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(yuǎn)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(yuǎn) 程監(jiān)測與故障診斷;設(shè)計了開放式的設(shè)備遠(yuǎn)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(yuǎn)程服務(wù)器。針對數(shù)據(jù)采集和無線遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)程結(jié)構(gòu)監(jiān)測及故障診斷子系統(tǒng)
1)遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)程存儲 ; 實現(xiàn)結(jié) 構(gòu)應(yīng)變 的遠(yuǎn) 程智能檢N /監(jiān)測 ; 實現(xiàn) 門座起重機遠(yuǎn)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