大型船廠造船門式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)研究與開發(fā)

潘健華

(廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院，廣東廣州510000)

0 引 言

起重機(jī)械在國民經(jīng)濟(jì)生活中是一個應(yīng)用相當(dāng)廣泛的機(jī)械設(shè)備，為我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持，作出了重大的貢獻(xiàn)。起重機(jī)械品種多、類型雜、應(yīng)用廣，使用的場合也比較復(fù)雜、惡劣，使用過程中存在各種安全隱患［1］，在起重機(jī)行業(yè)里有GB 6067.1《起重機(jī)械安全規(guī)程第 1 部分:總則》［2］、GB/T3811《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》、GB5226.2《機(jī)械安全機(jī)械電氣設(shè)備第32部分:起重機(jī)械技術(shù)條件》等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和一批產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，起重機(jī)械的設(shè)計和安裝都有明確的要求和標(biāo)準(zhǔn)，但是針對起重機(jī)械安全監(jiān)控方面的標(biāo)準(zhǔn)卻尚不全面，行業(yè)內(nèi)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)是多種多樣的，功能設(shè)計也各不相同，監(jiān)控的范圍不夠全面，不僅不能及時預(yù)警、風(fēng)險提示乃至緊急制動而導(dǎo)致事故發(fā)生，同時還因?yàn)槿鄙倨鹬貦C(jī)運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)，造成事故技術(shù)原因分析困難。

2012年7月1號GB/T28264《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)正式實(shí)施，為了能實(shí)時有效地監(jiān)控特種設(shè)備的運(yùn)行狀況，又要符合安全監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)的要求，本研究介紹GB/T28264對大型起重機(jī)械安全監(jiān)控管理的要求，針對大型船廠門式起重機(jī)械的安全使用要求，設(shè)計一套不但能診斷故障、預(yù)測潛在的隱患，而且在故障發(fā)生時能實(shí)時有效地響應(yīng)，還能把安全運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)存儲起來，以便于事故追蹤的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。

1 起重機(jī)械安全管理現(xiàn)狀

近年來政府一直強(qiáng)調(diào)要采取法律、行政、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等措施，加強(qiáng)特種設(shè)備的管理，堅決遏止重特大事故的發(fā)生［3］，但由于各種原因，其事故率近幾年一直居高不下，導(dǎo)致人員傷亡的絕對數(shù)字一直高居八大類特種設(shè)備之首［4］。

從事故原因分析，由于人為原因，例如無證操作、人為過載、操作不規(guī)范等違章操作引起的事故約占事故總數(shù)的57%［5］;起重機(jī)控制裝置失靈或鋼絲繩質(zhì)量差等制造質(zhì)量引起的事故約占29%［6］;還有14%的事故原因是風(fēng)速大、地基下沉等自然災(zāi)害引發(fā)的事故［7］。引起事故的主要原因有:違規(guī)操作、設(shè)計缺陷、制造缺陷、維修缺陷、管理缺陷等。其中，違規(guī)操作主要原因包括:起重機(jī)操作人員未經(jīng)安全與操作培訓(xùn)直接上崗;無視起重機(jī)的承載上限，放松警惕，導(dǎo)致起重機(jī)過載;未有可依的操作章程，操作人員無章可循等。

鑒于以上結(jié)果，安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)非常必要，通過將現(xiàn)代自動化控制、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通訊等多種技術(shù)相結(jié)合，改變原來自我封閉的單一控制方式，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)智能化和管理網(wǎng)絡(luò)化，這是起重機(jī)，尤其是船廠特種起重機(jī)的發(fā)展方向。

2 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)研究目標(biāo)與內(nèi)容

2.1 研究目標(biāo)

起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主要是為保證起重機(jī)械運(yùn)行的安全性、可控性以及可管理性而設(shè)計研發(fā)的一套設(shè)備管理解決方案，主要用于反映起重機(jī)械實(shí)時和有效的運(yùn)行狀況，并能夠?qū)@些狀況和司機(jī)的操作指令進(jìn)行實(shí)時地監(jiān)控、記錄和歷史回放;實(shí)時監(jiān)控檢測起重機(jī)工況，自帶診斷功能，快速危險狀況報警以及安全控制。系統(tǒng)具有黑匣子功能，自動記錄作業(yè)時的危險工況，為事故分析處理提供依據(jù)。

