物聯網技術下的塔機一體化控制系統

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了物聯網技術下的塔機一體化控制系統范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

［摘要］本文針對傳統塔機控制系統主要部件互相獨立、集成化程度不高、不便于管理等缺點，提出了一種基于物聯網技術的塔機一體化控制系統，將塔機的電氣控制系統、安全監控系統、電機、減速機、頂升系統、鋼絲繩、螺栓等各個核心部件高度集成于一體，實現專有模塊不可拆卸，以充分發揮各機構、各部件的協作能力，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；物聯網；集成；一體化控制；智能化；信息化

傳統的塔機控制系統主要由起升機構、回轉機構、變幅機構、頂升機構來執行控制指令，各個機構間沒有關聯性，通常采用不同制造廠商的產品，操作匹配性不高，不利于塔機智能化、信息化的發展。此外，塔機的電控系統和監控系統構成較為分散，各部件相互獨立，無深層次的信息交互，“監”而不“控”仍是目前大多數塔機的現狀；塔機控制系統各項核心技術的開發沒有統一規劃，成本高但可靠性不高，增加了服務人員調試維修的復雜度；配套部件廠家綜合實力不足，產品品質參差不齊，給塔機生產廠家提升電氣控制技術水平造成了障礙。因此，如何對現有的塔機控制系統進行改進，利用物聯網技術將各種重要的零件與傳感器、采集器進行一一匹配，實現專有模塊不可拆卸，以充分發揮各機構、各部件的協作能力，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，對本行業的發展導向具有極其重要的意義。

1塔機一體化控制系統硬件方案設計

以往塔機控制系統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展，人們越來越多地關注塔機電控系統的整機大小、后期維修的便捷性，因此市場上逐漸出現以變頻器+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之間的工業通信總線及部分繼電開關，真正實現硬件集成化的主控中心。塔機一體化控制系統由變頻工藝卡實時讀取來自司機室聯動臺、執行機構、安全監控系統、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行機構、安全監控系統，實現塔機主控中心對整機的控制、監測、數據存儲傳輸、故障診斷、自保護等。同時在大數據云平臺搭載的遠程監控管理平臺實時在線監測，讀取安全監控系統的數據信息，自動監管每次工作循環的數據記錄。若管理人員發現塔司操作異常等情況，可通過遠程下發指令、輸出報警、遠程開/關機等操作進行人為輔助管控。系統設計方案結構如圖1所示。如圖1所示，塔機各主要執行機構部件以變頻工藝卡為中心，通過工業總線、信號線、RS485通訊線接入執行機構、司機室聯動臺、安全監控系統、故障智能診斷的信號。司機室聯動臺信號只作單向接入變頻工藝卡，執行機構、安全監控、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。司機室聯動臺包括起升手柄、回轉/變幅手柄、加節按鈕、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，作為執行信號的接收和執行點，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；安全監控系統包括但不限于重量傳感器、高度傳感器、攝像頭、對話系統等，該系統采集視頻、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據庫（存儲塔機正常運行下的各種數據），通過采集變頻工藝卡信號，與專家數據庫比對進行數據分析，得出故障原因，并輸出至變頻工藝卡；遠程監控管理平臺通過GPRS與安全監控系統通訊實現遠程在線監控、數據上傳服務器、GPS定位、遠程下發指令、開關機等功能。

2塔機一體化控制系統軟件設計

經過對塔機客戶的調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）施工人員違規安拆、監管不到位等。對于后者只能從加大監管力度、提高施工人員的專業素質等方面入手；對于前者可以從設計源頭來防范違規操作和某些意外事件，即集成塔機主要部件不可拆卸。對此，提出了基于物聯網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）與安全監控系統之間、安全監控系統與變頻工藝卡之間。各核心部件通過內置、外置的傳感器或檢測器芯片完成與安全監控系統的信息交互，例如電機溫度監測器、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、私鑰和系統初始密鑰，將公鑰和系統初始密鑰預先下發至各核心部件中，將系統初始密鑰下發至安全監控系統中，自身持有私鑰，由此為各核心部件和安全監控系統分配一個身份ID；每次一體化控制系統上電時，核心部件終端生成一個偽隨機身份ID，經Hash函數計算后先由變頻工藝卡的公鑰加密得到數字簽名1，再使用系統初始密鑰加密，得到該終端的數字簽名2，將數字簽名1和數字簽名2附上偽隨機身份數據一并發送至安全監控系統；安全監控系統接收到消息后，使用系統初始密鑰解密計算數字簽名2，驗證其是否與數字簽名1相等。若不相等，安全監控系統舍棄該條信息；若相等，將該條信息發送至變頻工藝卡；變頻工藝卡接收到消息后，使用私鑰解密數字簽名1，驗證其是否與偽隨機身份數據相等。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據信號。塔機一體化控制系統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、司機室聯動臺、安全監控系統、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，根據運算結果向各個部件輸出相應的執行信號、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；若任一部件出現故障，“人工心臟”將自動檢測，輸出報警，根據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網傳感技術引入數字簽名的身份認證，實現“電控+監控”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控系統通信之間、安全監控系統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不僅從控制邏輯的源頭確保了非專業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控深度融合，實現信息的深度交互，為未來塔機智能化、信息化的轉型發展提供了一種新的思維和視野。

［參考文獻］

［1］GB/T5031-2019.塔式起重機［S］.

［2］GBT28264-2017.起重機械安全監控管理系統［S］.

［3］左黎明，陳蘭蘭.基于身份標識的特殊數字簽名方案及其應用［J］.計算機科學，2020（47）.

［4］陳天惠.塔式起重機電控系統的技術升級與智能管理［J］.工程機械與維修，2017（1）.

［5］闕夢菲，張俊偉，楊超，楊力，馬建峰，崔文璇.物聯網中基于位置的數字簽名方案［J］.計算機研究與發展，2018（7）.

［6］蒙智峰，柴昭一，湯小偉.塔機工藝卡在塔機電控系統中的應用［J］.建筑機械技術與管理，2018（4）.

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