一、前言

隨著我國經(jīng)濟形勢的快速發(fā)展，港口起重機逐漸呈現(xiàn)設(shè)備大型化、生產(chǎn)效率高、技術(shù)復(fù)雜和 作業(yè)連續(xù)性強等特點，可滿足提高裝卸效率、降 低生產(chǎn)成本等客觀要求，而由機械設(shè)備發(fā)生故障 造成停工停產(chǎn)所帶來的經(jīng)濟損失卻越來越大。 

為了保障起重機械的工作安全，國發(fā)[2010] 23號和國質(zhì)檢特聯(lián)[2011]137號文相繼提出了 大型起重機械安全監(jiān)管要求，新近頒布的國家標(biāo) 準(zhǔn)“起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)”進一步細(xì)化提 出要構(gòu)建“對起重機械工作過程進行監(jiān)控，能對 重要運行參數(shù)和安全狀態(tài)進行記錄管理的起重機 械信息系統(tǒng)”。該標(biāo)準(zhǔn)具體地規(guī)范起重機械電氣系 統(tǒng)的全面安全性，并強調(diào)在正常工作過程階段和 事故發(fā)生階段的可記錄性，增加事故的可追溯性。

 隨著智能傳感器技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以 及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，不少無線監(jiān)控系統(tǒng)開始在 港口起重機械行業(yè)上應(yīng)用¨-31。本系統(tǒng)在國家標(biāo)準(zhǔn) 的基礎(chǔ)上，綜合客戶設(shè)備管理要求，設(shè)計了一套 新型的起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)，主要特點有：實現(xiàn)了 各類安全數(shù)據(jù)的采集；設(shè)計了安全數(shù)據(jù)的黑匣子 式存儲；實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠程傳輸與大容量服務(wù)器 存儲；實現(xiàn)了基于互聯(lián)網(wǎng)的起重機械金屬結(jié)構(gòu)遠 程監(jiān)測與故障診斷；設(shè)計了開放式的設(shè)備遠程管理系統(tǒng)等。

二、方案的選擇 

國家標(biāo)準(zhǔn)要求監(jiān)管的數(shù)據(jù)種類較多，采集到 的數(shù)據(jù)首先要完成本地存儲，然后再通過GPRS傳 輸?shù)竭h程服務(wù)器。針對數(shù)據(jù)采集和無線遠程傳輸 方式有以下3種方案可供選擇。 方案1：每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點上均安裝一個數(shù)據(jù) 存儲單元和數(shù)據(jù)傳輸單元(GPRSDTU)，其優(yōu)點 是數(shù)據(jù)量小，傳輸速度快，但由于每個DTU中均 需要傳送數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)包也都需要前綴、后綴 等冗余數(shù)據(jù)，這就大大增加了GPRS流量，．且每個 采集節(jié)點都要有數(shù)據(jù)存儲和DTU單元，這些將增 加系統(tǒng)成本。該方案1的原理圖見圖1。

方案2：各采集節(jié)點連接到一個基站節(jié)點上， 在此基站節(jié)點上安裝一套數(shù)據(jù)存儲單元和單個 DTU，將所有的采集數(shù)據(jù)放到一個數(shù)據(jù)包中進行傳 輸。該方案只選用一個DTU實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸， 可大大減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧髁浚档拖到y(tǒng)成本。若 同時發(fā)送所有數(shù)據(jù)將會導(dǎo)致每包中的數(shù)據(jù)量過大， 傳輸速度會慢，實時性差。數(shù)據(jù)中除了包括國標(biāo) 要求的安全數(shù)據(jù)外，還包括起重機械金屬結(jié)構(gòu)狀 態(tài)監(jiān)測等的數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲的容量和速度 均要求較高。方案2的原理見圖2。 

方案3：綜合前2種方案，將國標(biāo)要求的安全 監(jiān)控數(shù)據(jù)作一組，結(jié)構(gòu)監(jiān)測等數(shù)據(jù)量較大的作為 一組，其他的作為一組，各組節(jié)點之間通過有線 (485總線)或無線(ZIGBEE模塊)進行通訊。3 套系統(tǒng)同時并行運行的方式既保證了該系統(tǒng)各項 數(shù)據(jù)的采集、存儲和傳輸?shù)膶嵤┬耘c可靠性，又 在一定程度上節(jié)約了系統(tǒng)成本。 2遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