2.2 安全監(jiān)控信息采集要求

根據(jù)GB/T28264標(biāo)準(zhǔn)的要求，大型起重機(jī)械安全監(jiān)控系統(tǒng)信息采集源有18項(xiàng)［8］，但針對門式起重機(jī)，其所要求采集的信息源為11項(xiàng)，分別是:起重量限制器、起升高度限位器/下降深度限位器、運(yùn)行行程限位器、偏斜限位器、聯(lián)鎖保護(hù)安全裝置、抗風(fēng)防滑裝置、風(fēng)速儀裝置、同一或不同一軌道運(yùn)行機(jī)構(gòu)防碰撞裝置、超速保護(hù)裝置、供電電纜卷筒安全限位、起升機(jī)構(gòu)制動器。當(dāng)有遠(yuǎn)程監(jiān)控要求時，還要增加遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。

3 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體構(gòu)思和模塊劃分

起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩個子系統(tǒng)組成，分別是數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)、視頻信息系統(tǒng)，其硬件設(shè)備安裝位置如圖1所示。

圖1 起重機(jī)械信息采集源

數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)將起重機(jī)運(yùn)行時的數(shù)據(jù)信息實(shí)時地采集進(jìn)來，并且對其進(jìn)行處理和存儲，然后控制起重機(jī)的運(yùn)行，此外，系統(tǒng)還將故障信號和危險信號反映出來，提醒操作人員和維修管理員。該系統(tǒng)包括信息采集單元(限位、重量傳感器、編碼器等)，信息處理單元(PLC)，信息存儲單元和控制輸出單元(CMS)。

視頻信息系統(tǒng)采集起重機(jī)行走區(qū)域和吊點(diǎn)的圖像畫面，并顯示在司機(jī)室內(nèi)的顯示器上，供司機(jī)查看，同時存儲72 h。

3.2 數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)

3.2.1 信息采集單元

信息采集單元用于讀取信息源數(shù)據(jù)。它由機(jī)械限位、感應(yīng)限位、紅外線光電限位、超速開關(guān)、重量傳感器、測速編碼器、絕對值編碼器、PLC的輸入模塊等組成，信息采集模塊示意圖如圖2所示，它們將采集的信號送至信息處理單元。

圖2 信號采集模塊

PLC模塊用于接收操作站和機(jī)上各個傳感器的信號，并進(jìn)行相應(yīng)地運(yùn)算和處理，然后輸出控制指令，控制相關(guān)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。其具有開機(jī)自診斷功能，當(dāng)檢測到模塊故障或通訊問題時，紅色的 Error指示燈會亮起。

3.2.2 信息處理單元

信息處理單元將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和處理，同時根據(jù)起重機(jī)工況的要求，執(zhí)行邏輯控制。它由可編程序控制器和工控機(jī)組成。PLC的I/O及模擬量模塊將造船門式起重機(jī)上安裝的各種限位、編碼器、重量傳感器、風(fēng)速儀等信號實(shí)時地采集進(jìn)來，然后通過PLC的CPU對信號進(jìn)行處理，控制相關(guān)機(jī)構(gòu)運(yùn)行，并作出邏輯處理和故障報警等判斷。對于極限限位和超速開關(guān)這類信號，則采取同時進(jìn)入硬件控制回路和PLC模塊，這樣可以起到雙保險的作用;而對于有些不會造成損失的信號則直接進(jìn)PLC模塊。并且極限限位等一類故障中，系統(tǒng)設(shè)計時通常使用的常態(tài)為常閉觸點(diǎn)，這樣，只要信號丟失，就認(rèn)為極限動作，或者線路有問題，提高了安全性。工控機(jī)用于實(shí)時讀取PLC程序內(nèi)相應(yīng)的信息，并且通過監(jiān)控軟件將造船門式起重機(jī)的各種監(jiān)控信息實(shí)時顯示在電腦上，是信息處理單元和CMS單元的連接紐帶。該軟件還提供了接口，可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出成Excel通用形式。

3.2.3 信息存儲單元和控制輸出單元(CMS)

CMS的功能是實(shí)時存儲所采集的信息，并記錄操作指令和起重機(jī)實(shí)時工況，輸出控制信號和報警信號。它主要由PLC的輸出模塊、驅(qū)動器和數(shù)字硬盤等組成，CMS子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

CMS和PLC通過以太網(wǎng)交換機(jī)相聯(lián)，實(shí)時讀取PLC內(nèi)相應(yīng)的信息，并且通過監(jiān)控軟件，將各種監(jiān)控信息實(shí)時顯示在電腦上，同時存儲在硬盤內(nèi)。無線設(shè)備又將工控機(jī)、PLC、硬盤錄像機(jī)接入地面局域網(wǎng)，將信息傳輸至服務(wù)器。局域網(wǎng)又與公網(wǎng)相連，用戶可以通過公網(wǎng)訪問起重機(jī)上的CMS。

