基于5G的風電塔式起重機云監(jiān)管平臺系統(tǒng)的研究

謝海建

(華電鄭州機械設計研究院有限公司，河南 鄭州 450015)

0 引言

受“3060目標”的影響，中國政府將大規(guī)模開發(fā)風電，這為風電吊裝行業(yè)提供了巨大的發(fā)展前景。華電鄭州機械院成功研發(fā)了自升式、全自立、無附著式FZQ1650型高塔架風電塔機，能有效滿足2 MW～4 MW、180 m高度的風機安裝需求，填補了國內(nèi)塔機安裝風機的空白。風電塔機具有噸位大、拆裝頻繁及流動性強的特點，同時吊裝隊伍多為小型安裝施工隊，專業(yè)素質(zhì)低。因此，風電塔機在使用中需要解決設備的安全監(jiān)管問題和故障處理時效性差的問題。

隨著AI技術的發(fā)展，基于振動和視頻的監(jiān)測對設備健康方面的監(jiān)視日漸成熟，但數(shù)據(jù)傳輸量大、時延低，對數(shù)據(jù)傳輸層要求很高。5G作為新一代的信息通信技術，可有效滿足增強型移動寬帶、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)和超高可靠低時延通信三大應用場景的信息傳輸需求。將5G、物聯(lián)網(wǎng)云平臺技術應用于起重機械，可提升起重機的安全監(jiān)管、故障分析及處理能力。

1 云監(jiān)管平臺系統(tǒng)結構模式

搭建基于云平臺的風電塔機大數(shù)據(jù)中心，對采集的數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)皆破脚_，通過分步計算、對得到的數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)處理，利用大數(shù)據(jù)處理技術將各類數(shù)據(jù)進行快速整合，可實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的加速處理和實時分析。云監(jiān)控平臺虛擬化三層架構如圖1所示。

圖1 云監(jiān)控平臺虛擬化三層架構

為了滿足網(wǎng)絡開放互聯(lián)、信息共享和隨處可見的要求，風電塔機云監(jiān)控系統(tǒng)選用B/S(瀏覽器/服務器)模式。在B/S模式中，用戶客服端不需要其他軟件和配置，直接在瀏覽器上通過URL就能遠程訪問監(jiān)測系統(tǒng)，并能實現(xiàn)同服務器的應答交互；B/S網(wǎng)絡模式將整個系統(tǒng)的靜態(tài)文件與業(yè)務程序置于Web服務器層，因此，只需配備一臺能滿足系統(tǒng)安全且穩(wěn)定運行的服務器，瀏覽器層用戶只需要擁有一臺可聯(lián)網(wǎng)PC機或移動的設備即可實現(xiàn)功能。風電塔機云監(jiān)控系統(tǒng)B/S架構如圖2所示。

圖2 風電塔機云監(jiān)控系統(tǒng)B/S架構

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)功能需求分析

不同種類的起重機在結構形式、規(guī)格與參數(shù)上各有差異，但根據(jù)GB/T 28264-2017 《起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》文件要求，結合自身產(chǎn)品特點和實際需求，風電塔機云監(jiān)測系統(tǒng)應主要具備以下功能：

(1)系統(tǒng)能對起重機關鍵部件，如減速箱、鋼絲繩卷筒、電機、變頻器、力矩限制器、空氣開關及限位開關等的狀態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)測與采集，風電塔機云監(jiān)測項目如表1所示。

表1 風電塔機云監(jiān)測項目

(2)系統(tǒng)能對關鍵數(shù)據(jù)進行存儲和歷史回溯。

(3)系統(tǒng)可遠程診斷分析設備故障，特別是對變頻器故障、減速機振動進行故障分析。

2.2 云監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

風電塔機云平臺監(jiān)控及診斷分析系統(tǒng)總體設計思路如下：通過5G移動網(wǎng)絡，將風電塔式起重機監(jiān)測數(shù)據(jù)存入到阿里云服務器中，并通過在云上布置Web服務器，將狀態(tài)參數(shù)特征信息推送到瀏覽器端并以數(shù)值、圖表、曲線等形式在網(wǎng)頁上呈現(xiàn)。授權用戶登入監(jiān)控系統(tǒng)頁面，對現(xiàn)場設備的各類數(shù)據(jù)進行分析及診斷，隨時掌握起重設備的現(xiàn)場工況。風電塔機云監(jiān)控系統(tǒng)總體結構如圖3所示。

圖3 風電塔機云監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

由圖3可以看出，風電塔機云監(jiān)控系統(tǒng)主要分為如下3個部分：

(1)數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)的采集包含兩部分：視頻攝像機和減速機振動傳感器通過Internet網(wǎng)建立起5G網(wǎng)關的連接；PLC做為現(xiàn)地控制器，也可視為邊緣計算器，對風電塔機需要監(jiān)測的部位進行實時的數(shù)據(jù)采集、特征提取，將數(shù)據(jù)通過Internet網(wǎng)建立起同5G DTU模塊的連接。

