物联网技术下的塔机一体化控制系统

［摘要］本文针对传统塔机控制系统主要部件互相独立、集成化程度不高、不便于管理等缺点，提出了一种基于物联网技术的塔机一体化控制系统，将塔机的电气控制系统、安全监控系统、电机、减速机、顶升系统、钢丝绳、螺栓等各个核心部件高度集成于一体，实现专有模块不可拆卸，以充分发挥各机构、各部件的协作能力，为塔机综合管理带来便利性，提高塔机的智能化、信息化水平。

［关键词］塔机；物联网；集成；一体化控制；智能化；信息化

传统的塔机控制系统主要由起升机构、回转机构、变幅机构、顶升机构来执行控制指令，各个机构间没有关联性，通常采用不同制造厂商的产品，操作匹配性不高，不利于塔机智能化、信息化的发展。此外，塔机的电控系统和监控系统构成较为分散，各部件相互独立，无深层次的信息交互，“监”而不“控”仍是目前大多数塔机的现状；塔机控制系统各项核心技术的开发没有统一规划，成本高但可靠性不高，增加了服务人员调试维修的复杂度；配套部件厂家综合实力不足，产品品质参差不齐，给塔机生产厂家提升电气控制技术水平造成了障碍。因此，如何对现有的塔机控制系统进行改进，利用物联网技术将各种重要的零件与传感器、采集器进行一一匹配，实现专有模块不可拆卸，以充分发挥各机构、各部件的协作能力，为塔机综合管理带来便利性，提高塔机的智能化、信息化水平，对本行业的发展导向具有极其重要的意义。

1塔机一体化控制系统硬件方案设计

以往塔机控制系统的主控中心通常采用变频器+PLC的形式，但随着嵌入式技术的发展，人们越来越多地关注塔机电控系统的整机大小、后期维修的便捷性，因此市场上逐渐出现以变频器+DSP形式的主控中心，称之为变频工艺卡。该变频工艺卡将DSP嵌入板卡作为扩展卡插入变频器的扩展槽，继而替代PLC来完成控制策略的计算与运行，省去了变频器与PLC之间的工业通信总线及部分继电开关，真正实现硬件集成化的主控中心。塔机一体化控制系统由变频工艺卡实时读取来自司机室联动台、执行机构、安全监控系统、故障智能诊断的信号，并通过预置的控制逻辑来计算处理上述信号，将计算得到的驱动信号、处理结果等输出至执行机构、安全监控系统，实现塔机主控中心对整机的控制、监测、数据存储传输、故障诊断、自保护等。同时在大数据云平台搭载的远程监控管理平台实时在线监测，读取安全监控系统的数据信息，自动监管每次工作循环的数据记录。若管理人员发现塔司操作异常等情况，可通过远程下发指令、输出报警、远程开/关机等操作进行人为辅助管控。系统设计方案结构如图1所示。如图1所示，塔机各主要执行机构部件以变频工艺卡为中心，通过工业总线、信号线、RS485通讯线接入执行机构、司机室联动台、安全监控系统、故障智能诊断的信号。司机室联动台信号只作单向接入变频工艺卡，执行机构、安全监控、故障诊断双向接入变频工艺卡，即既有信号接入，亦有信号输出。司机室联动台包括起升手柄、回转/变幅手柄、加节按钮、启动按钮、急停按钮、复位按钮等，作为人为判断操作信号的给出点；执行机构包括起升机构、回转机构、变幅机构、液压顶升机构，作为执行信号的接收和执行点，同时将机构的反馈信号例如电机电流、转速、顶升油缸压力等信号传输至变频工艺卡；安全监控系统包括但不限于重量传感器、高度传感器、摄像头、对话系统等，该系统采集视频、图片、限位开关量、重量模拟量等信号，将信号进行放大、变换、运算、存储、显示等操作，并传输相应的信号至变频工艺卡；故障智能诊断包含了专家数据库（存储塔机正常运行下的各种数据），通过采集变频工艺卡信号，与专家数据库比对进行数据分析，得出故障原因，并输出至变频工艺卡；远程监控管理平台通过GPRS与安全监控系统通讯实现远程在线监控、数据上传服务器、GPS定位、远程下发指令、开关机等功能。

