基于工业互联网平台的起重机智能化升级

【企业简介】

卫华集团有限公司成立于1988年，经过31年的发展，现已成为以起重机械、矿用机械、港口机械、减速机等产品为主装备制造的领军企业。公司占地面积365万平方米，职工总数5570人，其中技术研发人员600余人，具备各种生产检测设备6965台套，总资产76.97亿元，2018年销售收入122.42亿元，产销量连续十多年蝉联全国第一。主导产品广泛应用于机械、冶金、电力、铁路、航天、港口、石油、化工等行业，服务于国家南水北调、西气东输、三峡水电站、酒泉卫星发射基地等国家重点工程，助力“神十”、“嫦娥三号”成功飞天，并远销美国、英国、日本、俄罗斯等129个国家。先后荣获“中国机械百强企业”、“中国民营500强企业”、“全国质量标杆”、“全国机械工业质量奖”、“全国制造业单项冠军”等500多项荣誉称号。

【案例内容】

起重装备行业工业互联网平台应用对象包括：桥式起重机、门式起重机、电动葫芦等。卫华集团在“十三五”战略中规划了产品的绿色化、智能化、定制化的发展方向，通过起重装备的智能化升级，依托工业互联网平台采集起重装备的运行数据、使用状态和地理位置等信息，开发部署运行监测与分析工业APP，实现了产品远程监控、故障诊断、预测性维护等远程运维服务应用，实时追踪并优化起重装备运行状态，提升设备运维效率和产品服务价值，从而使设备质量和使用效率提高30%，设备安全性提高50%，以工业互联网技术赋能传统起重机，使起重机从纯粹辅助搬运设备升级为起重机器人，实现物流与生产联动，成为智能车间、智能工厂中智能物流系统的关键组成部分。

一、打造产品智能化升级技术路线

将图像识别、图像数字转化、图像数字驱动控制等机器视觉技术、嵌入式PC、物联网技术、PLC可编程控制技术、变频调速技术、伺服电机驱动技术、运行防摇摆技术等高度集成到起重装备上，实现起重装备操作自动化、控制数字化、物联网化等，大幅提升起重装备智能化水平，以核心物流装备角色参与到智慧工厂、智慧物流建设中。起重装备产品智能化技术路线图如下：

 图1 起重装备智能化技术路线图

二、产品智能化升级关键技术

起重机产品智能化升级过程中的关键技术创新点：

1、高精定位

通过变频技术、伺服驱动技术、精密齿轮齿条传动技术、光栅尺或激光传感定位技术实现起重装备精确定位。起重机在全行程上最大的水平位移小于1mm,对固定位置水平位移的重复精度小于0.5mm。

2、智能防摇

在智能防摇系统中输入钢丝绳长度和起重量等外部参数，智能防摇系统根据起重装备运行速度自主决策加减速度值、持续时间及加减速频率实现智能快速防摇制动。卫华集团研发出具有国际领先水平的智能防摇技术，成功解决起重机载荷摇摆难题，使起重机吊运物料更加精准、更加快捷、更加平稳，停车瞬间摇摆幅度不超过0.2度,减幅95%以上，具有精准点动功能，最小点动距离小于5mm，自动定位与重复定位精度高，定位精度小于2mm，使起重机成为起重机器人。

3、智能可视化

针对生产作业现场条件恶劣，无法准确获得现场信息的工况，智能化、可视化技术研究是解决问题的有效途径。电气控制系统及施工定位系统包含传感器，可实现数据采集并输入可视化系统，结合数据通信技术、计算机图形学、计算机程序设计和传感器技术，实现作业可视化。

图2 智能挖泥船  

图3 智能可视化示意图

4、故障自诊断

搭建故障模型，对故障进行定义与编码，利用传感器采集起重机关键参数，通过边缘计算实时分析产品状态，起重机运行过程中达到临界状态会自动触发报警，如双重限位失效，双抱闸失效，冗余系统中机构失效，客户不容易发现的意外故障，主要电气元件寿命到期报警提示，实现故障预测与自诊断。

图4 起重机运行数据监视图

图5 故障数据查询图

5、远程运维

起重装备通过先进的采集控制器进行运行数据采集，利用无线通信模块、移动网络和GPS或北斗定位技术将采集数据传输至起重装备工业互联网平台，在远程运维控制中心对数据进行分析和可视化管控。

图6 远程运维控制中心

图7 远程运维业务逻辑

三、产品智能化升级主要性能指标

卫华使用互联网、移动终端、云计算、物联网等新兴技术，打造产品智能化升级的7类关键指标，实现智能起重机在工业互联网环境下高效的工业设备管理能力、便捷的软件应用管理能力、海量的存储和计算能力、多元的应用开发能力、灵活的平台间调用能力、安全的资源迁移能力、先进技术应用能力。 