 2．1監(jiān)測系統(tǒng)總體框架 

如圖3所示，門座起重機監(jiān)測系統(tǒng)主要由3個 基站分別與設(shè)備運行信息管理、遠程結(jié)構(gòu)監(jiān)測級 故障診斷、常規(guī)檢測、服務(wù)器、現(xiàn)場人員和基層 管理等組成。 

2．2安全黑匣子子系統(tǒng) 

將國標(biāo)中規(guī)定的安全數(shù)據(jù)作為一組，組內(nèi)各 節(jié)點之間通過485總線進行通訊，并可實現(xiàn)對此子 系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)進行分析、傳輸和現(xiàn)場存儲，安 全黑匣子子系統(tǒng)的總體框圖如圖4所示。 

1)同一軌道2車間距監(jiān)測在起重機作業(yè)過 程中，為了避免同一軌道上的起重機發(fā)生碰撞， 需要對2車間距進行實時監(jiān)測，當(dāng)間距小于額定 間距時進行報警。常用的測距方法有激光測距、 超聲波測距和紅外測距方法等。超聲波測距具有 信息處理簡單、快速和價格低，易于實時控制的 優(yōu)勢，且在測量精度方面也能達到測量要求，故 在本系統(tǒng)中選擇超聲波測距的方法。

2)安全防護裝置本系統(tǒng)設(shè)計的安全防護裝 置有起升／下降限制位幅度限位、防風(fēng)防滑安全 裝置、聯(lián)鎖保護、回轉(zhuǎn)鎖定裝置和起升機構(gòu)制動 器釋放裝置。 

3)起重力矩數(shù)據(jù)采集該起重機的力矩限制 器同時采集了起重量和幅度信息，常規(guī)力矩限制 器供應(yīng)商均可提供帶數(shù)字輸出接口的設(shè)備。為簡 化應(yīng)用，本系統(tǒng)直接通過力矩限制器中的數(shù)字接 口獲取數(shù)據(jù)。遠程服務(wù)器實時顯示起重載荷和幅 度，并根據(jù)設(shè)計要求報警。 

4)回轉(zhuǎn)角度采集：門座起重機回轉(zhuǎn)角度直接 影響載荷的結(jié)構(gòu)受力，本系統(tǒng)選用電子羅盤實現(xiàn)對 回轉(zhuǎn)角度的狀態(tài)監(jiān)測，它是通過磁感應(yīng)器中2個互 相垂直軸同時感應(yīng)地球磁場的磁分量，從而得出方 位角度。將電子羅盤安裝在司機室頂部，羅盤在初 次安裝使用前要對臂架等旋轉(zhuǎn)角度進行標(biāo)定，使羅 盤的輸出可正確反映起重機回轉(zhuǎn)角度的實際值。電 子羅盤安裝過程中要注意周圍鐵磁性材料的影響。 

5)現(xiàn)場存儲模塊設(shè)計監(jiān)控數(shù)據(jù)的現(xiàn)場存儲 可防止由于公網(wǎng)的不穩(wěn)定導(dǎo)致安全數(shù)據(jù)的丟失。采 用專用存儲裝置(如硬盤等)價格昂貴，本系統(tǒng)根 據(jù)起重機械安全監(jiān)控需要設(shè)計基于SD存儲卡的現(xiàn) 場存儲方式。SD卡使用SPI接口與主控制器 C8o51FD20連接。SD卡的文件系統(tǒng)使用FAT16文件 系統(tǒng)，系統(tǒng)程序調(diào)用設(shè)計的函數(shù)進行SD卡讀寫操作， 這些操作主要包括新建文件、打開文件、讀(寫)數(shù) 據(jù)和刪除文件等。主要特包括文件按天命名、數(shù)據(jù) 寫滿指定天數(shù)后自動覆蓋最前一天的數(shù)據(jù)。 

