塔式起重機防碰撞通訊關(guān)鍵技術(shù)研究

王興權(quán)王 勇羅建國 侯明健

1.赤峰市特種設(shè)備檢驗所 內(nèi)蒙古赤峰 024000；2.蘇州安至上機電科技有限公司 江蘇蘇州 215500

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的逐漸加大,塔式起重機作為現(xiàn)代化建設(shè)施工過程中必不可少的工具,已經(jīng)成為施工企業(yè)的重要裝備之一。在實際現(xiàn)場環(huán)境中,常會由于人為操作問題導致塔機碰撞,從而引發(fā)嚴重的特種設(shè)備安全事故。但是由于現(xiàn)有的監(jiān)控手段比較落后,不能夠及時、準確的預警隱患、提示風險。在這種背景下,市場上出現(xiàn)了塔機防碰撞系統(tǒng),在防碰撞系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)傳輸作為群塔間數(shù)據(jù)交換的重要部分,其工作速度的快慢、準確性、穩(wěn)定性、范圍性、可擴展性將直接影響到整個防碰撞系統(tǒng)的可靠性。本文將針對防碰撞系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)傳輸方式進行探討。

1 常用無線組網(wǎng)方式介紹

工地現(xiàn)場由于塔機復雜的高空作業(yè)環(huán)境,對于有線網(wǎng)絡(luò)的布線工程極為不便。而且采用有線通訊方式的施工周期過長,成本高,導致在防碰撞系統(tǒng)中一般不采用有線通訊方式。現(xiàn)場宜采用無線組網(wǎng)的方式來解決防碰撞系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸問題。目前無線組網(wǎng)的方式包括無線數(shù)傳電臺、DTU、藍牙、超高頻RFID、ZIGBEE、WIFI等。

1.1 無線數(shù)傳電臺

無線數(shù)傳電臺是數(shù)字式無線數(shù)據(jù)傳輸電臺的簡稱,即采用數(shù)字信號處理、數(shù)字調(diào)制解調(diào),具有前向糾錯、均衡軟判斷等功能的無線數(shù)據(jù)傳輸電臺,傳輸范圍可以達到50km。利用無線數(shù)據(jù)電臺構(gòu)建的專用網(wǎng)絡(luò),可以實現(xiàn)點對點或者點對多的數(shù)據(jù)傳輸,具有數(shù)據(jù)傳輸實時性好、專屬數(shù)據(jù)傳輸通道、適用于惡劣環(huán)境、穩(wěn)定性好等特點。但是在同一頻點上,有且只能有1臺設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù),在點對多的情況下需要采用輪詢方式,實時性降低,網(wǎng)絡(luò)容量有限。

1.2 DTU

DTU是專門用于串口數(shù)據(jù)和IP數(shù)據(jù)交換,并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳送的無線終端設(shè)備。DTU利用了當今社會廣泛使用的通訊網(wǎng)絡(luò),技術(shù)成熟,覆蓋面廣,故使用DTU方式組成的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)傳輸快、覆蓋范圍廣的特點。但是DTU受限于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),容易出現(xiàn)掉線、死機等情況。無線通訊網(wǎng)絡(luò)作為一個開放的系統(tǒng),容易受到黑客的攻擊,安全性較差。DTU所使用的無線通訊網(wǎng)絡(luò)是按照流量繼續(xù)計費,通過網(wǎng)絡(luò)侵入的無用信息也會被計費,運行費用較高。

1.3 藍牙

藍牙是一種支持設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù),利用藍牙技術(shù)能夠有效地簡化終端設(shè)備之間的通信,數(shù)據(jù)傳輸從而變得更加迅速高效。藍牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù),支持點對點及點對多點通信,工作在全球通用的2.4 GHz ISM（即工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段,采用時分雙工傳輸方案實現(xiàn)全雙工傳輸。藍牙不是對所有應(yīng)用都適合,由于藍牙協(xié)議及相關(guān)堆棧的復雜性,會加大開發(fā)的難度,且這些芯片存在價格高、抗干擾能力差、傳輸帶寬窄等問題,不適用于施工工地復雜的現(xiàn)場工況。

1.4 ZIGBEE

ZIGBEE是一種短距離的雙向無線通信技術(shù),具有低功耗、低復雜度、大容量及低成本等特點。主要采用可免費使用的2.4GHz的ISM 頻段。傳輸距離一般在10～75m 之間,通過增加發(fā)射功率或增益天線等可以增加傳輸距離。Zigbee提供了三級安全模式,防止非法獲取數(shù)據(jù),支持無線組網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)容量無上限,與其它無線通訊技術(shù)相比,更適合塔機工作現(xiàn)場復雜的工況。

1.5 WIFI

WIFI是一個無線局域網(wǎng)（ WLAN ）標準,主要用于小范圍內(nèi)局域網(wǎng)的用戶與終端設(shè)備之間的無線接入。其使用的是開放的 2.54GHz 微波頻段,既可以作為有線網(wǎng)絡(luò)的補充,還可以實現(xiàn)獨立組網(wǎng),傳輸速率最高可達11Mbps,在辦公環(huán)境下傳輸距離約100m左右,在室外可達 300m ,且無需直線傳播。WIFI的射頻和基帶協(xié)議相對來說比較復雜,實現(xiàn)成本較高、平均功耗大,這些缺陷在本系統(tǒng)的無線通訊傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中顯然是不可取的。