2塔机一体化控制系统软件设计

经过对塔机客户的调研和安全事故的分析得知，塔机事故主要源于两大类：（1）超载超力矩起吊重物、钢丝绳断裂等；（2）施工人员违规安拆、监管不到位等。对于后者只能从加大监管力度、提高施工人员的专业素质等方面入手；对于前者可以从设计源头来防范违规操作和某些意外事件，即集成塔机主要部件不可拆卸。对此，提出了基于物联网传感技术的身份认证方案，如图2所示。如图2所示，设备身份认证采用双重数字签名的身份认证技术手段，认证过程存在于主要核心部件（电机、减速机、顶升油缸、钢丝绳、螺栓等）与安全监控系统之间、安全监控系统与变频工艺卡之间。各核心部件通过内置、外置的传感器或检测器芯片完成与安全监控系统的信息交互，例如电机温度监测器、钢丝绳检测器、螺栓传感器等。首先变频工艺卡生成自己的公钥、私钥和系统初始密钥，将公钥和系统初始密钥预先下发至各核心部件中，将系统初始密钥下发至安全监控系统中，自身持有私钥，由此为各核心部件和安全监控系统分配一个身份ID；每次一体化控制系统上电时，核心部件终端生成一个伪随机身份ID，经Hash函数计算后先由变频工艺卡的公钥加密得到数字签名1，再使用系统初始密钥加密，得到该终端的数字签名2，将数字签名1和数字签名2附上伪随机身份数据一并发送至安全监控系统；安全监控系统接收到消息后，使用系统初始密钥解密计算数字签名2，验证其是否与数字签名1相等。若不相等，安全监控系统舍弃该条信息；若相等，将该条信息发送至变频工艺卡；变频工艺卡接收到消息后，使用私钥解密数字签名1，验证其是否与伪随机身份数据相等。若不相等，报通讯故障；若相等，正常通讯，等待该部件终端传递采集的数据信号。塔机一体化控制系统从三个实际方面满足了一体化集成的主控中心要求：一是改造以往变频器+PLC的控制处理中心，利用工艺卡替代PLC进行逻辑计算，并嵌入至各个变频器的扩展卡槽，使其自成一体；二是将各个机构、司机室联动台、安全监控系统、故障诊断的信号全部接入主控中心，由变频工艺卡来进行主控逻辑的运算，根据运算结果向各个部件输出相应的执行信号、报警信号等，使主控中心成为塔机的“人工心脏”，向塔机的各个部位输送“血液”。若“人工心脏”故障不工作，其他部件也不能正常运行；若任一部件出现故障，“人工心脏”将自动检测，输出报警，根据预设的逻辑限制相应机构的动作或停机；三是依托强大的物联网传感技术引入数字签名的身份认证，实现“电控+监控”融为一体。身份认证技术应用于塔机电机、减速机、顶升油缸、钢丝绳、螺栓等主要核心部件与安全监控系统通信之间、安全监控系统与变频工艺卡通信之间，实行双重身份验证。若有部件被拆换或损坏，主控中心将不能正常工作，实现主要部件不可拆卸的效果。

3结论

本文设计的塔机一体化控制系统不仅从控制逻辑的源头确保了非专业人员无法屏蔽掉安全装置信号、配件不能随意更换等问题，还利用身份认证技术将电控和监控深度融合，实现信息的深度交互，为未来塔机智能化、信息化的转型发展提供了一种新的思维和视野。

［参考文献］

［1］GB/T5031-2019.塔式起重机［S］.

［2］GBT28264-2017.起重机械安全监控管理系统［S］.

［3］左黎明，陈兰兰.基于身份标识的特殊数字签名方案及其应用［J］.计算机科学，2020（47）.

［4］陈天惠.塔式起重机电控系统的技术升级与智能管理［J］.工程机械与维修，2017（1）.

［5］阙梦菲，张俊伟，杨超，杨力，马建峰，崔文璇.物联网中基于位置的数字签名方案［J］.计算机研究与发展，2018（7）.

［6］蒙智峰，柴昭一，汤小伟.塔机工艺卡在塔机电控系统中的应用［J］.建筑机械技术与管理，2018（4）.

作者：邱方亮 漆大山 陈汉宜 单位：广西建工集团建筑机械制造有限责任公司