基于5G的风电塔式起重机云监管平台系统的研究

谢海建

(华电郑州机械设计研究院有限公司，河南 郑州 450015)

0 引言

受“3060目标”的影响，中国政府将大规模开发风电，这为风电吊装行业提供了巨大的发展前景。华电郑州机械院成功研发了自升式、全自立、无附着式FZQ1650型高塔架风电塔机，能有效满足2 MW～4 MW、180 m高度的风机安装需求，填补了国内塔机安装风机的空白。风电塔机具有吨位大、拆装频繁及流动性强的特点，同时吊装队伍多为小型安装施工队，专业素质低。因此，风电塔机在使用中需要解决设备的安全监管问题和故障处理时效性差的问题。

随着AI技术的发展，基于振动和视频的监测对设备健康方面的监视日渐成熟，但数据传输量大、时延低，对数据传输层要求很高。5G作为新一代的信息通信技术，可有效满足增强型移动宽带、大规模物联网和超高可靠低时延通信三大应用场景的信息传输需求。将5G、物联网云平台技术应用于起重机械，可提升起重机的安全监管、故障分析及处理能力。

1 云监管平台系统结构模式

搭建基于云平台的风电塔机大数据中心，对采集的数据通过物联网传输到云平台，通过分步计算、对得到的数据进行大数据处理，利用大数据处理技术将各类数据进行快速整合，可实现海量数据的加速处理和实时分析。云监控平台虚拟化三层架构如图1所示。

图1 云监控平台虚拟化三层架构

为了满足网络开放互联、信息共享和随处可见的要求，风电塔机云监控系统选用B/S(浏览器/服务器)模式。在B/S模式中，用户客服端不需要其他软件和配置，直接在浏览器上通过URL就能远程访问监测系统，并能实现同服务器的应答交互；B/S网络模式将整个系统的静态文件与业务程序置于Web服务器层，因此，只需配备一台能满足系统安全且稳定运行的服务器，浏览器层用户只需要拥有一台可联网PC机或移动的设备即可实现功能。风电塔机云监控系统B/S架构如图2所示。

图2 风电塔机云监控系统B/S架构

2 系统总体设计

2.1 系统功能需求分析

不同种类的起重机在结构形式、规格与参数上各有差异，但根据GB/T 28264-2017 《起重机械安全监控管理系统》文件要求，结合自身产品特点和实际需求，风电塔机云监测系统应主要具备以下功能：

(1)系统能对起重机关键部件，如减速箱、钢丝绳卷筒、电机、变频器、力矩限制器、空气开关及限位开关等的状态参数进行实时监测与采集，风电塔机云监测项目如表1所示。

表1 风电塔机云监测项目

(2)系统能对关键数据进行存储和历史回溯。

(3)系统可远程诊断分析设备故障，特别是对变频器故障、减速机振动进行故障分析。

2.2 云监控系统总体设计

风电塔机云平台监控及诊断分析系统总体设计思路如下：通过5G移动网络，将风电塔式起重机监测数据存入到阿里云服务器中，并通过在云上布置Web服务器，将状态参数特征信息推送到浏览器端并以数值、图表、曲线等形式在网页上呈现。授权用户登入监控系统页面，对现场设备的各类数据进行分析及诊断，随时掌握起重设备的现场工况。风电塔机云监控系统总体结构如图3所示。

图3 风电塔机云监控系统总体结构

由图3可以看出，风电塔机云监控系统主要分为如下3个部分：

(1)数据采集。数据的采集包含两部分：视频摄像机和减速机振动传感器通过Internet网建立起5G网关的连接；PLC做为现地控制器，也可视为边缘计算器，对风电塔机需要监测的部位进行实时的数据采集、特征提取，将数据通过Internet网建立起同5G DTU模块的连接。

(2)数据的5G传输。利用5G移动网络，实现风电塔式起重机和阿里云服务器之间的数据无线连接。将中国移动或者中国联通的SIM卡装至风电塔机DTU模块的卡槽，并安装好GPRS天线，信号稳定后DTU模块就已经准备好发送数据。DTU模块发送无线数据被5G基站接收，并最终传输至阿里大数据服务中心。

(3)云存储、监测及故障分析。风电塔机远程监控系统的数据库布置在云服务器上，数据库负责数据的存储工作，项目存储的数据概括为以下三类：①风电塔式起重机各个部位的状态参数；②管理用户登入数据；③历史预警信息数据和故障诊断信息等。同时历史数据保存在数据库中，需要设定存储周期，定期清除过期数据及对重要数据进行备份。

3 云端接收数据与存储

OPC规范定义了一个工业标准，包括一整套接口、属性和方法的标准集，目的是作为通信驱动接口，允许标准化的读取和写入自动化设备上的当前数据。因此，只要控制用的软件或设备支持OPC，OPC就可以成为各类设备之间进行通信的公用接口。OPC与Active X/COM/DCOM的通讯机制一致，是一种客户/服务器模式，一个客户端可以访问多个服务器，即从多个设备(服务器)中获取数据。

3.1 云端接收数据与处理程序

在5G DTU模块内部，已将各个传感器的地址和数据进行整合，作为一个OPC组态对象进行封装。因此，在风电塔机云端服务中心，用VB语言开发OPC客户端，就可以方便地连接多个风电塔机，获取现场数据。VB程序处理思路：连接OPC Server服务器，建立OPC组，添加OPC标签，同步读写，数据存储，断开OPC连接，然后封装成OPC类模块。OPC客户机程序流程如图4所示。

图4 OPC客户机程序流程

3.2 云端数据的存储

风电塔机远程监控系统的数据库布置在云服务器上。用VB开发OPC客户端，直接读取5G DTU模块内部OPC服务器中的数据，利用VB语句定时读取写入SQL数据库，实现数据的云存储。ADO是一种程序对象，用于表示用户数据库中的数据结构和所包含的数据。在VB编辑器中，利用ADO以及ADO的附加组件来创建或修改表和查询、访问外部SQL数据库。

VB用ADO连接SQL Server数据库，主要代码如下：

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

Public Const CONNECT_LOOP_MAX =10′一次执行connect操作，可以访问数据库的次数

Private IsConnect As Boolean′标记数据库是否连接

Private Connect_Num As Integer′标记执行Connect()函数后访问数据的次数

Private cnn As ADDODB.Connection′连接数据库的Connect对象

Private re As ADDODB.Recordset′保存结果集的Recordset对象

//连接数据库

Private Sub Connect()

′如果连接标记为真，则返回。

IF IsConnect =True Then

Exit Sub

End If

Set cnn =New ADODB.Connection′关键new用于创建新对象cnn

cnn.ConnectionString =conn

cnn.Open

4 结束语

起重机远程服务系统对于传统产业来说是一种增值服务，目前传统产业已发展到了瓶颈期。作为起重机厂家，要更加关注如何为用户提供更好的服务和技术支持，这有利于用户设备的长期安全运行。同时也可以为今后产品的升级改造，甚至新产品的开发提供实际的技术经验和数据支持。利用5G物联网技术，将客户端、数据服务器及Web服务器布置在阿里云主机上，去除了硬件购置成本和日常维护费用，对于中小起重机厂家具有很强的实际应用价值。