1.6 LORA

（6） LORA模塊與控制器進行數(shù)據(jù)通訊,優(yōu)化LORA模塊之間、控制器與LORA模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸效率,LORA無線網(wǎng)絡(luò)以其遠距離、高速度、高信號強度的特點,適合運用在大型防碰撞系統(tǒng)中,相比CAN接口的Zigbee其模塊性能提升30%以上。

表1 無線組網(wǎng)方式比較

2 常用通訊接口

現(xiàn)有的塔機防碰撞系統(tǒng)主要采用以自主研發(fā)的嵌入式板或者PLC控制器為主。通訊接口作為連接控制器和無線組網(wǎng)之間的橋梁,如何保證數(shù)據(jù)的實時性、穩(wěn)定性、可擴展性和抗干擾性,是解決防碰撞系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。一般常用的通訊接口有RS232/485,PROFIBUS,CAN等。

2.1 RS232/485

RS232/485是串行數(shù)據(jù)接口標準,最初由電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制訂并發(fā)布。RS-232作為工業(yè)標準接口,保證了不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。EIA于1983年制定當前RS485標準,增加了多點、雙向通信能力,即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上,同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性,擴展了總線共模范圍。由于EIA提出的建議標準都是以“RS”作為前綴,所以在通訊工業(yè)領(lǐng)域,仍然習慣將上述標準以RS作前綴稱謂。

2.2 PROFIBUS

PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準,采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層,其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線,也可以是光纜,當用雙絞線時,傳輸距離最長可達9.6km,用光纖時,最大傳輸長度為90km,最多可掛接127個站點。 采用單一的總線方位協(xié)議,包括主站之間的令牌傳遞與從站之間的主從方式。網(wǎng)絡(luò)拓撲為線型、樹型或總線型,兩端帶有有源的總線終端電阻。

2.3 CAN

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)的簡稱,通信速率可達1Mbps,CAN總線接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能,可完成對通信數(shù)據(jù)的幀處理,包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。CAN協(xié)議的最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼,而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu),每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個,因而傳輸時間短,受干擾的概率低。當節(jié)點嚴重錯誤時,具有自動關(guān)閉的功能,以切斷該點與總線的聯(lián)系,使總線上的其它節(jié)點及其通信不受影響,具有較強的抗干擾能力。

3 無線通訊和現(xiàn)場總線選擇

數(shù)據(jù)傳輸模塊的核心是在保持設(shè)備穩(wěn)定可靠工作的前提下,用最快的速率將數(shù)據(jù)發(fā)送給盡可能多的設(shè)備。這就要求無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍要大,能夠連接盡可能多的設(shè)備,因此無線網(wǎng)絡(luò)需要具備以下幾個條件:（1）覆蓋范圍大,（2)網(wǎng)絡(luò)容量大,（3）數(shù)據(jù)準確率高。

通過上述對無線組網(wǎng)方式的介紹,綜合安全性、性能、成本等方面,宜采用ZIGBEE作為無線組網(wǎng)方案,在現(xiàn)場復雜的電磁環(huán)境中保證設(shè)備傳輸?shù)姆€(wěn)定性、安全性和及時性。

良好的無線組網(wǎng)方案還需要硬件接口的支持。在實際的現(xiàn)場環(huán)境中,需要在大數(shù)據(jù)量的情況下盡可能提高數(shù)據(jù)的準確率。這就需要硬件接口具有數(shù)據(jù)防沖突機制,當出現(xiàn)幾個節(jié)點同時在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時,優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù),而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(fā)送,而這正好就是CAN總線的優(yōu)勢。它采用總線仲裁技術(shù),解決了數(shù)據(jù)準確率的問題,并且在某個節(jié)點發(fā)生嚴重錯誤時,自動關(guān)閉該節(jié)點,使其他節(jié)點不受影響,CAN總線具有的技術(shù)優(yōu)越性,使防碰撞數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}得到了解決。

經(jīng)過大量的現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)分析,在工業(yè)現(xiàn)場,宜采用基于CAN接口的LORA無線模塊作為起重機防碰撞系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備,可以保障數(shù)據(jù)的實時性、正確性。

4 結(jié)論

在塔機防碰撞系統(tǒng)的研究中,我們往往將將精力集中在了塔機的數(shù)學模型建立、碰撞算法的研究上,但是再好的算法沒有快速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸方式做支撐是不行的。本文通過對現(xiàn)有塔機防碰撞系統(tǒng)現(xiàn)狀的研究,提出了目前情況下最優(yōu)數(shù)據(jù)傳輸方案。在實際現(xiàn)場的使用中也很好地驗證了理論的推斷。這種設(shè)計方案對于其他類型的控制系統(tǒng)應(yīng)用也有一定的借鑒意義。