(2)數(shù)據(jù)的5G傳輸。利用5G移動網(wǎng)絡，實現(xiàn)風電塔式起重機和阿里云服務器之間的數(shù)據(jù)無線連接。將中國移動或者中國聯(lián)通的SIM卡裝至風電塔機DTU模塊的卡槽，并安裝好GPRS天線，信號穩(wěn)定后DTU模塊就已經(jīng)準備好發(fā)送數(shù)據(jù)。DTU模塊發(fā)送無線數(shù)據(jù)被5G基站接收，并最終傳輸至阿里大數(shù)據(jù)服務中心。

(3)云存儲、監(jiān)測及故障分析。風電塔機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫布置在云服務器上，數(shù)據(jù)庫負責數(shù)據(jù)的存儲工作，項目存儲的數(shù)據(jù)概括為以下三類：①風電塔式起重機各個部位的狀態(tài)參數(shù)；②管理用戶登入數(shù)據(jù)；③歷史預警信息數(shù)據(jù)和故障診斷信息等。同時歷史數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，需要設定存儲周期，定期清除過期數(shù)據(jù)及對重要數(shù)據(jù)進行備份。

3 云端接收數(shù)據(jù)與存儲

OPC規(guī)范定義了一個工業(yè)標準，包括一整套接口、屬性和方法的標準集，目的是作為通信驅動接口，允許標準化的讀取和寫入自動化設備上的當前數(shù)據(jù)。因此，只要控制用的軟件或設備支持OPC，OPC就可以成為各類設備之間進行通信的公用接口。OPC與Active X/COM/DCOM的通訊機制一致，是一種客戶/服務器模式，一個客戶端可以訪問多個服務器，即從多個設備(服務器)中獲取數(shù)據(jù)。

3.1 云端接收數(shù)據(jù)與處理程序

在5G DTU模塊內(nèi)部，已將各個傳感器的地址和數(shù)據(jù)進行整合，作為一個OPC組態(tài)對象進行封裝。因此，在風電塔機云端服務中心，用VB語言開發(fā)OPC客戶端，就可以方便地連接多個風電塔機，獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)。VB程序處理思路：連接OPC Server服務器，建立OPC組，添加OPC標簽，同步讀寫，數(shù)據(jù)存儲，斷開OPC連接，然后封裝成OPC類模塊。OPC客戶機程序流程如圖4所示。

圖4 OPC客戶機程序流程

3.2 云端數(shù)據(jù)的存儲

風電塔機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫布置在云服務器上。用VB開發(fā)OPC客戶端，直接讀取5G DTU模塊內(nèi)部OPC服務器中的數(shù)據(jù)，利用VB語句定時讀取寫入SQL數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的云存儲。ADO是一種程序對象，用于表示用戶數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)結構和所包含的數(shù)據(jù)。在VB編輯器中，利用ADO以及ADO的附加組件來創(chuàng)建或修改表和查詢、訪問外部SQL數(shù)據(jù)庫。

VB用ADO連接SQL Server數(shù)據(jù)庫，主要代碼如下：

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

Public Const CONNECT_LOOP_MAX =10′一次執(zhí)行connect操作，可以訪問數(shù)據(jù)庫的次數(shù)

Private IsConnect As Boolean′標記數(shù)據(jù)庫是否連接

Private Connect_Num As Integer′標記執(zhí)行Connect()函數(shù)后訪問數(shù)據(jù)的次數(shù)

Private cnn As ADDODB.Connection′連接數(shù)據(jù)庫的Connect對象

Private re As ADDODB.Recordset′保存結果集的Recordset對象

//連接數(shù)據(jù)庫

Private Sub Connect()

′如果連接標記為真，則返回。

IF IsConnect =True Then

Exit Sub

End If

Set cnn =New ADODB.Connection′關鍵new用于創(chuàng)建新對象cnn

cnn.ConnectionString =conn

cnn.Open

4 結束語

起重機遠程服務系統(tǒng)對于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)來說是一種增值服務，目前傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)已發(fā)展到了瓶頸期。作為起重機廠家，要更加關注如何為用戶提供更好的服務和技術支持，這有利于用戶設備的長期安全運行。同時也可以為今后產(chǎn)品的升級改造，甚至新產(chǎn)品的開發(fā)提供實際的技術經(jīng)驗和數(shù)據(jù)支持。利用5G物聯(lián)網(wǎng)技術，將客戶端、數(shù)據(jù)服務器及Web服務器布置在阿里云主機上，去除了硬件購置成本和日常維護費用，對于中小起重機廠家具有很強的實際應用價值。