2．3設(shè)備運行信息管理子系統(tǒng) 

1)操作人員信息很多事故的起因都是操作 人員的違規(guī)操作，為了便于在事故發(fā)生后查找到 具體的操作人員，追究責(zé)任，杜絕類似的事故再 次發(fā)生，該系統(tǒng)記錄操作人員的操作時間。本系 統(tǒng)中選用非接觸式的智能卡識別方式進行人員信 息的采集，人員信息采集節(jié)點采集到的信息包括 操作者編號信息、上機時間、下機時間及操作者 總的操作機時。 

2)工作量和循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)根據(jù)門座起 重機的起升載荷、幅度和回轉(zhuǎn)角度特征判定一次 工作循環(huán)，將工作循環(huán)中的載荷及循環(huán)次數(shù)進行 統(tǒng)計，可為企業(yè)管理提供有用信息，也可為設(shè)備 安全使用壽命預(yù)測提供數(shù)據(jù)支持。 

3)耗電量獲取起重機上的電表信息進行存 儲和傳輸，服務(wù)器按操作者、時間等進行統(tǒng)計。 

2．4遠程結(jié)構(gòu)監(jiān)測及故障診斷子系統(tǒng) 

1)遠程結(jié)構(gòu)監(jiān)測及故障診斷無線應(yīng)變采集 節(jié)點設(shè)計，應(yīng)力測試技術(shù)是通過測量應(yīng)變片阻值， 來算出鋼材所受力的大小及方向]。應(yīng)變片采用 焊接式電阻應(yīng)變片，通過點焊機與起重機鋼板完 全貼合。鋼材在受力變形時，拉壓應(yīng)變片從而改 變它的阻值。系統(tǒng)采用新型傳感技術(shù)實現(xiàn)應(yīng)變的 采集、傳輸，并在服務(wù)器實現(xiàn)起重機械金屬結(jié)構(gòu) 的安全評價。 

2)遠程振動監(jiān)測及故障診斷門座起重機的 振動監(jiān)測主要包括常規(guī)的減速器故障檢測及回轉(zhuǎn) 支承故障檢測‘，對其進行振動實時監(jiān)測和分析， 可避免突發(fā)性故障的發(fā)生，及時對設(shè)備進行維護。 本系統(tǒng)中采用2種不同的加速度傳感器用于減速 器和回轉(zhuǎn)軸承。 采集的數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時曲線，并對振動信號進行 時域分析、頻域分析和時頻域分析，求出信號的均 值、標(biāo)準(zhǔn)差、峰值、有效值和峭度值，并自動對 分析結(jié)果做出報表分析。振動信號分析見圖5。 值、標(biāo)準(zhǔn)差、峰值、有效值和峭度值，并自動對 分析結(jié)果做出報表分析。振動信號分析見圖5。

三、結(jié)論 

 本系統(tǒng)針對 國家監(jiān)管部 門大型起 重機械安全 監(jiān)管的要求 ， 設(shè)計 了一種 門座起重機 械網(wǎng)絡(luò)化安 全監(jiān)控系統(tǒng)。 本 系統(tǒng) 既能夠 實現(xiàn)國標(biāo) 的安全裝置 記錄要求 ， 還增加 了完成對人員信 息的管理和 電 量 、 工作臺時等的管理； 同時實現(xiàn) 現(xiàn)場的數(shù)據(jù)存 儲和基于互聯(lián) 網(wǎng)的遠程存儲 ； 實現(xiàn)結(jié) 構(gòu)應(yīng)變 的遠 程智能檢N ／監(jiān)測 ； 實現(xiàn) 門座起重機遠程振動監(jiān)測 和故障診斷等功能。 本系統(tǒng) 已在港 口多臺門座起 重機上進行 了應(yīng)用 ， 不僅提 升港 口門座起 重機使 用的安全性 ， 更提升大型港機安全管理 和維修養(yǎng) 護的水平， 具有廣泛的應(yīng)用前景和社會經(jīng)濟效益