1、工业设备管理能力

（1）支持连接的工业设备种类：20类100个

（2）支持设备数据采集参数点总数：2000个

（3）提供的操作控制功能种类：18类

（4）具备工业设备数据边缘计算功能

2、软件应用管理能力

（1）支持云化工业软件数量：5类，30个

（2）支持工业APP数量：100个

（3）支持工业机理模型:3类，20个

（4）支持微服务组件数量：5类，15个

3、存储和计算能力

（1）提供的数据库类型：6类

（2）数据存储和处理功能类型：6类（存储、编目、索引、元数据管理和质量评估等）

（3）数据实时处理能力：1GB/s

（4）最大并发访问数量：5000个/s

（5）资源请求响应时间：2000单个请求/ms

（6）网络带宽：1000MB/s

4、应用开发能力

（1）开发工具数量：10个（建模、仿真分析、可视化展示、知识管理工具等）

（2）开发语言数量：8类（Java、Ruby、PHP等）

（3）通用算法模型数量：15个

（4）具备图形化开发能力

5、平台间调用能力

（1）支持跨平台调用的行业机理模型：15个

（2）支持跨平台调用的工业微服务：12个

（3）对IaaS的兼容管理组件：12个

6、安全保障能力

（1）安全防护的功能模块及组件：16个

（2）平台安全防护工具库、病毒库、漏洞库：8个

（3）具有安全防护的保障机制

7、先进技术应用能力

（1）运用区块链、人工智能等新技术

（2）基于新技术的业务功能数量：3个

四、产品智能化升级实施方法

1、开发物联模块

数据采集是工业互联网平台的基础，工业互联网平台首先要解决的是连接工业中的人、机器设备和业务系统，但是设备连接在工业现场并不是一件容易的事情。当前，我国规模以上工业企业里，80%以上的机器设备都是没有联网、不会说话的“哑”设备，只有20%的设备联了网、会说话，但是这些设备遵循不同的通信协议，存在严重的“语言障碍”，严重制约着工业互联网平台建设。

基于卫华集团与项目参与单位强大的研发能力，研发低成本的数据采集模块，支持总线协议、工业以太网协议和无线协议等众多通信协议，能够兼容、转换多种协议，实现起重工业设备互联互通，解决设备联网难，工业数据采集难、成本高、效率低的问题。

图8 自主研发数据采集物联模块

物联模块主要功能是通过传感器数据采集硬件模块采集起重机的相关设备状态参数及运行参数，经有线或无线通信方式把采集到的数据传递给远端数据平台，并进行持久化存储，以便远端进行数据分析和展示，从而为设备运行的故障侦测预警、保障维护、远程管理提供基础的技术支撑。

图9 工业设备接入架构

（1）硬件架构

物联模块包括数据采集模块、网络传输模块、数据传输模块、数据持久化模块、数据可视化模块。1）数据采集模块和网络传输模块嵌入到硬件模块中，支持Ethernet、802.3、802.11等网络协议，支持边缘计算，可以满足敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的需求；2）数据传输模块由终端客户端、远端服务器、远端客户端组成,支持OPC、OPC-UA、ProfiNet等协议；3）数据持久化模块由数据库系统、数据存储模块组成；4）数据可视化模块由远端WEB服务器、报表引擎、数据展示模块组成。

（2）数据传输架构

数据通过设备传入远端协议网关服务器，进入消息队列服务器MQTT，消息经过订阅后，存储到数据库服务器（SQLite、MySQL、NoSQL等），并通过Web服务器对外发布展示内容，客户端可以通过Web浏览器查阅数据及相关的展示内容。

图10 数据传输架构

（3）数据存储架构

数据经由MQTT对外发布消息，消息订阅后，按照相应的权限，被保存到数据库服务器中。

图11 数据存储架构

（4）数据展示架构

数据展示架构为工业云前台展示提供了框架，可以在平台上提供设备管控、故障管理、报表分析、位置显示等多种功能。

图12 数据展示架构

2、产品物联接入

对经过智能化、网络化改造的设备，安装采用DC 24V电源供电的物联模块，从起重机的PLC中采集数据，并传输至平台。

图13 设备接入逻辑

（1）通讯方式

（2）支持通过远程对PLC进行在线监控调试、上传、下载程序。

（3）支持对采集到的数据进行断点续传和边缘计算。

3、建设工业互联网平台

卫华集团严格依据GB/T 28264-2017《起重机械安全监控管理系统》、TSGQ7015–2016《起重机械定期检验规则》、TSG Q7016-2016《起重机械安装改造重大维修监督检验规则》、GB12602-2009《起重机机械超载保护装置安全技术规范》等起重机特种设备要求，创建基于互联网先进技术，具备资源管理能力和服务能力的工业互联网平台，建成起重装备数字化设计与智能制造技术基地，形成行业先进技术的示范应用，打造国内一流的起重装备工业互联网平台。

平台建设采用自购软硬件与租赁互联网服务商云资源相结合的方式开展设计和建设。平台利用云计算相关技术，构造一个功能齐全、设备先进、运行高效、使用灵活、维护方便、易于扩展、投资省、高安全可靠的全局性基于平台的数据资源中心。

平台作为IT基础架构的一套完整解决方案，通过采用硬件设备虚拟化、软件版本标准化、系统管理自动化和服务流程一体化等手段，将IT设备提供的计算能力，通信能力，存储能力封装成资源池，建设一个以服务为中心的云计算管理平台，把资源的使用方式从专有独占方式转变成资源池化的共享方式，运行环境可以自动部署和调整资源分配，实现资源随需掌控。从而帮助用户建立一个基于业务的资源共享、服务集中和自动化的云计算数据中心，提供自助服务接口，使用户随时、随需申请资源，实现对业务服务需求的快速响应，实现分级资源自动部署，并保证资源部署的一致性和高效利用率。

图14 工业互联网平台总体方案