王兴权王 勇罗建国 侯明健

1.赤峰市特种设备检验所 内蒙古赤峰 024000；2.苏州安至上机电科技有限公司 江苏苏州 215500

随着社会经济的发展,基础设施建设规模的逐渐加大,塔式起重机作为现代化建设施工过程中必不可少的工具,已经成为施工企业的重要装备之一。在实际现场环境中,常会由于人为操作问题导致塔机碰撞,从而引发严重的特种设备安全事故。但是由于现有的监控手段比较落后,不能够及时、准确的预警隐患、提示风险。在这种背景下,市场上出现了塔机防碰撞系统,在防碰撞系统中,数据传输作为群塔间数据交换的重要部分,其工作速度的快慢、准确性、稳定性、范围性、可扩展性将直接影响到整个防碰撞系统的可靠性。本文将针对防碰撞系统所采用的数据传输方式进行探讨。

1 常用无线组网方式介绍

工地现场由于塔机复杂的高空作业环境,对于有线网络的布线工程极为不便。而且采用有线通讯方式的施工周期过长,成本高,导致在防碰撞系统中一般不采用有线通讯方式。现场宜采用无线组网的方式来解决防碰撞系统数据传输问题。目前无线组网的方式包括无线数传电台、DTU、蓝牙、超高频RFID、ZIGBEE、WIFI等。

1.1 无线数传电台

无线数传电台是数字式无线数据传输电台的简称,即采用数字信号处理、数字调制解调,具有前向纠错、均衡软判断等功能的无线数据传输电台,传输范围可以达到50km。利用无线数据电台构建的专用网络,可以实现点对点或者点对多的数据传输,具有数据传输实时性好、专属数据传输通道、适用于恶劣环境、稳定性好等特点。但是在同一频点上,有且只能有1台设备发送数据,在点对多的情况下需要采用轮询方式,实时性降低,网络容量有限。

1.2 DTU

DTU是专门用于串口数据和IP数据交换,并通过无线通信网络进行数据传送的无线终端设备。DTU利用了当今社会广泛使用的通讯网络,技术成熟,覆盖面广,故使用DTU方式组成的无线数据传输网络具有数据传输快、覆盖范围广的特点。但是DTU受限于网络状态,容易出现掉线、死机等情况。无线通讯网络作为一个开放的系统,容易受到黑客的攻击,安全性较差。DTU所使用的无线通讯网络是按照流量继续计费,通过网络侵入的无用信息也会被计费,运行费用较高。

1.3 蓝牙

蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线电技术,利用蓝牙技术能够有效地简化终端设备之间的通信,数据传输从而变得更加迅速高效。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术,支持点对点及点对多点通信,工作在全球通用的2.4 GHz ISM（即工业、科学、医学）频段,采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙不是对所有应用都适合,由于蓝牙协议及相关堆栈的复杂性,会加大开发的难度,且这些芯片存在价格高、抗干扰能力差、传输带宽窄等问题,不适用于施工工地复杂的现场工况。

1.4 ZIGBEE

ZIGBEE是一种短距离的双向无线通信技术,具有低功耗、低复杂度、大容量及低成本等特点。主要采用可免费使用的2.4GHz的ISM 频段。传输距离一般在10～75m 之间,通过增加发射功率或增益天线等可以增加传输距离。Zigbee提供了三级安全模式,防止非法获取数据,支持无线组网,网络容量无上限,与其它无线通讯技术相比,更适合塔机工作现场复杂的工况。

1.5 WIFI

WIFI是一个无线局域网（ WLAN ）标准,主要用于小范围内局域网的用户与终端设备之间的无线接入。其使用的是开放的 2.54GHz 微波频段,既可以作为有线网络的补充,还可以实现独立组网,传输速率最高可达11Mbps,在办公环境下传输距离约100m左右,在室外可达 300m ,且无需直线传播。WIFI的射频和基带协议相对来说比较复杂,实现成本较高、平均功耗大,这些缺陷在本系统的无线通讯传感网络设计中显然是不可取的。

