。塔機(jī)一體化控制系統(tǒng)從三個(gè)實(shí)際方面滿足了一體化集成的主控中心要求：一是改造以往變頻器+PLC的控制處理中心，利用工藝卡替代PLC進(jìn)行邏輯計(jì)算，并嵌入至各個(gè)變頻器的擴(kuò)展卡槽，使其自成一體；二是將各個(gè)機(jī)構(gòu)、司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺、安全監(jiān)控系統(tǒng)、故障診斷的信號全部接入主控中心，由變頻工藝卡來進(jìn)行主控邏輯的運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果向各個(gè)部件輸出相應(yīng)的執(zhí)行信號、報(bào)警信號等，使主控中心成為塔機(jī)的“人工心臟”，向塔機(jī)的各個(gè)部位輸送“血液”。若“人工心臟”故障不工作，其他部件也不能正常運(yùn)行；若任一部件出現(xiàn)故障，“人工心臟”將自動(dòng)檢測，輸出報(bào)警，根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯限制相應(yīng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作或停機(jī)；三是依托強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)引入數(shù)字簽名的身份認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)“電控+監(jiān)控”融為一體。身份認(rèn)證技術(shù)應(yīng)用于塔機(jī)電機(jī)、減速機(jī)、頂升油缸、鋼絲繩、螺栓等主要核心部件與安全監(jiān)控系統(tǒng)通信之間、安全監(jiān)控系統(tǒng)與變頻工藝卡通信之間，實(shí)行雙重身份驗(yàn)證。若有部件被拆換或損壞，主控中心將不能正常工作，實(shí)現(xiàn)主要部件不可拆卸的效果。

3結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的塔機(jī)一體化控制系統(tǒng)不僅從控制邏輯的源頭確保了非專業(yè)人員無法屏蔽掉安全裝置信號、配件不能隨意更換等問題，還利用身份認(rèn)證技術(shù)將電控和監(jiān)控深度融合，實(shí)現(xiàn)信息的深度交互，為未來塔機(jī)智能化、信息化的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了一種新的思維和視野。

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作者：邱方亮 漆大山 陳漢宜 單位：廣西建工集團(tuán)建筑機(jī)械制造有限責(zé)任公司