基于5G网络的起重机集中控制系统*

王鸿儒

(太原重工 技术中心，山西 太原 030024)

0 引言

起重机是冶金行业重要的物流设备，无论是在炼钢车间还是成品库起重机都起着至关重要的作用[1]。传统起重机司机需要高空作业、持证上岗，由一个起重机司机操作一台起重机的传统生产模式，对起重机司机的要求较高且生产效率难以提升。通过借鉴港口起重机多对多的操作生产经验，对传统起重机进行智能化升级，充分利用无线网络、音视频系统、自动化控制以及调度算法等先进技术，可以实现在集控室对生产范围内的所有起重机进行控制和管理的功能[2]。

很多生产车间跨度较大，起重机行走范围较远，采用无线网络连接集控室和起重机是更合理的解决方案。但由于起重机采用集中控制模式后操作人员需要通过音视频系统监控生产过程，从而对网络传输性能要求较高。与此同时，由于控制信号由地面控制中心传向现场多台起重机，如果起重机在工艺动作过程中丢失控制信号，可能会造成重大影响。这些都对整个网络系统提出了更高性能、更稳定的要求。针对这些需求和难点，充分发挥5G网络速度快、延时低、稳定性强的优势构建起重机集中控制系统，可以充分满足起重行业未来的各种需求。

1 起重机集中控制系统架构

起重机集中控制系统需要充分考虑现场的各类因素，一方面尽可能还原操作人员在现场的视听感观，确保远程操作的安全性；另一方面充分利用自动化技术提升起重机运行自动化程度，减轻操作人员负担。针对生产现场其他可能发生的安全问题也要有充分的考量，合理利用现有检测技术和控制手段，结合现场生产经验建立的起重机集中控制系统架构如图1所示。

图1 起重机集中控制系统架构

集中调度系统主要实现集中控制的任务分配和设备管理等功能，它能够在接收上级系统下发工作任务的同时，允许操作员手动设定修改当前任务，还可以将新任务分配给当前空闲的操作台和操作员，保证任务的高效执行。安全策略主要负责起重机运行过程中可能遇到的各类特殊情况，进行相应的安全处理，保证系统稳定运行。

远程控制系统主要实现远程操作起重机所需的各类控制交互等功能，通过操作模式的选择，可以根据各种工况在手动、半自动、自动操作模式之间灵活切换。完善的报警系统可以对现场发生的情况进行反馈，使操作人员可以有效地了解起重机运行的周边环境。智能人机交互功能包含语音交互、语音对讲、面部识别认证等功能，进一步提升操作人员的操作体验。

远程监测系统主要实现起重机运行状态和周围环境的实时监测功能，视频监测系统主要包含起重机行走视频监控、吊钩视频监控、轨道异物监测、电气室火灾监测等内容。声音监测包含司机室异响监测、轨道异响监测等内容。音视频系统可以给操作员提供亲临现场的操作感受，保证生产过程的稳定运行。人员定位是指通过UWB(Ultra Wide Band，超带宽)系统获取车间工作人员位置，确保人员和起重机工作互不影响。

控制系统是起重机稳定运行的基础，主要完成起重机自动控制过程，包含PLC控制、变频运动控制、防摇摆系统、三维定位、防碰撞和一键巡航等功能。

2 集中控制系统中的5G网络应用

传统无线AP(Access Point，接入点)的网络结构难以满足起重机集中控制的需求，在AP与AP衔接处切换无线网络接入点经常会造成控制信号丢失、视频信号卡顿等问题，从而影响远程操作的功能实现。波导管作为港口常用的无线网络传输方式，带宽与无线AP模式相似，但在大流量视频信号传输需求时存在带宽瓶颈。随着5G技术应用的不断推广，智能起重机5G网络方案逐渐成熟。智能起重机5G网络架构如图2所示。

图2 智能起重机5G网络架构

使用工业级CPE(Customer Premise Equipment，客户前置设备)模组可以灵活地将起重机及其他设备接入5G网络。每台起重机的信号通过5G基站传递至MEC服务器，再传递至集中控制调度中心，从而实现生产车间地面系统与各起重机的信息互通。5G网络解决方案可以将音视频信号、控制信号等内容进行流畅传递，确保起重机集中控制系统的安全稳定运行。

3 起重机安全策略

起重机作为特种设备，安全性是集中控制系统最重要的考核内容。集中控制系统需要根据用户的使用情况，对可能存在的安全问题进行全方位考虑。根据现场可能出现的安全事件，集中控制系统将可能存在的安全事件划分为不同等级。针对不同等级的安全事件采取不同的应对办法，从而保护人员、设备不受损失，安全等级划分如图3所示。

图3 起重机集中控制系统安全等级划分

安全事件由轻至重分为四个等级。第Ⅰ级为较为轻度的预警事件，采用安全响应为报警提示，在当前任务执行结束后或定期检查时对报警问题进行处理。第Ⅱ级为影响起重机正常运行的功能缺失事件，采用安全响应为报警提示并对控制程序进行相应联锁阻止部分操作功能，以防止起重机带病工作而造成损失。第Ⅲ级为起重机运行过程中发生的异常事件，采用安全响应为报警并正常停车，要求维护人员对异常事件进行确认并处理。第Ⅳ级为起重机运行过程中发生的突发事件，采用安全响应为报警并紧急停车，此类事件需生产车间立即对突发情况做出响应，防止发生重大生产事故。

4 结语

伴随着智能化技术的不断发展，起重机智能化水平也在快速提高，今后起重机全自动运行的场景将会逐步增多。在人工智能技术的加持下，起重机还将能够自主处理突发问题、诊断故障并进行故障恢复。随着智能起重机运行工作效率的进一步提升，势必将为中国起重行业带来新一轮的发展动力。