物聯(lián)網(wǎng)技術下的塔機一體化控制系統(tǒng)

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［摘要］本文針對傳統(tǒng)塔機控制系統(tǒng)主要部件互相獨立、集成化程度不高、不便于管理等缺點，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的塔機一體化控制系統(tǒng)，將塔機的電氣控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、電機、減速機、頂升系統(tǒng)、鋼絲繩、螺栓等各個核心部件高度集成于一體，實現(xiàn)專有模塊不可拆卸，以充分發(fā)揮各機構、各部件的協(xié)作能力，為塔機綜合管理帶來便利性，提高塔機的智能化、信息化水平。

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

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

1塔機一體化控制系統(tǒng)硬件方案設計

以往塔機控制系統(tǒng)的主控中心通常采用變頻器+PLC的形式，但隨著嵌入式技術的發(fā)展，人們越來越多地關注塔機電控系統(tǒng)的整機大小、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嵌入板卡作為擴展卡插入變頻器的擴展槽，繼而替代PLC來完成控制策略的計算與運行，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，真正實現(xiàn)硬件集成化的主控中心。塔機一體化控制系統(tǒng)由變頻工藝卡實時讀取來自司機室聯(lián)動臺、執(zhí)行機構、安全監(jiān)控系統(tǒng)、故障智能診斷的信號，并通過預置的控制邏輯來計算處理上述信號，將計算得到的驅動信號、處理結果等輸出至執(zhí)行機構、安全監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)塔機主控中心對整機的控制、監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲傳輸、故障診斷、自保護等。同時在大數(shù)據(jù)云平臺搭載的遠程監(jiān)控管理平臺實時在線監(jiān)測，讀取安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，自動監(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，可通過遠程下發(fā)指令、輸出報警、遠程開/關機等操作進行人為輔助管控。系統(tǒng)設計方案結構如圖1所示。如圖1所示，塔機各主要執(zhí)行機構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)行機構、司機室聯(lián)動臺、安全監(jiān)控系統(tǒng)、故障智能診斷的信號。司機室聯(lián)動臺信號只作單向接入變頻工藝卡，執(zhí)行機構、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。司機室聯(lián)動臺包括起升手柄、回轉/變幅手柄、加節(jié)按鈕、啟動按鈕、急停按鈕、復位按鈕等，作為人為判斷操作信號的給出點；執(zhí)行機構包括起升機構、回轉機構、變幅機構、液壓頂升機構，作為執(zhí)行信號的接收和執(zhí)行點，同時將機構的反饋信號例如電機電流、轉速、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、限位開關量、重量模擬量等信號，將信號進行放大、變換、運算、存儲、顯示等操作，并傳輸相應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（存儲塔機正常運行下的各種數(shù)據(jù)），通過采集變頻工藝卡信號，與專家數(shù)據(jù)庫比對進行數(shù)據(jù)分析，得出故障原因，并輸出至變頻工藝卡；遠程監(jiān)控管理平臺通過GPRS與安全監(jiān)控系統(tǒng)通訊實現(xiàn)遠程在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)上傳服務器、GPS定位、遠程下發(fā)指令、開關機等功能。

2塔機一體化控制系統(tǒng)軟件設計

經(jīng)過對塔機客戶的調(diào)研和安全事故的分析得知，塔機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；對于前者可以從設計源頭來防范違規(guī)操作和某些意外事件，即集成塔機主要部件不可拆卸。對此，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)傳感技術的身份認證方案，如圖2所示。如圖2所示，設備身份認證采用雙重數(shù)字簽名的身份認證技術手段，認證過程存在于主要核心部件（電機、減速機、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)分配一個身份ID；每次一體化控制系統(tǒng)上電時，核心部件終端生成一個偽隨機身份ID，經(jīng)Hash函數(shù)計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)初始密鑰解密計算數(shù)字簽名2，驗證其是否與數(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，驗證其是否與偽隨機身份數(shù)據(jù)相等。若不相等，報通訊故障；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。塔機一體化控制系統(tǒng)從三個實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進行邏輯計算，并嵌入至各個變頻器的擴展卡槽，使其自成一體；二是將各個機構、司機室聯(lián)動臺、安全監(jiān)控系統(tǒng)、故障診斷的信號全部接入主控中心，由變頻工藝卡來進行主控邏輯的運算，根據(jù)運算結果向各個部件輸出相應的執(zhí)行信號、報警信號等，使主控中心成為塔機的“人工心臟”，向塔機的各個部位輸送“血液”。若“人工心臟”故障不工作，其他部件也不能正常運行；若任一部件出現(xiàn)故障，“人工心臟”將自動檢測，輸出報警，根據(jù)預設的邏輯限制相應機構的動作或停機；三是依托強大的物聯(lián)網(wǎng)傳感技術引入數(shù)字簽名的身份認證，實現(xiàn)“電控+監(jiān)控”融為一體。身份認證技術應用于塔機電機、減速機、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，實行雙重身份驗證。若有部件被拆換或損壞，主控中心將不能正常工作，實現(xiàn)主要部件不可拆卸的效果。

3結論

本文設計的塔機一體化控制系統(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，還利用身份認證技術將電控和監(jiān)控深度融合，實現(xiàn)信息的深度交互，為未來塔機智能化、信息化的轉型發(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：廣西建工集團建筑機械制造有限責任公司