1.6 LORA

（6） LORA模块与控制器进行数据通讯,优化LORA模块之间、控制器与LORA模块之间的数据传输效率,LORA无线网络以其远距离、高速度、高信号强度的特点,适合运用在大型防碰撞系统中,相比CAN接口的Zigbee其模块性能提升30%以上。

表1 无线组网方式比较

2 常用通讯接口

现有的塔机防碰撞系统主要采用以自主研发的嵌入式板或者PLC控制器为主。通讯接口作为连接控制器和无线组网之间的桥梁,如何保证数据的实时性、稳定性、可扩展性和抗干扰性,是解决防碰撞系统数据传输的关键。一般常用的通讯接口有RS232/485,PROFIBUS,CAN等。

2.1 RS232/485

RS232/485是串行数据接口标准,最初由电子工业协会（EIA）制订并发布。RS-232作为工业标准接口,保证了不同厂家产品之间的兼容。EIA于1983年制定当前RS485标准,增加了多点、双向通信能力,即允许多个发送器连接到同一条总线上,同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性,扩展了总线共模范围。由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀,所以在通讯工业领域,仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。

2.2 PROFIBUS

PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准,采用了OSI模型的物理层、数据链路层,其传输介质可以是双绞线,也可以是光缆,当用双绞线时,传输距离最长可达9.6km,用光纤时,最大传输长度为90km,最多可挂接127个站点。 采用单一的总线方位协议,包括主站之间的令牌传递与从站之间的主从方式。网络拓扑为线型、树型或总线型,两端带有有源的总线终端电阻。

2.3 CAN

CAN是控制器局域网络的简称,通信速率可达1Mbps,CAN总线接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能,可完成对通信数据的帧处理,包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN协议的最大特点是废除了传统的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码。CAN的信号传输采用短帧结构,每一帧的有效字节数为8个,因而传输时间短,受干扰的概率低。当节点严重错误时,具有自动关闭的功能,以切断该点与总线的联系,使总线上的其它节点及其通信不受影响,具有较强的抗干扰能力。

3 无线通讯和现场总线选择

数据传输模块的核心是在保持设备稳定可靠工作的前提下,用最快的速率将数据发送给尽可能多的设备。这就要求无线网络的覆盖范围要大,能够连接尽可能多的设备,因此无线网络需要具备以下几个条件:（1）覆盖范围大,（2)网络容量大,（3）数据准确率高。

通过上述对无线组网方式的介绍,综合安全性、性能、成本等方面,宜采用ZIGBEE作为无线组网方案,在现场复杂的电磁环境中保证设备传输的稳定性、安全性和及时性。

良好的无线组网方案还需要硬件接口的支持。在实际的现场环境中,需要在大数据量的情况下尽可能提高数据的准确率。这就需要硬件接口具有数据防冲突机制,当出现几个节点同时在网络上传输信息时,优先级高的节点可继续传输数据,而优先级低的节点则主动停止发送,而这正好就是CAN总线的优势。它采用总线仲裁技术,解决了数据准确率的问题,并且在某个节点发生严重错误时,自动关闭该节点,使其他节点不受影响,CAN总线具有的技术优越性,使防碰撞数据传输的问题得到了解决。

经过大量的现场实验数据分析,在工业现场,宜采用基于CAN接口的LORA无线模块作为起重机防碰撞系统的数据传输设备,可以保障数据的实时性、正确性。

4 结论

在塔机防碰撞系统的研究中,我们往往将将精力集中在了塔机的数学模型建立、碰撞算法的研究上,但是再好的算法没有快速稳定的数据传输方式做支撑是不行的。本文通过对现有塔机防碰撞系统现状的研究,提出了目前情况下最优数据传输方案。在实际现场的使用中也很好地验证了理论的推断。这种设计方案对于其他类型的控制系统应用也有一定的借鉴意义。