圖3 CMS子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)數(shù)據(jù)庫存儲的容量大于2 GB的時候系統(tǒng)會自動進(jìn)行壓縮數(shù)據(jù)，并根據(jù)程序設(shè)置，自動刪除最早的歷史數(shù)據(jù)，刪除的數(shù)量在程序中可以定義。故障記錄達(dá)到設(shè)定數(shù)量時，會在CMS的故障畫面上，提醒用戶備份。

PLC擁有700 MHz的CPU，采樣速度為0.14 ms內(nèi)可以處理1 000個布爾量，其滿足“標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行周期內(nèi)采用周期不大于100 ms”的要求。

3.3 視頻信息系統(tǒng)

視頻信號采集系統(tǒng)由前端、傳輸、控制和后端組成，前端主要由高性能攝像機(jī)組成;傳輸采用數(shù)字式光端機(jī);控制由小型控制鍵盤和四畫面分割器組成，鍵盤用于控制前端球機(jī)的旋轉(zhuǎn)和變焦，四畫面分割器用于整合多路視頻，將它們組合成一個畫面;后端為2臺監(jiān)視器和一臺高性能硬盤錄像機(jī)。司機(jī)通過司機(jī)室內(nèi)的2臺監(jiān)視器，觀察到大車行走區(qū)域，吊點(diǎn)區(qū)域的環(huán)境情況，硬盤錄像機(jī)提供存儲視頻和Web瀏覽功能，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

目前，系統(tǒng)上用的的信號接口如下:無源開關(guān)量信號接口有110 V輸入/輸出模塊，用于接收限位、光控開關(guān)，溫控開關(guān)等信號。模擬量信號接口有4 mA～20 mA的模擬量輸入模塊，用于接收重量傳感器，風(fēng)速等信號。脈沖量信號接口有，在驅(qū)動器的主控板上有編碼器信號輸入板，它可以接收來自脈沖編碼器的信號。整機(jī)的數(shù)據(jù)采用PROFIBUS和GPRS通訊，這些滿足國家現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，是對外開放的協(xié)議［9］。

采用GPRS無線接入Internet的方式，雖然比較靈活、方便，但是這種方式也存在著一定的缺陷［10］。數(shù)據(jù)傳送速率相對較慢，當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場產(chǎn)生大量的報警信息和狀態(tài)信息時，無法滿足數(shù)據(jù)傳送的要求［11］。由于GPRS無線接入方式自身?xiàng)l件的限制，為了降低網(wǎng)絡(luò)開銷，可以在服務(wù)器端建立存儲過程。這主要是由于存儲過程的以下優(yōu)點(diǎn):

(1)可以與其他應(yīng)用程序共享應(yīng)用程序的邏輯，從而確保一致的數(shù)據(jù)訪問和操縱;

(2)提供了一種安全機(jī)制;

(3)執(zhí)行速度快，便于提高系統(tǒng)的性能;

(4)可以減少網(wǎng)絡(luò)傳輸時間。

通過使用服務(wù)器端存儲過程，可極大地降低網(wǎng)絡(luò)開銷，使用過程存儲前、后，數(shù)據(jù)量的對比如表1所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，雖然在建立連接時，使用存儲過程的網(wǎng)絡(luò)開銷比較大，但是每條數(shù)據(jù)的傳送開銷，存儲過程的優(yōu)勢則十分明顯，這十分適合工業(yè)現(xiàn)場大量數(shù)據(jù)傳送的需求。

表1 使用存儲過程前、后網(wǎng)絡(luò)開銷的比較

4 結(jié)束語

安全監(jiān)控系統(tǒng)對于保障生產(chǎn)安全和方便生產(chǎn)管理具有重要意義。設(shè)計一套先進(jìn)、方便實(shí)用的數(shù)字化安全監(jiān)控系統(tǒng)，對于實(shí)現(xiàn)人們的安全生產(chǎn)、提高監(jiān)控質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)科學(xué)有效的管理都具有十分重要的意義。本研究設(shè)計的安全監(jiān)控與管理系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

(1)完全按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T28264的要求進(jìn)行設(shè)計;

(2)增加了遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控設(shè)計，整個安全監(jiān)控系統(tǒng)在起重機(jī)6個重要部位都安裝了視頻監(jiān)控。另外通過Internet還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對起重機(jī)的安全管理和交互;

(3)規(guī)范管理和操作，通過過程監(jiān)測，可將機(jī)械作業(yè)的過程以數(shù)字方式全部記錄下來，從而既可以為對操作人員進(jìn)行工作量定量考核提供真實(shí)的數(shù)據(jù)，也可以規(guī)范操作，對違章作業(yè)提供記錄信息。

（References）:

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